RU2072525C1 - Directivity pattern shaping method - Google Patents
Directivity pattern shaping method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2072525C1 RU2072525C1 RU93045966A RU93045966A RU2072525C1 RU 2072525 C1 RU2072525 C1 RU 2072525C1 RU 93045966 A RU93045966 A RU 93045966A RU 93045966 A RU93045966 A RU 93045966A RU 2072525 C1 RU2072525 C1 RU 2072525C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- antenna array
- sampling
- elements
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам формирования многолучевой диаграммы направленности приемных радиолокационных и гидролокационных антенн и, в частности, предназначено для использования в океанографических исследованиях методом многолучевого эхолотирования. The invention relates to methods for generating a multi-beam pattern of receiving radar and sonar antennas and, in particular, is intended for use in oceanographic studies by the method of multi-beam echo sounder.
При многолучевом эхолотировании необходимо обеспечить возможность приема сигналов, отраженных от дна и гидрофизических неоднородностей, с набора направлений в пространстве в пределах некоторого сектора [1] для чего диаграмма направленности при приеме должна иметь вид веера узких лучей. In multipath echo sounders, it is necessary to ensure the possibility of receiving signals reflected from the bottom and hydrophysical inhomogeneities from a set of directions in space within a certain sector [1] for which the radiation pattern at reception should have the form of a fan of narrow rays.
Известен способ формирования диаграммы направленности подобного вида [2, c. 295 296] который заключается в приеме отраженного сигнала посредством антенной решетки, временной задержке выходных сигналов элементов решетки и последующем их суммировании. Недостатком этого способа является сложность его практического воплощения, обусловленная наличием проблем технического характера, которые в основном связаны с необходимостью реализации большого числа стабильных, идентичных и перестраиваемых аналоговых линий задержки. A known method of forming a radiation pattern of this kind [2, p. 295 296] which consists in receiving the reflected signal through the antenna array, the time delay of the output signals of the array elements and their subsequent summation. The disadvantage of this method is the difficulty of its practical implementation, due to the presence of technical problems, which are mainly associated with the need to implement a large number of stable, identical and tunable analog delay lines.
Также известен способ формирования диаграммы направленности [3, c. 110] принятый в качестве прототипа, который заключается в приеме сигнала S(t) (переносчиком которого является акустическая либо электромагнитная волна) посредством плоской антенной решетки, дискретизации выходных сигналов элементов антенной решетки, двухступенчатом формировании лучей диаграммы направленности раздельно в азимутальной и угломестной плоскостях. Согласно данному способу, выходной сигнал xmn(t) произвольного элемента с номером (m, n) антенной решетки размером M * N элементов (см. фиг. 1) посредством дискретизации с частотой Fд преобразуется во временной ряд xmn(lΔ) отсчетов (где l номер отсчета), т. е. выборок xmn(t), взятых с шагом дискретизации Δ = (Fд)-1. Формирование лучей диаграммы направленности в известном способе основано на компенсации временных задержек между моментами поступления фронта принимаемой волны на элементы решетки раздельно в азимутальной и угломестной плоскостях, путем задержки выборок xmn(lΔ) на время, кратное Δ.. При этом выходной сигнал b(lΔ) любого луча из формируемого набора лучей диаграммы направленности также представляет собой временной ряд, для произвольного l-го отсчета которого имеет место соотношение
где Ym результат формирования луча в азимутальной плоскости;
αm•βn= ωmn весовая функция антенной решетки (амплитудное распределение);
τ1= dx•(C)-1sinθ;, τ2= dy•(C)-1sinΨ пространственные задержки фронта волны между элементами соответственно в угломестной и азимутальной плоскостях;
dx расстояние между элементами антенной решетки в угломестной плоскости (ZOX на фиг. 1), dy расстояние между элементами антенной решетки в азимутальной плоскости (ZOY на фиг. 1), С скорость распространения волны-переносчика сигнала S(t);
