RU150201U1 - Измеритель радиальной скорости цели - Google Patents

Abstract

Измеритель радиальной скорости цели, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, умножитель, ключ, первый блок памяти, блок вычисления модуля, пороговый блок, второй блок памяти и синхрогенератор, при этом выходы блока задержки соединены с входами блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока задержки, выходы блока усреднения соединены с входами блока вычисления фазы и входами блока вычисления модуля, выход первого блока памяти соединен с первым входом умножителя, выход которого соединен с входом ключа, выход блока вычисления модуля соединен с первым входом порогового блока, выход которого соединен с управляющим входом ключа, второй вход порогового блока соединен с выходом второго блока памяти, выход синхрогенератора соединен с синхровходами блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения, блока вычисления фазы, умножителя, ключа, первого и второго блоков памяти, блока вычисления модуля и порогового блока, отличающийся тем, что введены дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения и дополнительный блок комплексного умножения, при этом входы дополнительного блока задержки соединены с выходами блока комплексного умножения, выходы дополнительного блока задержки соединены с входами дополнительного блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока комплексного умножения, вторые входы которого

Description

Устройство относится к радиолокации и предназначено для обнаружения и измерения радиальной скорости движущейся цели; может быть использовано в радиолокационных системах управления воздушным движением для обнаружения и измерения скорости летательных аппаратов.

Известен многоканальный неследящий фильтровой измеритель [1], каждый канал которого содержит последовательно соединенные согласованный фильтр и детектор, выходы каналов объединены решающим устройством. Однако данное устройство обладает невысокой точностью измерения, а также сложностью реализации многоканальной обработки.

Известно также радиолокационное устройство для обнаружения движущейся цели [2], содержащее последовательно включенные блоки задержки, умножитель комплексных чисел и вычитатель. Однако это устройство обладает низкой точностью и неоднозначностью измерения.

Наиболее близким к заявляемому устройству является обнаружитель-измеритель доплеровских сигналов [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, умножитель, ключ, блок вычисления модуля, первый блок памяти, блок управления, пороговый блок, второй блок памяти и синхрогенератор. Однако данное устройство обладает неоднозначностью и невысокой точностью измерения за счет наличия большого числа функциональных преобразований, связанных с обработкой сигнала, использующего вобуляцию периода повторения.

Задачей, решаемой в заявляемом устройстве, является расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей движущихся целей и повышение точности измерения за счет применения дополнительной обработки когерентно-импульсных сигналов.

Для решения поставленной задачи в измеритель радиальной скорости цели, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, умножитель, ключ, первый блок памяти, блок вычисления модуля, пороговый блок, второй блок памяти и синхрогенератор, введены дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения и дополнительный блок комплексного умножения.

Дополнительные блоки, введенные в предлагаемое устройство, являются известными. Так, соединенные вместе блок задержки, блок комплексного сопряжения и блок комплексного умножения позволяют выделить доплеровский набег фазы за интервал между соседними импульсами. Однако неизвестно совместное применение блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, дополнительного блока задержки, дополнительного блока комплексного сопряжения и дополнительного блока комплексного умножения. Новыми являются связи дополнительного блока задержки и дополнительного блока комплексного умножения с блоком комплексного умножения, дополнительного блока комплексного умножения с блоком усреднения и блока вычисления фазы с умножителем, что обеспечивает повышение эффективности обнаружения и точности измерения за счет меньшего числа функциональных преобразований при применении дополнительной обработки когерентно-импульсных сигналов. Связи между синхрогенератором и всеми блоками измерителя радиальной скорости цели обеспечивают согласованную обработку когерентно-импульсной последовательности радиоимпульсов.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона однозначно измеряемых радиальных скоростей движущихся целей и повышение точности измерения.

