Рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов

Устройство предназначено для обнаружения пачки взаимно когерентных импульсов. Содержит входной блок, подключенный к первому входу сумматора. Второй вход сумматора подключен к выходу усилителя обратной связи. Новизна заключается во введении компенсирующего усилителя и полосового фильтра. Вход усилителя соединен с выходом линии задержки, а выход усилителя - со входом полосового фильтра. Линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке. Длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, выходной встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя. Полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе. Технический результат заключается в повышении обнаружительной способности накопителя без ухудшения его устойчивости. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в локации в качестве обнаружителя пачки взаимно когерентных радиоимпульсов.

Известны оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, максимизирующие отношение сигнал/шум на их выходах, в частности рециркуляционные накопители, в которых период циркуляций задается равным периоду следования радиоимпульсов в их исходной пачке. Известно использование линий задержки на поверхностных акустических волнах, в том числе дисперсионных линий задержки, применительно к решению различных технических задач [1-10].

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения является рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов, известный из книги Ю.С.Лезина, Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, М., Сов. радио, 1969, стр.256-286, рис.7.1.1. Этот накопитель содержит последовательно включенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки и усилитель обратной связи, выход которого соединен со вторым входом сумматора с двумя входами.

Недостатком известного устройства является сложность обеспечения высокой обнаружительной способности, связанная с необходимостью обеспечения запаса устойчивости рециркулятора при повышении коэффициента обратной связи, при выборе этого коэффициента, близкого к единице.

Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.

Целью изобретения является повышение обнаружительной способности накопителя без ухудшения его устойчивости.

Данная техническая задача достигается в устройстве, содержащем последовательно соединенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки, усилитель обратной связи, выходом включенный к второму входу сумматора с двумя входами, отличающемся тем, что в него введены последовательно соединенные компенсирующий усилитель и полосовой фильтр, линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке, причем длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя, а полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе.

Достижение поставленной задачи объясняется дополнительным накоплением в протяженной структуре выходного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и узкополосной фильтрацией когерентно расширенного по длительности радиоимпульсного отклика с линии задержки заявляемой конструкции при оптимальном выборе передаточной функции рециркуляционной цепи.

Изобретение понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства, состоящая из последовательно соединенных входного устройства 1, сумматора с двумя входами 2, линии задержки 3 с входным 4, промежуточным 5 и выходным 6 ВШП, компенсирующего усилителя 7 и полосового фильтра 8, а также из включенного между промежуточным ВШП и вторым входом сумматора с двумя входами усилителя обратной связи 9.

На фиг.2 дана диаграмма процесса накопления сигнала в выходном ВШП с длительным взаимодействием цуга волн.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Пусть на входное устройство 1 воздействует пачка из p взаимно когерентных радиоимпульсов длительностью τ_и с периодом их повторения в пачке Т (длительность пачки pT). Полная временная задержка в рециркуляционной цепи из последовательно соединенных сумматора с двумя входами 2, линии задержки 3 между ее входным 4 и промежуточным 5 ВШП и усилителя обратной связи 9 выбрана равной периоду следования Т радиоимпульсов в пачке. Этот узел работает как известный рециркуляционный накопитель. При этом экспоненциально возрастающая амплитуда радиоимпульса, накапливаемого в рециркуляционной цепи, поступает в линии задержки 3 к выходному ВШП 6, в пределах которого укладывается N радиоимпульсов, и это число N определяется длиной выходного ВШП L_вых и скоростью v распространения поверхностной акустической волны в звукопроводе линии задержки 3, так что L_вых=vNT. Конструкция выходного ВШП 6 выбрана согласованной с несущей частотой f₀ радиоимпульсов - шаг между смежными электродами этого ВШП выбран по условию когерентного накопления d=v/2f₀. Поэтому дополнительное N-кратное когерентное накопление сигнала обеспечивается в выходном ВШП 6, при котором пачка радиоимпульсов преобразуется в единый более длинный радиоимпульс, который после его усиления в компенсирующем усилителе 7 (компенсирующем потери сигнала в линии задержки 3) подвергается сглаживанию в полосовом фильтре 8 с полосой пропускания Δf_Ф, согласованной с задержкой сигнала в выходном ВШП 6 NT, то есть при Δf_Ф≈1/NT. Коэффициент передачи K₀ в рециркуляционной цепи выбирается близким к единице (порядка 0,96...0,98), так что постоянная времени рециркулятора τ_P обеспечивает необходимое накопление в нем радиоимпульсного сигнала, причем τ_P=K₀T/(1-K₀).