θ,Ψ- соответственно угол места и азимут для выбранного луча, т. е. углы между вертикальной осью (Z на фиг. 1) и проекциями вектора , в направлении которого формируется луч, на угломестную и азимутальную плоскости.Also known is a method of forming a radiation pattern [3, p. 110] adopted as a prototype, which consists in receiving the signal S (t) (the carrier of which is an acoustic or electromagnetic wave) through a flat antenna array, sampling the output signals of the antenna array elements, two-stage beam formation separately in the azimuthal and elevation planes. According to this method, the output signal x mn (t) of an arbitrary element with the number (m, n) of the antenna array of size M * N elements (see Fig. 1) by sampling with a frequency F d is converted into a time series x mn (lΔ) of samples (where l is the reference number), i.e., samples x mn (t) taken with a sampling step Δ = (F d ) -1 . The beam formation in the known method is based on the compensation of time delays between the moments of arrival of the front of the received wave on the grating elements separately in the azimuthal and elevation planes, by delaying the samples x mn (lΔ) by a time multiple of Δ .. The output signal b (lΔ ) of any ray from the generated set of beams of the radiation pattern is also a time series, for an arbitrary l-th reference of which the relation
where Y m is the result of beam formation in the azimuthal plane;
α m • β n = ω mn weight function of the antenna array (amplitude distribution);
τ 1 = d x • (C) -1 sinθ ;, τ 2 = d y • (C) -1 sinΨ spatial delays of the wave front between elements in the elevation and azimuthal planes, respectively;
d x the distance between the elements of the antenna array in the elevation plane (ZOX in Fig. 1), d y the distance between the elements of the antenna array in the azimuthal plane (ZOY in Fig. 1), C the propagation speed of the signal carrier wave S (t);
θ, Ψ - respectively, elevation and azimuth for the selected beam, i.e., the angles between the vertical axis (Z in Fig. 1) and the projections of the vector in the direction of which the beam is formed, on the elevation and azimuthal plane.
Недостатком рассматриваемого способа является ограниченная точность формирования диаграммы направленности. Ограничение точности связано с тем, что данный способ допускает формирование только "синхронных" лучей диаграммы направленности, т.е. таких, для которых значения τ1 и τ2 кратны шагу дискретизации Δ.. Снижение точности диаграммоформирования особенно заметно тогда, когда дискретизация производится с частотой, существенно меньшей центральной частоты S(t) (случай дискретизации комплексной огибающей или субдискретизации, [3, 4]). Однако, даже если частота дискретизации и превышает центральную частоту принимаемого сигнала (что требует неоправданных вычислительных затрат при реализации способа), снижением точности невозможно пренебречь. В частности, если частота дискретизации вчетверо больше центральной частоты, а расстояние между элементами антенной решетки равно половине длины волны, то дискретность установки лучей составляет примерно 30 град.The disadvantage of this method is the limited accuracy of beamforming. The accuracy limitation is due to the fact that this method allows the formation of only "synchronous" beams, i.e. such for which the values of τ 1 and τ 2 are multiples of the sampling step Δ .. The decrease in the accuracy of the diagram formation is especially noticeable when the sampling is performed with a frequency substantially lower than the central frequency S (t) (the case of discretization of the complex envelope or subsampling, [3, 4] ) However, even if the sampling frequency exceeds the center frequency of the received signal (which requires unjustified computational costs when implementing the method), the decrease in accuracy cannot be neglected. In particular, if the sampling frequency is four times higher than the center frequency, and the distance between the elements of the antenna array is equal to half the wavelength, then the discreteness of the installation of the rays is approximately 30 deg.
Таким образом, то обстоятельство, что известный способ не позволяет сформировать лучи диаграммы направленности в наперед заданных направлениях (если эти лучи не являются "синхронными"), делает его практически неприменимым в тех ситуациях, когда необходимо осуществлять плавное сканирование диаграммы направленности или компенсировать изменения пространственной ориентации приемной антенны. Thus, the fact that the known method does not allow the formation of radiation patterns in predetermined directions (if these rays are not “synchronous”) makes it practically not applicable in situations where it is necessary to smoothly scan the radiation pattern or compensate for changes in spatial orientation receiving antenna.
Задача изобретения состоит в разработке способа формирования диаграммы направленности, позволяющего формировать диаграмму направленности в виде веера узких лучей. The objective of the invention is to develop a method of forming a radiation pattern that allows you to create a radiation pattern in the form of a fan of narrow rays.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности диаграммоформирования при одновременном снижении вычислительных затрат. The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of diagramming while reducing computational costs.