Заявляемое решение носит технический характер, осуществимо, воспроизводимо и, следовательно, является промышленно применимым.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая измерителя радиальной скорости цели; на фиг. 2 - блока задержки; на фиг. 3 - блока комплексного сопряжения; на фиг. 4 - блока комплексного умножения; на фиг. 5 - блока усреднения; на фиг. 6 - блока вычисления фазы; на фиг. 7 - блока присвоения знака; на фиг. 8 - блока вычисления модуля.

Измеритель радиальной скорости цели (фиг. 1) содержит блок 1 задержки, блок 2 комплексного сопряжения, блок 3 комплексного умножения, блок 4 усреднения, блок 5 вычисления фазы, умножитель 6, ключ 7, первый блок 8 памяти, блок 9 вычисления модуля, пороговый блок 10, второй блок 11 памяти, синхрогенератор 12, дополнительный блок 13 задержки, дополнительный блок 14 комплексного сопряжения и дополнительный блок 15 комплексного умножения, при этом выходы блока 1 задержки соединены с входами блока 2 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока 3 комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока 1 задержки, выходы блока 4 усреднения соединены с входами блока 5 вычисления фазы и входами блока 9 вычисления модуля, выход первого блока 8 памяти соединен с первым входом умножителя 6, выход которого соединен с входом ключа 7, выход блока 9 вычисления модуля соединен с первым входом порогового блока 10, выход которого соединен с управляющим входом ключа 7, второй вход порогового блока 10 соединен с выходом второго блока 11 памяти, входы дополнительного блока 13 задержки соединены с выходами блока 3 комплексного умножения, выходы дополнительного блока 13 задержки соединены с входами дополнительного блока 14 комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока 15 комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами дополнительного блока 13 задержки, выходы дополнительного блока 15 комплексного умножения соединены с входами блока 4 усреднения, выход блока 5 вычисления фазы соединен со вторым входом умножителя 6, выход синхрогенератора 12 соединен с синхровходами блока 1 задержки, блока 2 комплексного сопряжения, блока 3 комплексного умножения, блока 4 усреднения, блока 5 вычисления фазы, умножителя 6, ключа 7, первого блока 8 памяти, блока 9 вычисления модуля, порогового блока 10, второго блока 11 памяти, дополнительного блока 13 задержки, дополнительного блока 14 комплексного сопряжения и дополнительного блока 15 комплексного умножения, причем входами измерителя радиальной скорости цели являются входы блока 1 задержки, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа 7 и порогового блока 10.

Блок 1 задержки и дополнительный блок 13 задержки (фиг. 2) содержат две цифровые линии задержки 16 на интервал T, входами блоков задержки являются входы цифровых линий задержки 16, выходы которых являются выходами блоков задержки.

Блок 2 комплексного сопряжения и дополнительный блок 14 комплексного сопряжения (фиг. 3) содержат инвертор 17, первый вход блока комплексного сопряжения является его первым выходом, вторым входом является вход инвертора, выход которого является вторым выходом блока комплексного сопряжения.

Блок 3 комплексного умножения и дополнительный блок 15 комплексного умножения (фиг. 4) содержат два канала (I, II), каждый из которых включает первый перемножитель 18, последовательно включенные второй перемножитель 19 и сумматор 20, выход первого перемножителя 18 одного канала соединен со вторым входом сумматора 20 другого канала, а первыми и вторыми входами блока комплексного умножения соответственно являются объединенные между собой первые входы первого и второго перемножителей 18, 19 каждого из каналов, объединенные вторые входы вторых перемножителей 19 и объединенные вторые входы первых перемножителей 18, а выходами блока комплексного умножения являются выходы сумматоров 20 каждого из каналов.

Блок 4 усреднения (фиг. 5) содержит два канала (I, II), каждый из которых состоит из N-3 последовательно включенных цифровых линий задержки 21 на интервал T и N-3 последовательно включенных сумматоров 22, входами блока усреднения являются объединенные входы первой линии задержки 21 и первого сумматора 22 каждого канала (I, II), а выход k-й [k=1…(N-3)] линии задержки 21 соединен со вторым входом k-го [k=1…(N-3)] сумматора 22 каждого канала (I, II), выходами блока усреднения служат выходы (N-3)-x сумматоров 22.

