Способ параллельного формирования характеристики направленности линейной антенны

 

Способ параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны предназначен для использования при обработке пространственно-временных сигналов, прежде всего гидроакустических. Техническим результатом изобретения является повышение точности формирования характеристик направленности линейной антенны при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот. Достижение технического результата заключается в формировании сигналов антенны в виде двумерного информационного массива в координатах временные отсчеты - номер элемента антенны и выполнении последовательности операций: операции параллельного преобразования Фурье по временной координате, поэлементного умножения полученного результата на первую двумерную функцию, операции параллельного преобразования Фурье по пространственной координате с последующим поэлементным умножением на вторую двумерную функцию и операции обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, при этом осуществляется спектральный анализ сигналов в широкой полосе частот как в дальней, так и в ближней зонах антенны. Первая и вторая двумерные функции определяют параметры формирования характеристик направленности и учитывают геометрию антенны и характеристики сигнала, включая дальность до цели. 3 ил.

Изобретение относится к области обработки сигналов, прежде всего гидроакустических, принимаемых линейными антенными решетками.

Известны способы обработки сигналов антенн, на основе которых реализованы устройства (Активная гидроакустическая станция по патенту US 5544128 А от 06.08.96, G 01 S 15/00, Активная гидроакустическая станция по патенту JP 6019431 от 16.03.94, G 01 S 15/06, Радиооптическая антенная решетка, описанная в книге "Радиооптические антенные решетки", Д.И. Воскресенский, А.Ю. Гринев, Е.Н. Воронин. М.: Радио и связь, 1986, стр. 18, рис. 1.3).

Недостатком устройства по патенту US 5544128 А является то, что заложенный в его основу способ обработки сигналов на основе формирования характеристик направленности и спектрального анализа предполагает формирование только двух характеристик направленности, что ограничивает поле обзора пространства. Недостатком устройства по патенту JP 6019431 является то, что заложенный в его основу способ обработки сигналов на основе записи сигналов элементов антенны в ОЗУ и суммировании отсчетов сигналов с помощью каскада сумматоров предъявляет высокие требования к цифровой системе обработки вследствие большого числа требуемых операций обращения к памяти и вычислений, что приводит к снижению точности формирования характеристик направленности вследствие ограничений на информационную емкость исходного массива информации.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ, заложенный в основу функционирования Радиооптической антенной решетки для параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны ("Радиооптические антенные решетки", Д.И. Воскресенский, А.Ю. Гринев, Е.Н. Воронин. М.: Радио и связь, 1986, стр. 18, рис. 1.3), который заключается в формировании сигналов антенны в виде двумерного информационного массива в координатах "время - номер элемента антенны" путем развертки сигналов в пространстве с помощью многоканального акустооптического модулятора света и последовательно выполняемых операций параллельного преобразования Фурье по временной координате и параллельного преобразования Фурье по пространственной координате путем освещения модулятора когерентным светом, проходящим через модулятор и оптическую систему. Недостатками указанного способа являются недостаточная точность формирования характеристик направленности при обработке сигналов в широкой полосе частот, понижающаяся с уменьшением частоты сигнала и связанная с представлением пространственно-временного спектра, как результата операций Фурье-преобразований, в радиальной системе координат, когда для фиксированного угла прихода сигнала спектральные компоненты сигнала расположены вдоль линии, соединяющей начало координат выходного массива данных и точку, соответствующую верхней временной частоте и пространственной частоте для данного угла прихода, при этом масштаб пространственного спектра и число отсчетов сигнала уменьшаются с уменьшением временной частоты сигналов, а также невозможность использования указанного способа при обработке сигналов, пришедших из ближней зоны антенны.

Задачей заявляемого способа является повышение точности формирования характеристик направленности линейной антенны при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот в дальней и ближней зонах, достигаемой за счет увеличения числа отсчетов по координате пространственного спектра в области низких временных частот.