Указанный результат достигается тем, что в способе формирования диаграммы направленности, заключающемся в приеме сигнала посредством плоской антенной решетки, дискретизации выходных сигналов элементов антенной решетки и двухступенчатом формировании лучей диаграммы направленности раздельно в азимутальной и угломестной плоскостях, задают некоторые углы Ψ и θ, соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях, одновременно с дискретизацией осуществляют формирование луча диаграммы направленности по углу Ψ и компенсацию антенной решетки по углу q, для чего при дискретизации выборки выходных сигналов соседних элементов антенной решетки получают со сдвигом во времени, величину которого выбирают исходя из значения угла Ψ для элементов, имеющих одинаковые координаты в угломестной плоскости, и исходя из значения угла q для элементов, имеющих одинаковые координаты в азимутальной плоскости, и формируют вектор Y действительных дискретных сигналов, каждую компоненту которого получают посредством весового суммирования выборок, полученных из выходных сигналов тех элементов антенной решетки, которые имеют одинаковые координаты в угломестной плоскости, затем производят формирование набора лучей в угломестной плоскости, после чего осуществляют выделение отсчетов комплексной огибающей сигналов, принятых по каждому из набора лучей. This result is achieved by the fact that in the method of forming the radiation pattern, which consists in receiving a signal through a flat antenna array, sampling the output signals of the elements of the antenna array and two-stage beam formation of the radiation pattern separately in the azimuthal and elevation planes, some angles Ψ and θ, respectively, in the azimuthal and elevation planes, simultaneously with sampling, beamforming along the angle Ψ and antenna compensation are performed of the array along the q angle, for which, when sampling the output signals of adjacent elements of the antenna array, they are obtained with a time shift, the value of which is selected based on the angle Ψ for elements having the same coordinates in the elevation plane, and based on the angle q for elements having the same coordinates in the azimuthal plane, and form a vector Y of real discrete signals, each component of which is obtained by weighting the sum of the samples obtained from the output signals of those elements comrade antenna array that have the same coordinates in the elevation plane, then produce the formation of a beam set in the elevation plane, and then carried out the allocation of samples of the complex envelope signals received on each of the beam set.
Указанный технический результат достигается кроме того тем, что формирование каждого из набора лучей в угломестной плоскости осуществляют посредством суммирования компонент вектора Y с комплексными весовыми коэффициентами. The specified technical result is achieved in addition to the fact that the formation of each of the set of rays in the elevation plane is carried out by summing the components of the vector Y with complex weighting factors.
Сущность изобретения заключается, во-первых, в исключении влияния частоты дискретизации на диаграммоформирование в азимутальной плоскости и точность компенсации антенной решетки в угломестной плоскости, а во-вторых, в использовании действительных отсчетов для формирования набора лучей в угломестной плоскости. The essence of the invention consists, firstly, in eliminating the influence of the sampling frequency on the beamforming in the azimuthal plane and the accuracy of compensation of the antenna array in the elevation plane, and secondly, in the use of real samples to form a set of rays in the elevation plane.
При этом задание углов J в азимутальной плоскости и q в угломестной плоскости необходимо для обеспечения правильной пространственной ориентации формируемой диаграммы направленности. В частности, при использовании предлагаемого способа для формирования диаграммы направленности океанографического комплекса в качестве углов J и θ могут выступать соответственно углы килевой и бортовой качки судна-носителя. Moreover, setting angles J in the azimuthal plane and q in the elevation plane is necessary to ensure the correct spatial orientation of the radiation pattern being formed. In particular, when using the proposed method for forming the radiation pattern of the oceanographic complex, the angles J and θ can be respectively the angles of the keel and side rolling of the carrier vessel.
Осуществление одновременно с дискретизацией формирования луча диаграммы направленности по углу J и компенсации антенной решетки по углу q необходимо для исключения влияния частоты дискретизации на точность диаграммоформирования в азимутальной плоскости и точность компенсации антенной решетки в угломестной плоскости (что, в частности, позволяет без потерь точности производить дискретизацию с низкой частотой). Simultaneously with the sampling of beamforming along the angle J and compensation of the antenna array at the angle q, it is necessary to exclude the influence of the sampling frequency on the accuracy of the beamforming in the azimuthal plane and the accuracy of the compensation of the antenna array in the elevation plane (which, in particular, allows sampling without loss of accuracy with a low frequency).
Выполнение указанной операции может быть основано на получении выборок из выходных сигналов соседних элементов антенной решетки со сдвигом во времени, определяемым углами J и θ для элементов, которые имеют одинаковые координаты, соответственно в угломестной и азимутальной плоскостях, и последующем формировании вектора Y действительных дискретных сигналов, каждая компонента которого есть результат весового суммирования выборок, полученных из выходных сигналов тех элементов антенной решетки, координаты которых в угломестной плоскости одинаковы. The execution of this operation can be based on obtaining samples from the output signals of adjacent elements of the antenna array with a time shift determined by the angles J and θ for elements that have the same coordinates, respectively, in the elevation and azimuthal planes, and the subsequent formation of the vector Y of real discrete signals, each component of which is the result of weighted summation of the samples obtained from the output signals of those elements of the antenna array whose coordinates are in the elevation plane are the same.