Нетрудно показать, что в результате работы рециркуляционной цепи амплитуда радиоимпульса на его выходе A_P при приеме p входных радиоимпульсов по сравнению с их амплитудами A₀ на входе рециркулятора, поступающими с входного устройства 1, вырастает до величины

Цуг волн с амплитудой A_р поступает к выходному ВШП 6, где когерентно накапливается. Процесс нарастания амплитуды радиоимпульсов на выходе рециркуляционной цепи во времени происходит согласно выражению (1), где j - текущий индекс суммирования j=1, 2, 3, ... p, и при j=p достигается амплитуда, указанная в (1). После окончания пачки радиоимпульсов, поступающих с входного устройства 1, амплитуда радиоимпульсов A_m, на выходе рециркулятора начинает медленно уменьшаться по экспоненциальному закону A_m=А_Pехр[-(m-p)(1-K₀)/K₀], где m=p+1, p+2, p+3, ..., как это видно из представленной на фиг.2 диаграммы. Шаг рециркуляции m>p в этом выражении тождественен текущему времени t_m, отсчитываемому после окончания действия пачки радиоимпульсов размером в p радиоимпульсов.

Пусть дисперсия шума на первом входе сумматора с двумя входами 2 в условиях стационарного гауссова шума равна σ_ш ²=G/2τ_и, где G - приведенная к этому входу спектральная плотность шума, определяемая шумовыми характеристиками входного устройства 1. Тогда на входном ВШП 4 результирующая дисперсия шума находится из выражения

Из (1) и (2) видно, что отношение сигнал/шум на входе линии задержки 3 при максимальной амплитуде радиоимпульса равно

при работе на эквивалент нагрузки 1 Ом. При работе на произвольную нагрузку удобнее пользоваться мощностью входного сигнала в пачке радиоимпульсов, при этом (3) можно записать в виде

где μ₀=2Е/G=2τ_иP_вх/G - максимально возможное отношение сигнал/шум на входе согласованного фильтра, определяемое энергией Е принятого сигнала с его входной мощностью Р_вх.

Для формирования достаточно длинного во времени радиоимпульсного отклика в выходном ВШП 6 линии задержки 3 целесообразно использовать рециркулятор с увеличенной постоянной времени τ_P=K₀Т/(1-K₀), однако при этом несколько снижается величина μ_{max вх}, как это следует из (4), и, следовательно, оптимизация отношения сигнал/шум на выходе линии задержки 3 достигается при определенном выборе коэффициента обратной связи K₀ в рециркуляционной цепи в зависимости от числа p радиоимпульсов в пачке, и, кроме того, этот выбор также определяется значением N, то есть длительностью NT взаимодействия цуга волн в выходном ВШП 6 применяемой линии задержки 3, что свидетельствует о неразрывной совокупности известных и вновь вводимых признаков заявляемого технического решения.

Действительно, наибольший отклик на выходе линии задержки 3 достигается, когда цуг волн с амплитудой А_P согласно (1) достигает конца выходного ВШП 6, и при этом в рабочей длине L_вых ВШП 6 одновременно находятся цуги последующих откликов рециркулятора, амплитуды которых A_m экспоненциально уменьшаются из-за окончания действия радиоимпульсов пачки, и все эти цуги индуцируют в соответствующих элементах выходного ВШП 6 электрический сигнал-отклик, повышая его энергетику.