Блок 5 вычисления фазы (фиг. 6) состоит из последовательно включенных делителя 23, функционального преобразователя 24, модульного блока 25, сумматора 26, блока 27 присвоения знака и первого ключа 28, выход функционального преобразователя 24 соединен с входом второго ключа 29, второй вход сумматора 26 соединен с выходом блока 31 памяти, управляющие входы первого и второго ключей 28, 29 соединены с входом делителя 23, соответствующим входу действительной части комплексного числа, второй вход блока 27 присвоения знака соединен с входом делителя 23, соответствующим входу мнимой части комплексного числа, выходы первого и второго ключей 28, 29 соединены с входами сумматора 30, выход которого является выходом блока вычисления фазы, входами блока вычисления фазы являются входы делителя 23.

Блок 27 присвоения знака (фиг. 7) содержит блоки 32, 35 умножения, блок 33 памяти и ограничитель 34, причем второй вход блока присвоения знака является первым входом блока 32 умножения, второй вход которого соединен с выходом блока 33 памяти, выход блока 32 умножения соединен с входом ограничителя 34, выход которого соединен с первым входом блока 35 умножения, второй вход которого является первым входом блока присвоения знака, выходом блока присвоения знака служит выход блока 35 умножения.

Блок 9 вычисления модуля (фиг. 8) содержит два блока 36 умножения, сумматор 37 и блок 38 извлечения квадратного корня, входами блока вычисления модуля являются входы блоков 36 умножения, выходы которых соединены с первым и вторым входами сумматора 37, выход которого соединен с входом блока 38 извлечения квадратного корня, выход которого является выходом блока вычисления модуля.

Измеритель радиальной скорости цели работает следующим образом.

В заявляемом измерителе обрабатывается когерентно-импульсная последовательность N радиоимпульсов, несущие частоты излучения которых с начального значения ƒ₀ линейно перестраиваются от импульса к импульсу на величину Δƒ, т.е несущая частота k-то импульса ƒ_k= ƒ₀+(k-1)Δƒ, k=1…N. При отражении радиоимпульсов от движущейся цели их несущие частоты приобретают доплеровские сдвиги фазы φ_k=φ+(k-1)Δφ, причем

φ=4πƒ₀Tν_r/c, Δφ=4πƒ₀Tν_r/c,

где T - период повторения импульсов, ν_r - радиальная скорость цели, c - скорость распространения радиоволн.

Отраженные от цели радиоимпульсы поступают на вход приемника, в котором усиливаются, в квадратурных фазовых детекторах переносятся на видеочастоту, а затем подвергаются аналого-цифровому преобразованию (соответствующие блоки на фиг.1 не показаны). На вход измерителя в одном элементе разрешения по дальности поступает последовательность N цифровых отсчетов комплексной огибающей

где u_1k, u_2k - действительная и мнимая части отсчетов U_k,

- суммарный сдвиг фазы k-то импульса,

φ₀ - начальная фаза.

Входные отсчеты U_k измерителя (фиг. 1) в блоке 1 задержки (фиг. 2) задерживаются на период повторения T. В блоке 2 комплексного сопряжения (фиг. 3) осуществляется комплексное сопряжение задержанного отсчета

. Далее в блоке 3 комплексного умножения (фиг. 4) реализуется обработка отсчетов в соответствии с алгоритмом

После задержки в дополнительном блоке 13 задержки (фиг. 2) и комплексного сопряжения в дополнительном блоке 14 комплексного сопряжения (фиг. 3) отсчеты

перемножаются с отчетами X_k в дополнительном блоке 15 комплексного умножения (фиг. 4), на выходе которого образуются отсчеты

С выхода дополнительного блока 15 комплексного умножения отсчеты поступают в блок 4 усреднения (фиг. 5), осуществляющий с помощью линий задержки 21 и сумматоров 22 скользящее вдоль азимута суммирование, что приводит к образованию на выходе блока 4 усреднения величины