Пусть посредством плоской антенной решетки размером М*N элементов (см. фиг. 1) принимается плоская волна, приходящая с направления , которому соответствуют углы Ψ в азимутальной плоскости ZOY и q в угломестной плоскости ZOX. Если в некоторый момент времени t0 0 фронт волны достигает "углового" элемента решетки, имеющего номер (mc, nc), тогда при любых элемента с произвольным номером (m, n) указанный фронт достигнет в момент времени
где τ1= dx•(C)-1sinθ;τ2= dy•(C)-1sinΨ подлежащие компенсации задержки распространения фронта волны соответственно в угломестной и азимутальной плоскостях;
dx, dy расстояние между элементами решетки соответственно в угломестной и азимутальной плоскостях;
С скорость распространения волны;
При этом задержка распространения фронта волны равна τ2 для любых соседних элементов с номерами (m, n) и (m, n + 1) и τ1 для любых соседних элементов с номерами (m, n) и (m + 1, n). Другими словами, указанная задержка определяется значением угла ψ для любых соседних элементов, имеющих одинаковые координаты в угломестной плоскости, и значением угла q для любых соседних элементов с одинаковыми координатами в азимутальной плоскости.Let a plane wave coming from the direction be received by means of a flat antenna array with the size of M * N elements (see Fig. 1) corresponding to angles Ψ in the azimuthal plane ZOY and q in the elevation plane ZOX. If at some point in time t 0 0 the wave front reaches the "angular" lattice element having the number (m c , n c ), then for any element with an arbitrary number (m, n), the specified edge will reach at time
where τ 1 = d x • (C) -1 sinθ; τ 2 = d y • (C) -1 sinΨ subject to compensation of the propagation delay of the wave front, respectively, in the elevation and azimuthal planes;
d x , d y the distance between the elements of the lattice, respectively, in elevation and azimuthal planes;
With the speed of wave propagation;
Moreover, the propagation delay of the wave front is τ 2 for any neighboring elements with numbers (m, n) and (m, n + 1) and τ 1 for any neighboring elements with numbers (m, n) and (m + 1, n) . In other words, this delay is determined by the value of the angle ψ for any neighboring elements having the same coordinates in the elevation plane, and the value of the angle q for any neighboring elements with the same coordinates in the azimuthal plane.
Согласно (1. а) при двухступенчатом формировании лучей диаграммы направленности результат формирования луча в азимутальной плоскости Ym представляет собой выходной сигнал m-й линейной подрешетки, состоящей из элементов с номерами от (m, 0) до (m, N-1), т.е. имеющих одинаковые координаты в угломестной плоскости. При этом для произвольного l-го отсчета указанного сигнала (с учетом компенсации антенной решетки в угломестной плоскости на угол q) справедливо
Представим последнее выражение в эквивалентном виде
где xmn(t) выходной сигнал элемента антенной решетки, имеющего номер
βn коэффициент амплитудного распределения в азимутальной плоскости, т.е. весовой коэффициент для хmn(t);
Ym выходной сигнал m-й (при θ>0) или (М-1-m)-й (при θ<0) линейной подрешетки;
δ(t) дельта-функция (функция Дирака).According to (1.a) in two-stage beamforming, the result of beam formation in the azimuthal plane Y m is the output signal of the m-th linear sublattice, consisting of elements with numbers from (m, 0) to (m, N-1), those. having the same coordinates in the elevation plane. Moreover, for an arbitrary lth sample of the indicated signal (taking into account the compensation of the antenna array in the elevation plane by the angle q),
We represent the last expression in equivalent form
where x mn (t) is the output signal of the antenna array element having the number
β n the amplitude distribution coefficient in the azimuthal plane, i.e. weight coefficient for x mn (t);
Y m the output signal of the mth (for θ> 0) or (M-1-m) th (for θ <0) linear sublattices;
δ (t) delta function (Dirac function).