Максимум амплитуды А_{вых max} радиоимпульса на выходе компенсирующего усилителя 4, восполняющего потери сигнала в линии задержки 3, определяется соотношением

где j=p, p+1, p+2, ... p+N-1, то есть когерентно суммируются N цугов волн в выходном ВШП 6 в момент времени t_N=NT+Δt_зад, где начальная задержка Δt_зад, обусловленная прохождением цуга волн между входным ВШП 4 и началом выходного ВШП 6 в линии задержки 3, выбирается достаточно произвольно, например равной ≥2Т.

Рассмотрим прохождение шума на выход линии задержки 3 с учетом длительного взаимодействия ее выходного ВШП 6 с действующим в нем сигналом. Полагаем полосу шума соответствующей полосе пропускания входного устройства 1 ΔF_вх=1/τ_и, следовательно, время корреляции шума оценивается величиной τ_и. Тогда сложение шумовых компонент в выходном ВШП 6 - есть суперпозиция n статистически независимых источников шума, где n=NT/τ_и=qN, где q - скважность радиоимпульсов в пачке, и дисперсия шума на выходе линии задержки 3 будет равна

Полагая полосу пропускания полосового фильтра 8 равной Δf_Ф≈1/NT, замечаем, что отношение ΔF_вх/Δf_Ф=n, и тогда на выходе полосового фильтра 8 дисперсия шума будет равна

Сравнивая (6) и (7), приходим к выводу об инвариантности дисперсии шума на выходе полосового фильтра 8 по отношению к длительности взаимодействия NT цугов волн в выходном ВШП 6. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум W_{вых max} на выходе полосового фильтра 8 по сравнению отношением сигнал/шум на входе линии задержки 3 с учетом (5) равен

Из (8) следует, что величина выигрыша W_{вых max} не зависит от числа импульсов p в пачке и определяется лишь параметрами N и K₀ существенно возрастая с ростом этих чисел. Это способствует увеличению обнаружительной способности устройства.

В таблице 1 приведены расчетные данные указанного выигрыша для различных значений числа N и коэффициента обратной связи в рециркуляторе K₀.

Таблица 1
Коэфф. обр. связи K0	N=5	N=7	N=9	N=11	N=13	N=15
0,99	4,900	6,792	8,646	10,464	12,244	13,989
0,985	4,851	6,690	8,475	10,205	11,884	13,512
0,98	4,802	6,590	8,306	9,954	11,535	13,054
0,975	4,753	6,490	8,140	9,708	11,198	12,612
0,97	4,705	6,392	7,978	9,469	10,871	12,188
0,965	4.656	6,295	7,819	9,236	10,554	11,780
0,96	4,608	6,199	7,662	9,009	10,248	11,388
0,955	4,560	6,104	7,509	8,788	9,961	11,010
0,95	4,513	6,011	7,359	8,572	9,665	10,648
0,945	4,466	5,918	7,212	8,362	9,387	10,299
0,94	4,419	5,827	7,067	8,158	9,119	9,964
0,935	4,372	5,737	6.925	7,959	8.859	9,642
0,93	4,326	5,649	6,787	7,766	8,608	9,332
0,925	4,279	5,561	6,651	7,577	8,365	9,035
0.92	4,234	5,475	6,517	7,394	8,130	8,749
0,915	4,188	5,389	6,387	7,215	7,903	8,474
0,91	4,143	5,305	6,259	7,041	7,684	8,210
0,905	4,098	5,222	6,134	6,872	7,471	7,957
0,90	4,053	5,140	6,011	6,708	7,266	7,713