Величины ν₁ и ν₂ поступают на соответствующие входы блока 5 вычисления фазы (фиг. 6), где на основе блока 23 деления и арктангенсного функционального преобразователя 24 вначале вычисляется оценка

Последующие преобразования оценки

зависят от знака ν₁. При ν₁>0 открыт второй ключ 29, и оценка

через сумматор 30 непосредственно поступает на выход блока 5 вычисления фазы. При ν₁<0 открыт первый ключ 28, а второй ключ 29 закрыт.При этом в модульном блоке 25 образуется

, вычитаемый в блоке 26 из величины %, поступающей от блока 31 памяти. Полученной разности в блоке 27 присваивается знак величины ν₂.

Блок 27 присвоения знака (фиг. 7) работает следующим образом. На второй вход блока присвоения знака поступает величина ν₂, где в блоке 32 умножения производится ее умножение на постоянный множитель из блока 33 памяти с целью масштабирования и дальнейшего ограничения в ограничителе 34 по уровню ±1. Таким образом, после ограничения величина на выходе ограничителя 34 имеет смысл знака величины ν₂, который, поступая на первый вход блока 35 умножения, присваивается разности

, поступающей с выхода сумматора 26 на первый вход блока присвоения знака, т.е. на второй вход блока 35 умножения.

Рассмотренные операции позволяют в блоке 5 вычисления фазы сначала найти оценку доплеровского сдвига фазы, находящуюся в интервале [-π/2, π/2], а затем при помощи последующих логических преобразований расширить пределы ее однозначного измерения до интервала [-π, π] в соответствии с операциями

Умножитель 6 (фиг. 1) осуществляет умножение найденной оценки сдвига фазы

на весовой коэффициент а, хранящийся в первом блоке 8 памяти, что позволяет найти однозначную оценку радиальной скорости в соответствии с алгоритмом

где

- весовой коэффициент.

Однозначность измерения радиальной скорости обеспечивается выбором величины Δƒ (подробные пояснения приводятся далее).

Для уменьшения вероятности работы устройства по шумам в нем исключается выдача полученной оценки

на выход в отсутствие отраженного от цели сигнала. С выхода блока 4 усреднения (фиг. 1) величины ν₁ и ν₂ поступают на вход блока 9 вычисления модуля (фиг. 8), реализующего алгоритм

Далее величина ν поступает на первый вход порогового блока 10, в котором сравнивается с пороговым уровнем ν₀, записанным во втором блоке 11 памяти. Если происходит превышение порогового уровня ν₀, то с выхода порогового блока 10 поступает сигнал разрешения на прохождение результата вычисления с выхода умножителя 6 через ключ 7 на первый выход измерителя радиальной скорости цели. В противном случае ключ 7 разомкнут.Кроме того, сигнал с выхода порогового блока 10, являющегося вторым выходом измерителя радиальной скорости цели, может быть использован для отсчета других координат цели, например дальности.

Синхронизация измерителя радиальной скорости цели осуществляется подачей на все блоки заявляемого устройства последовательности синхронизирующих импульсов, вырабатываемых синхронизатором 12 (фиг. 1) с периодом повторения, равным интервалу временной дискретизации t_д, выбираемому из условия требуемой разрешающей способности по дальности.