Как следует из (2), если просуммировать взвешенные выборки, которые получены из выходных сигналов произвольной линейной подрешетки со сдвигом во времени (так, что момент выборки сигнала произвольного элемента совпадает с моментом достижения его фронтом принимаемой волны), то результат суммирования в момент tm, отстоящий от момента t0 взятия выборки из сигнала "углового" элемента на интервал времени m•τ1+(N-1)•τ2, представляет собой отсчет выходного сигнала Ym данной подрешетки, который принят по лучу, сформированному в азимутальной плоскости, с направления, заданного углом θ в угломестной плоскости. При этом величина сдвига между моментами выборки для соседних элементов любой подрешетки равна t2 (выбирается исходя из значения угла Ψ). Для элементов, у которых азимутальные координаты одинаковы, а угломестные различаются на dx, т.е. расположенных в соседних подрешетках, составляет t1 (т.е. выбирается исходя из значения угла θ).As follows from (2), if we summarize the weighted samples obtained from the output signals of an arbitrary linear sublattice with a time shift (so that the sampling time of the signal of an arbitrary element coincides with the moment it reaches the received wavefront), then the summation result at time t m , which is distant from the time t 0 of taking a sample from the signal of the "angular" element for the time interval m • τ 1 + (N-1) • τ 2 , is a reference of the output signal Y m of this sublattice, which is received from the beam formed in the azimuthal plane ty, from the direction given by the angle θ in the elevation plane. In this case, the shift between the sampling times for adjacent elements of any sublattice is equal to t 2 (selected based on the value of the angle Ψ). For elements in which the azimuthal coordinates are the same and the elevation coordinates differ by d x , i.e. located in neighboring sublattices, is t 1 (i.e., it is selected based on the value of the angle θ).
Таким образом, каждый отсчет выходного сигнала Ym соответствующей (m-й или (М-1-m)-й) линейной подрешетки, расположенной в азимутальной плоскости, есть сумма взвешенных выборок из волнового фронта сигнала, принимаемого ею с направления в момент времени tm. Поэтому и сам отсчет Ym, как сумма выборок из синфазных сигналов, также представляет собой выборку из волнового фронта.Thus, each sample of the output signal Y m of the corresponding (m-th or (M-1-m) -th) linear sublattice located in the azimuthal plane is the sum of weighted samples from the wavefront of the signal received by it from the direction at time t m . Therefore, the sample Y m itself , as the sum of samples from in-phase signals, also represents a sample from the wavefront.
Следовательно, совокупность отсчетов Ym(lΔ),m=0,,,M-1 в момент времени tv= t0+(M-1)•τ1+(N-1)•τ2 можно рассматривать как вектор Y(lΔ) l-х отсчетов выходных сигналов элементов эквивалентной линейной подрешетки, которая расположена в угломестной плоскости и компенсирована по углу θ.. Такая подрешетка состоит из элементов, которые обладают направленностью в азимутальной плоскости и ненаправлены в угломестной, при этом формирование вектора Y сводится к запоминанию (задержке) отсчетов каждого из дискретных сигналов Ym на интервал времени (M-1-m)•τ1..Therefore, the set of samples Y m (lΔ), m = 0 ,,, M-1 at time t v = t 0 + (M-1) • τ 1 + (N-1) • τ 2 can be considered as a vector Y (lΔ) of l samples of the output signals of the elements of the equivalent linear sublattice, which is located in the elevation plane and compensated by the angle θ .. Such a sublattice consists of elements that are directive in the azimuthal plane and not directional in the elevation plane, while the formation of the vector Y reduces to storing (delaying) the samples of each of the discrete signals Y m for the time interval (M-1-m) • τ 1 ..
Как следует из изложенного, при описанном совмещении дискретизации с формированием луча диаграммы направленности антенной решетки по углу Ψ и ее компенсацией по углу q, как точность формирования луча в азимутальной плоскости, так и точность компенсации решетки в угломестной плоскости не зависят от величины шага дискретизации, но определяются только точностью задания сдвигов τ1,τ2 между моментами взятия выборок из выходных сигналов элементов антенной решетки.As follows from the foregoing, with the described combination of discretization with the formation of the beam pattern of the antenna array along the angle Ψ and its compensation along the angle q, both the accuracy of beam formation in the azimuthal plane and the accuracy of the compensation of the array in the elevation plane do not depend on the sampling step, but they are determined only by the accuracy of setting the shifts τ 1 , τ 2 between the moments of sampling from the output signals of the elements of the antenna array.