Рассмотрим пример реализации устройства для входных сигналов с параметрами: длительность радиоимпульсов τ_и=0,1 мкс с периодом их следования в пачке из p=20 импульсов, равным Т=1 мкс, с несущей частотой радиоимпульсов f₀=60 МГц. Тогда полоса пропускания входного устройства должна быть равна ΔF_вх=10 МГц. Исходя из требования обеспечения достаточной устойчивости системы, выбираем коэффициент обратной связи в рециркуляционной цепи равным К₀=0,985, тогда величина А_Р в результате накопления 20 импульсов пачки достигнет А_Р=17,4, и эта часть волнового цуга, поступающего на входной ВШП линии задержки, имеет длительность около 6 мкс от уровня 0,707 А_Р. После окончания пачки амплитуда радиоимпульсов за счет продолжающегося действия рециркулятора экспоненциально убывает на входе линии задержки с постоянной времени τ_Р=К₀Т/(1-К₀)=65,7 мкс и уменьшится до уровня 0,707А_Р за время 23 мкс. Общая длина цуга полученного радиоимпульса будет при этом 6+23=29 мкс по уровню 0,707 А_Р. Это означает, что величина N=29. Длина выходного ВШП 6 при скорости акустической волны v=3,16 мм/мкс (для пьезокварца) составит L_вых=92 мм, а общая длина линии задержки не превзойдет 95 мм. Шаг в ВШП d=26,3 мкм. Полоса пропускания в полосовом фильтре выбирается равной Δf_Ф=35 кГц. Применение такого устройства дает выигрыш в отношении сигнал/шум в W_выхmax=23,6 раза (˜27,5 дБ) по сравнению с рециркуляционным накопителем известной конструкции (прототипом).

Заявляемое техническое устройство предназначено для обнаружения пачки взаимно когерентных радиоимпульсов в широком ассортименте радиотехнических устройств (локаторов, систем связи, телеметрии и т.д.). Выпускаемые в настоящее время линии задержки на ультразвуковых поверхностных волнах позволяют работать в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц и даже до 2 ГГц с полосой пропускания до 20-40% от несущей частоты при высокой точности расположения на звуконосителе (специальные срезы кварца, арсенида галлия и др.) элементов ВШП и с малой зависимостью параметров линии от температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.И.Тверской. Дисперсионно-временные методы измерений спектров радиосигналов, М., Сов. радио, 1974.

2. С.С.Каринский. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., Сов. радио, 1975.

3. А.А.Джек, П.М.Грант, Дж.Х.Коллинз. Теория проектирования и применения Фурье-процессоров на поверхностных акустических волнах, ТИИЭР, т.68, №4, стр.22-43, 1980.

4. О.Ф.Меньших. Устройство для анализа спектра сигналов. Патент РФ №2040798.

5. О.Ф.Меньших. Обнаружитель моноимпульсного сигнала. Патент РФ №2046370.

6. О.Ф.Меньших. Обнаружитель лазерного доплеровского локатора. Патент РФ №1805756.

7. О.Ф.Меньших. Согласованный фильтр. Патенты РФ №2016493 и №2016494.

8. О.Ф.Меньших. Устройство для анализа спектра сигналов. Патент РФ №2040798.

9. О.Ф.Меньших. Обнаружитель моноимпульсного радиосигнала. Патент РФ №2046370.

10. О.Ф.Меньших. Ультразвуковой микроскоп. Патент РФ №2270997 за 2005 год.

Рециркуляционный накопитель пачки взаимно когерентных радиоимпульсов, содержащий последовательно соединенные входное устройство, сумматор с двумя входами, линию задержки, усилитель обратной связи, выходом подключенный ко второму входу сумматора с двумя входами, отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные компенсирующий усилитель и полосовой фильтр, линия задержки состоит из входного, промежуточного и выходного встречно-штыревых преобразователей на звукопроводящей подложке, причем длительность взаимодействия цуга волн в выходном встречно-штыревом преобразователе выбрана в несколько единиц или десятков раз больше задержки сигнала между входным и промежуточным встречно-штыревыми преобразователями, выходной встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде непрерывной монопериодической структуры, согласованной с несущей частотой принимаемых радиоимпульсов, и подключен к входу компенсирующего усилителя, а полоса пропускания в полосовом фильтре выбрана соизмеримой с обратной величиной длительности радиоимпульсного сигнала, формируемого в выходном встречно-штыревом преобразователе.