Для решения указанной задачи между преобразованиями Фурье по временной координате и преобразованием Фурье по пространственной координате введены операция поэлементного умножения на первую двумерную функцию и последовательно выполняемые после операции Фурье-преобразования по пространственной координате операция поэлементного умножения на вторую двумерную функцию и операция обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, при этом первая двумерная функция имеет вид где k - временная частота; n - номер элемента антенны; η - константа; γ - скалярная величина, соответствующая дальности до цели в ближней зоне антенны; S(k) - функция фильтрации временных частот, а вторая двумерная функция является Фурье-образом по пространственной координате двумерной функции вида F2_t(k,n) = exp(j2πηkn²). Структурная схема устройства для реализации заявленного в изобретении способа представлена на фиг.1, где
Позиция 1 - формирователь двумерного информационного массива обрабатываемого сигнала антенны;
Позиция 2 - БПФ_m - устройство одномерного быстрого преобразования Фурье (БПФ) по временной координате;
Позиция 3 - умножитель первой двумерной функции на выходной сигнал БПФ_m;
Позиция 4 - БПФ_n - устройство БПФ по пространственной координате;
Позиция 5 - умножитель второй двумерной функции на выходной сигнал БПФ_n;
Позиция 6 - ОБПФ_р - устройство обратного БПФ по пространственной координате;
s(m, n) - двумерный информационный массив входного сигнала в координатах временные отсчеты (m=1:М) - номера элементов антенны (n=-N/2+1: N/2);
F1(k, n), F2(k, n) - первая и вторая двумерные функции соответственно;
.X - операция поэлементного перемножения матриц;
S_вых(k, р_в) - выходной сигнал в координатах временной спектр (k=1:M1) - номер характеристики направленности (пространственная частота на верхней частоте).

На фиг. 2 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки для входного сигнала, являющегося смесью гармонического сигнала и пространственно-коррелированного шумового сигнала.

На фиг. 3 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки двух гармонических сигналов в ближней зоне с учетом дистанции до цели.

Рассмотрим принцип работы заявленного изобретения.

Сигнал s_вх(t)c выхода линейной антенны формируется в виде двумерного информационного массива, (позиция 1, фиг.1), в координатах временные отсчеты - номер элемента антенны и для случая гармонического сигнала имеет вид

где S(k_o) - амплитуда сигнала на временной частоте k_o,
М - число временных отсчетов,
N - число элементов антены,


f_o - частота сигнала;
f_в - верхняя частота;
f_g - частота дискретизации;
q_o - пространственная частота для угла прихода сигнала Θq₀;
d - расстояние между элементами антенны, причем
d = βλ_в; (3)
λ_в - длина волны для верхней частоты,

В результате операции преобразования Фурье по времени, (позиция 2 на фиг.1), получаем двумерный сигнал, имеющий вид

Рассмотрим принцип преобразований для случая обработки сигналов в дальней зоне, при этом в выражении для первой двумерной функции параметр γ= 0. Также считаем, что S(k)=1 для всех k.

В результате операции умножения сигнала (5), (позиция 3 на фиг.1), на первую двумерную функцию получаем двумерный сигнал, имеющий вид

где S_c(k, n) - определена в формуле (5),


Операции Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 4 на фиг.1), умножения на функцию, соответствующую второму фильтру, (позиция 5 на фиг.1), и обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 6 на фиг. 1), в соответствии с теоремой о свертке эквивалентны операции свертки сигнала (6) и функции F2_t = exp(j2πηkn²), где при этом сигнал на выходе операции обратного Фурье-преобразования, (позиция 6 на фиг.1), может быть записан в виде двумерной функции

и соответствует вееру характеристик направленности антенны, сформированному для всех временных частот k одновременно.

После несложных преобразований сигнал (7) можно представить в виде

В случае согласования угла прихода сигнала Θ_q0 и точки наблюдения сигнала по пространственной координате с учетом формул (2), (4), (6)

где
В указанной точке наблюдения nl₀ мы получаем усиленный в N раз сигнал, соответствующий результату формирования характеристики направленности антенны.

Заметим, что преобразования сигналов предлагаемым способом осуществляются одновременно для всех пространственных каналов наблюдения (характеристик направленности) и параллельно для всех временных частот входного сигнала.