Единственное требование, которое должно при этом выполняться, состоит в сохранении естественного порядка следования отсчетов вектора Y с шагом дискретизации Δ. Наиболее простой из возможных путей удовлетворения этого требования состоит в наложении следующего ограничения на максимальные значения Jmax,θmax углов Ψ и θ:
которое означает, что время распространения фронта волны, приходящей с направления, соответствующего этим углам, вдоль антенной решетки, не должно превышать шага дискретизации. Однако наличие данного ограничения в случае дискретизации принимаемого сигнала с низкой частотой (т.е. дискретизации комплексной огибающей) не приводит к существенному ограничению диапазона углов, в пределах которого возможно формирование диаграммы направленности. Например для квадратной периодической решетки, у которой N M, dx dy d и d равно половине длины волны λ, из (3) следует
где FO, Fд соответственно центральная частота принимаемого сигнала S(t) и частота дискретизации;
δθ ширина луча диаграммы направленности, расположенного по нормали к раскрыву антенны, определенная в радианах, в соответствии с [5] как отношение l к апертуре антенны (М-1)•d.The only requirement that must be met in this case is to preserve the natural sequence of samples of the vector Y with a sampling step Δ. The simplest possible way to satisfy this requirement is to impose the following restriction on the maximum values J max , θ max of the angles Ψ and θ:
which means that the propagation time of the wave front coming from the direction corresponding to these angles along the antenna array should not exceed the sampling step. However, the presence of this limitation in the case of sampling the received signal with a low frequency (i.e., sampling the complex envelope) does not lead to a significant limitation of the range of angles within which beamforming is possible. For example, for a square periodic lattice in which NM, d x d y d and d is equal to half the wavelength λ, it follows from (3)
where F O , F d respectively the Central frequency of the received signal S (t) and the sampling frequency;
δθ the beam width of the radiation pattern normal to the aperture of the antenna, defined in radians, in accordance with [5] as the ratio of l to the aperture of the antenna (M-1) • d.
В частности, если δθ = 0,1 рад.(≃5°), а центральная частота превышает частоту дискретизации в 10 раз, то формирование диаграммы направленности возможно в диапазоне углов .In particular, if δθ = 0.1 rad. (≃5 ° ), and the center frequency exceeds the sampling frequency by 10 times, then the radiation pattern can be formed in the range of angles .
Осуществление операции формирования набора лучей в угломестной плоскости необходимо для окончательного формирования диаграммы направленности приемной антенной решетки в виде веера узких лучей. The implementation of the operation of forming a set of rays in the elevation plane is necessary for the final formation of the radiation pattern of the receiving antenna array in the form of a fan of narrow rays.
Осуществление указанной операции непосредственно за операцией дискретизации необходимо, чтобы независимо от того, производится ли дискретизация выходных сигналов элементов антенной решетки с высокой частотой или производится дискретизация их комплексных огибающих (субдискретизация), использовать для формирования набора лучей отсчеты действительных дискретных сигналов. The implementation of this operation directly after the discretization operation is necessary so that regardless of whether the output signals of the antenna array elements are sampled at a high frequency or their complex envelopes are discretized (sub-sampling), the samples of the actual discrete signals should be used to form a set of rays.
Выполнение данной операции может быть основано на формировании каждого из набора лучей в угломестной плоскости посредством суммирования компонент вектора действительных отсчетов Y, полученного в результате дискретизации, с комплексными весовыми коэффициентами. Указанный вектор, как уже отмечалось, по существу является вектором отсчетов выходных сигналов эквивалентной линейной подрешетки, расположенной в угломестной плоскости. Поэтому операция формирования набора лучей плоской антенной решетки в угломестной плоскости полностью эквивалентна формированию набора лучей посредством эквивалентной линейной подрешетки. This operation can be based on the formation of each of the set of rays in the elevation plane by summing the components of the vector of real samples Y obtained as a result of discretization with complex weighting factors. The specified vector, as already noted, is essentially a sample vector of the output signals of the equivalent linear sublattice located in the elevation plane. Therefore, the operation of forming a set of beams of a flat antenna array in the elevation plane is completely equivalent to forming a set of beams by means of an equivalent linear sublattice.