Достижение технического результата объясняется следующим образом. В известном устройстве (прототипе) исходные доплеровские сдвиги фазы φ₁ и φ₂, по которым вычисляется величина Δφ=φ₁-φ₂, имеют интервал однозначного измерения [-π, π], что соответствует интервалу однозначного измерения доплеровской частоты [-1/2T₁, 1/2T₁] (по величине большего периода T₁). При периоде повторения в предложенном устройстве T=T₁ выигрыш в диапазоне однозначного измерения вытекает из сравнения доплеровских частот предложенного устройства ƒ_{д пр}=2ν_rΔƒ/c и известного (прототипа) ƒ_{д из}=2ν_rƒ₀/c. Так как в обоих случаях интервал однозначности доплеровской частоты соответствует [-1/2T, 1/2T], то интервал однозначного измерения радиальной скорости ν_r в предложенном устройстве расширяется в ƒ₀/Δƒ раз, что соответствует решению поставленной задачи полезной модели. Если в соответствии с условием ƒ_{д пр}<1/2T для максимально возможной скорости цели ν_{r max} выбрать разнос несущих частот Δƒ≤c/4ν_{r max}T, то во всем диапазоне реальных скоростей цели может быть осуществлено их однозначное измерение. При этом сохраняется однозначность измерения дальности, которая достигается соответствующим выбором периода повторения импульсов T.

Обусловленные функциональными преобразованиями погрешности раздельного вычисления величин φ₁ и φ₂ в известном устройстве (прототипе) являются статистически независимыми. В результате погрешность (дисперсия) разности φ₁-φ₂=Δφ удваивается. В предложенном устройстве при непосредственном вычислении оценки

такое удвоение отсутствует, что соответствует повышению точности измерения доплеровского сдвига фазы и, следовательно, радиальной скорости цели.

Таким образом, заявляемый измеритель радиальной скорости цели позволяет расширить диапазон однозначно измеряемых радиальных скоростей движущихся целей и повысить точность измерения скорости за счет применения предлагаемой обработки когерентно-импульсных сигналов.

Библиография

1. Ширман Я.Д. и Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь. - 1981. - С.204. - Рис. 14.2.

2. Патент №63-49193 (Япония), МПК G01S 13/52. Радиолокационное устройство для обнаружения движущейся цели / К.К. Тосиба. Опубл. 03.10.1988. - Изобретения стран мира. - 1989. - Выпуск 109. - №15. - С. 52.

3. Патент №2017167 (Россия), МПК G01S 13/58. Обнаружитель-измеритель доплеровских сигналов / Д.И. Попов, С.В. Герасимов и Е.Н. Матаев. Опубл. 30.07.1994. - Изобретения. - 1994. - №14. - С. 121.

Claims (1)

1. Измеритель радиальной скорости цели, содержащий блок задержки, блок комплексного сопряжения, блок комплексного умножения, блок усреднения, блок вычисления фазы, умножитель, ключ, первый блок памяти, блок вычисления модуля, пороговый блок, второй блок памяти и синхрогенератор, при этом выходы блока задержки соединены с входами блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами блока задержки, выходы блока усреднения соединены с входами блока вычисления фазы и входами блока вычисления модуля, выход первого блока памяти соединен с первым входом умножителя, выход которого соединен с входом ключа, выход блока вычисления модуля соединен с первым входом порогового блока, выход которого соединен с управляющим входом ключа, второй вход порогового блока соединен с выходом второго блока памяти, выход синхрогенератора соединен с синхровходами блока задержки, блока комплексного сопряжения, блока комплексного умножения, блока усреднения, блока вычисления фазы, умножителя, ключа, первого и второго блоков памяти, блока вычисления модуля и порогового блока, отличающийся тем, что введены дополнительный блок задержки, дополнительный блок комплексного сопряжения и дополнительный блок комплексного умножения, при этом входы дополнительного блока задержки соединены с выходами блока комплексного умножения, выходы дополнительного блока задержки соединены с входами дополнительного блока комплексного сопряжения, выходы которого соединены с первыми входами дополнительного блока комплексного умножения, вторые входы которого объединены с входами дополнительного блока задержки, выходы дополнительного блока комплексного умножения соединены с входами блока усреднения, выход блока вычисления фазы соединен со вторым входом умножителя, выход синхрогенератора соединен с синхровходами дополнительного блока задержки, дополнительного блока комплексного сопряжения и дополнительного блока комплексного умножения, причем входами измерителя радиальной скорости цели являются входы блока задержки, а первым и вторым выходами - соответственно выходы ключа и порогового блока.

   

Images