Рассмотрим преобразования сигнала, пришедшего из ближней зоны антенны. При этом входной сигнал имеет вид

где b - отношение дистанции до цели к апертуре антенны,
а его временной спектр на выходе операции Фурье-преобразования по временной координате, (позиция 1 на фиг.1), определен выражением
S_БЗ(k,n) = S_c(k,n1)exp(j2πkγn²), (12)
где S_c(k, n1) определено выражением (5).

После умножения сигнала (12), (позиция 2 на фиг.1), на функцию, соответствующую первому фильтру с учетом ближней зоны антенны, определенную выражением
F1(k,n) = exp(-j2πηkn²)exp(-j2πγn²), (13)
получаем компенсацию квадратичного фазового множителя, связанного с приходом сигнала из ближней зоны. Дальнейшие операции для осуществления параллельного формирования характеристик направленности совпадают с операциями обработки, рассмотренными выше для сигнала из дальней зоны.

Предлагаемый способ формирования характеристик направленности при осуществлении спектрального анализа сигналов в широкой полосе частот может быть также использован при обработке принимаемых сложных сигналов в режиме гидролокации. В этом случае сложный сигнал, являющийся суммой взвешенных гармонических сигналов, после операции Фурье-преобразования по временной координате имеет вид:

где S_c(k) - временной спектр сложного сигнала.

После операции умножения сигнала (14), (позиция 2 на фиг.1), на функцию, соответствующую первому фильтру и имеющую вид
F1 = exp(-j2πηn²)exp(-j2πγn²)S_ф(k), (15)
и последовательности операций, определенных позициями 3, 4, 5 и 6 на фиг.1, обеспечивается формирование пространственных каналов наблюдения как в ближней, так и в дальней зоне антенны, аналогично рассмотренному выше формированию пространственных каналов для гармонических сигналов, при этом временная составляющая сигнала на выходе операции обратного Фурье-преобразования по пространственной координате, (позиция 6 на фиг.1), имеет вид
S_t(k)=S_c(k)S_ф(k). (16)
Последующая операция обратного Фурье-преобразования по временной координате при условии, что функция S_ф(k) фильтрации временных частот, входящая в качестве сомножителя в первую двумерную функцию, согласована со спектром принимаемого сложного сигнала, обеспечит сжатие сложного сигнала в короткий корреляционный пик, осуществляя преобразование сигнала (16) к виду
s_вых(m,n1)=s_с(m,n)*_ts_ф(m), (17)
где s_c(m,n) - сложный сигнал на выходе антенны,
*_t - операция корреляции по временной координате,
s_ф(m) - сигнал, согласованный с ожидаемым сложным сигналом.

Работоспособность заявленного изобретения может быть доказана путем моделирования алгоритма обработки на ЭВМ. Результаты указанного моделирования представлены на фиг.2, фиг.3.

На фиг.2 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки заявляемым способом смеси гармонического сигнала и пространственно-коррелированного шумового сигнала (Входной объем информации составляет: М=1024; N=64; параметры; амплитуда и угол прихода гармонического сигнала соответственно равны 1; и - 40^o; амплитуда и угол прихода шумового сигнала соответственно равны 1 и + 20^o. Формат выходного сигнала М1•N=409•64 точек в координатах временная частота - номер характеристики направленности.

На фиг. 3 представлено отображение результата моделирования алгоритма обработки смеси двух гармонических сигналов в ближней зоне с учетом дистанции до цели. Амплитуда, относительная временная частота и угол прихода первого сигнала соответственно равны 1, 0,5; и - 45^o; амплитуда, частота и угол прихода второго сигнала соответственно равны 1, 0,75; и + 45^o. Отношение дистанции до цели к апертуре антенны b=2,5. Формат выходного сигнала M1•N=409•64 точек в координатах временная частота - номер характеристики направленности.