Распространенным способом формирования луча диаграммы направленности линейной решетки при приеме узкополосных сигналов является фазовый [6] Он заключается в компенсации разностей фаз выходных сигналов ее элементов, возникающих из-за задержки моментов поступления фронта принимаемой волны на эти элементы (предполагается, что в силу узкополосности сигналов указанная задержка пренебрежимо мало сказывается на изменении их комплексных огибающих). При этом формирование каждого из лучей сводится к суммированию отсчетов комплексной огибающей выходных сигналов всех элементов с комплексными весовыми коэффициентами и результатом диаграммоформирования (выходным сигналом луча) является дискретный сигнал в виде последовательности комплексных отсчетов
где αm амплитудный весовой коэффициент (амплитудное распределение в угломестной плоскости);
φk= 2πd(λ)-1•sinθk фазовый множитель для k-го луча диаграммы направленности, d расстояние между элементами, λ длина волны, qk- угол, соответствующий направлению, в котором формируется k-й луч диаграммы направленности, М число элементов;
l-й отсчет комплексной огибающей выходного сигнала m-го элемента (l любое целое в пределах от -∞ до +∞).A common way of forming a beam of a linear array radiation pattern when receiving narrowband signals is phase [6]. It consists in compensating for the phase differences of the output signals of its elements arising from the delay in the arrival of the front of the received wave to these elements (it is assumed that due to the narrow-band signals the delay negligibly affects the change in their complex envelopes). In this case, the formation of each of the rays is reduced to summing the samples of the complex envelope of the output signals of all elements with complex weighting coefficients, and the result of the chart formation (output signal of the beam) is a discrete signal in the form of a sequence of complex samples
where α m is the amplitude weight coefficient (amplitude distribution in the elevation plane);
φ k = 2πd (λ) -1 • sinθ k phase factor for the kth beam of the radiation pattern, d distance between the elements, λ wavelength, q k - angle corresponding to the direction in which the kth beam of the radiation pattern is formed, M number of elements;
lth sample of the complex envelope of the output signal of the mth element (l any integer ranging from -∞ to + ∞).
Пусть на плоскую антенную решетку (см. фиг. 1) с произвольного направления , которому соответствуют углы Ψk и θk в азимутальной и угломестной плоскостях, поступает плоская волна -переносчик узкополосного сигнала или
где комплексная огибающая S(t), * знак комплексного сопряжения, ωo круговая частота, соответствующая центральной частоте FoS(t).Let on a flat antenna array (see Fig. 1) from an arbitrary direction corresponding to the angles Ψ k and θ k in the azimuthal and elevation planes, a plane wave arrives - a transmitter of a narrow-band signal or
Where complex envelope S (t), * sign of complex conjugation, ω o circular frequency corresponding to the center frequency F o S (t).
Тогда в силу (2) произвольная компонента Ym вектора Y представляет собой последовательность выборок из узкополосного сигнала Ym(t). Этот сигнал с учетом проводимых при дискретизации формирования луча в азимутальной плоскости в направлении угла Ψ и компенсации антенной решетки в угломестной плоскости в направлении угла q, согласно (2) может быть представлен следующим образом:
где .Then, by virtue of (2), an arbitrary component Y m of the vector Y is a sequence of samples from the narrow-band signal Y m (t). This signal, taking into account the beam formation during sampling, in the azimuthal plane in the direction of the angle Ψ and compensation of the antenna array in the elevation plane in the direction of the angle q, according to (2) can be represented as follows:
Where .
Вследствие узкополосности S(t) (когда функции α(t) и ξ(t) являются медленно изменяющимися и согласно фазовому способу диаграммоформирования для любых m, n из интервалов 0≅m≅M-1, 0≅n≅N-1 можно принять:
α(t+nνk+mεk) ≃ α(t); ξ(t+nνk+mεk) ≃ ξ(t) для ym(t) справедливо:
где комплексная огибающая рассматриваемого сигнала; φk= ωo•εk пространственный сдвиг фаз в угломестной плоскости; комплексная константа (для фиксированного Ψk), модуль которой , согласно [3] есть диаграмма направленности линейной подрешетки, расположенной в азимутальной плоскости, луч которой сформирован в направлении угла Ψ..Due to the narrowband S (t) (when the functions α (t) and ξ (t) are slowly changing, and according to the phase method of diagram formation for any m, n from the intervals 0≅m≅M-1, 0≅n≅N-1, we can take :
α (t + nν k + mε k ) ≃ α (t); ξ (t + nν k + mε k ) ≃ ξ (t) for y m (t) holds:
Where complex envelope of the considered signal; φ k = ω o • ε k spatial phase shift in the elevation plane; complex constant (for fixed Ψ k ) whose module , according to [3], there is a directivity pattern of a linear sublattice located in the azimuthal plane, the beam of which is formed in the direction of the angle Ψ ..