Для реализации изобретения могут быть использованы стандартные программируемые вычислительные средства на основе ЭВМ "Багет", "Багет 23". Структурная схема указанных аппаратных средств включает в себя в качестве основных компонентов оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), сигнальные процессоры, контроллеры и шины для обмена и передачи данных. Формирование двумерного информационного массива сигнала s(m,n) и хранение первой и второй двумерных функций осуществляется в ОЗУ, а выполнение стандартных преобразований Фурье и операции поэлементного перемножения двумерных информационных массивов, также как и расчет первой и второй двумерных функций, осуществляется с помощью сигнальных процессоров в составе ЭВМ типа "Багет".

Из приведенного математического описания заявленного изобретения и полученных результатов моделирования следует, что в изобретении осуществляется формирование характеристик направленности линейной антенны параллельно во всех пространственных каналах и параллельно для всех временных частот, при этом на каждой временной частоте пространственная характеристика сигнала задается числом точек, равным или большим числу элементов антенны N. Способ формирования характеристик направленности, реализуемый прототипом на основе последовательности преобразований Фурье по временной и пространственной координате, формирует пространственно временной спектр входного сигнала на координатной сетке размерностью М точек по временной координате и N точек по пространственной координате, причем для спектральной составляющей сигнала в соответствии с выражением (1) выходной сигнал имеет вид пика с центром, определенным временной частотой k₀ и пространственной частотой q₀. Из выражения (4) для пространственной частоты следует, что с уменьшением временной частоты область представления выходного сигнала по пространственной координате уменьшается от N точек на верхней временной частоте до одной точки на нулевой частоте, при этом информация о сигнале содержится только в точках общим числом MN/2, заданных в секторе, ограниченном прямыми линиями в соответствии с выражением(4) для углов прихода сигнала Θ_q0 = -90° и Θ_q0 = 90°. Для получения информации о временном спектре сигнала для заданного пространственного направления необходимо считывание пространственно-временного спектра вдоль прямой линии, задаваемой уравнением (4) для пространственной частоты, при этом в условиях ограниченного числа пространственных точек в области низких временных частот происходит уменьшение точности получаемых данных. Кроме того, алгоритм обработки, реализуемый прототипом, не позволяет формировать характеристики направленности антенны с достаточной точностью для сигналов, приходящих из ближней зоны антенны и содержащих дополнительный фазовый набег по квадратичному закону.

Последовательность операций в соответствии с заявляемым способом обеспечивает параллельное формирование характеристик направленности линейной антенны в дальней и ближней зонах наблюдения при осуществлении спектрального анализа сигналов, обеспечивая представление распределения сигнала по углу числом точек не менее числа элементов антенны одновременно для всех временных частот сигнала, что позволяет использовать предложенный способ при создании гидроакустических комплексов, функционирующих как в режиме шумопеленгования, так и в режиме гидролокации.

Таким образом, поставленная задача повышения точности параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны в дальней и ближней зонах при осуществлении спектрального анализа сигналов решена.

Формула изобретения

Способ параллельного формирования характеристик направленности линейной антенны, заключающийся в последовательно выполняемых операциях формирования сигналов антенны в виде двумерного информационного массива в координатах временные отсчеты m - номера элементов антенны n, преобразования Фурье по координате m, преобразования Фурье по координате n, отличающийся тем, что между преобразованиями Фурье по координате m и по координате n введены операция поэлементного умножения на первую двумерную функцию F1(k,n) и последовательно выполняемые после операции Фурье-преобразования по координате n операция поэлементного умножения на вторую двумерную функцию и операция обратного Фурье-преобразования по координате n, причем первая двумерная функция имеет вид

где k - временная частота;
n - номер элемента антенны;
η - константа, равная
N и M - число элементов антенны и число временных отсчетов соответственно;
- отношение частоты дискретизации f_∂ к верхней частоте f_в сигнала;
- отношение расстояния между элементами антенны d к длине волны λ_в сигнала на верхней частоте;
- параметр для учета дальности до цели;
b - отношение дальности до цели к апертуре антенны;
S(k) - функция фильтрации спектра сигнала,
а вторая двумерная функция F2(k, n) является Фурье-образом по пространственной координате двумерной функции вида
F2_t(k,n) = exp(j2πηkn²).э

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3