Следовательно, дискретный сигнал Ym(lΔ) имеет вид:
где l произвольное целое, Ω0= ω0•Δ дискретная угловая частота, а является выборкой из комплексной огибающей и, в случае θk= θ(φk= 0); Ψk= Ψ, с точностью до амплитуды совпадает с выборкой из комплексной огибающей S(t).Therefore, the discrete signal Y m (lΔ) has the form:
where l is an arbitrary integer, Ω 0 = ω 0 • Δ is the discrete angular frequency, and is a sample of the complex envelope and, in the case θ k = θ (φ k = 0); Ψ k = Ψ, up to amplitude, coincides with a sample from the complex envelope S (t).
При этом результат суммирования всех М компонент вектора Y с комплексными весовыми коэффициентами ωm,k= αm•exp(-jmφk) выражается следующим образом:
где
и представляет собой сумму двух дискретных аналитических сигналов. Огибающая первого из них (дискретный спектр которого сосредоточен в окрестности "поднесущей" Ω0), согласно (4), есть выходной сигнал k-го луча, формируемого в угломестной плоскости фазовым способом. При этом представляет собой последовательность отсчетов комплексной огибающей сигнала, принимаемого по этому лучу.In this case, the result summation of all M components of the vector Y with complex weighting coefficients ω m, k = α m • exp (-jmφ k ) is expressed as follows:
Where
and is the sum of two discrete analytical signals. Envelope the first of them (the discrete spectrum of which is concentrated in the vicinity of the "subcarrier" Ω 0 ), according to (4), is the output signal of the k-th beam formed in the elevation plane by the phase method. Wherein is a sequence of samples of the complex envelope of the signal received on this beam.
Следовательно, суммирование компонент вектора Y с комплексными весовыми коэффициентами действительно обеспечивает формирование набора лучей в угломестной плоскости. Заметим, что при этом производится умножение действительных, а не комплексных, как это требуется согласно (4), отсчетов на комплексные весовые коэффициенты, т. е. для формирования лучей необходимо вдвое меньшее число операций умножения. Следует также отметить, что поскольку при дискретизации осуществляется компенсация антенной решетки в угломестной плоскости, для формирования луча в направлении заданного угла θ не требуются другие вычислительные операции кроме весового суммирования действительных отсчетов (при этом веса действительны и постоянны). Это также способствует некоторому снижению объема вычислений при диаграммоформировании и, в частности, позволяет организовать режим быстрого сканирования "центральным" из набора (веера) лучей, положение которого определяется заданными углами J и θ.. Кроме того, в режиме сканирования всем веером в угломестной плоскости предварительная (выполняемая при дискретизации) полная компенсация антенной решетки по "центральному" лучу приводит к ее частичной компенсации и по другим лучам. При фазовом диаграммоформировании в угломестной плоскости это позволяет уменьшить искажения принимаемых сигналов, обусловленные свойственным этому способу [6] эффекту фильтрации комплексной огибающей, так как величина задержки между моментами поступления фронта волны на различные элементы антенной решетки, влиянием которой на комплексные огибающие при данном способе пренебрегают, частично компенсируется при дискретизации. Therefore, the summation of the components of the vector Y with complex weights really provides the formation of a set of rays in the elevation plane. Note that in this case the multiplication of real, rather than complex, as required by (4), samples by complex weighting coefficients is performed, i.e., half the number of multiplication operations is necessary to form the rays. It should also be noted that since the antenna array is compensated during sampling in the elevation plane, no other computational operations are required to form a beam in the direction of the given angle θ except for the weight summation of the actual samples (the weights are real and constant). It also contributes to a certain reduction in the amount of computation during diagram formation and, in particular, allows you to organize a fast scan mode "central" from a set (fan) of rays, the position of which is determined by the given angles J and θ .. In addition, in the scan mode with the whole fan in the elevation plane preliminary (performed at sampling) full compensation of the antenna array by the "central" beam leads to its partial compensation and other rays. With phase diagram formation in the elevation plane, this allows one to reduce the distortion of the received signals due to the complex envelope filtering effect inherent in this method [6], since the delay between the moments of arrival of the wave front on various elements of the antenna array, the effect of which on the complex envelopes is neglected in this method, partially offset by sampling.
Выделение отсчетов комплексной огибающей сигналов, принятых по каждому из набора лучей, необходимо, во-первых, для извлечения из этих сигналов только полезной (необходимой и достаточной для восстановления) информации, которая заключена в их амплитудной и фазовой модуляции; а во-вторых, для подавления мешающих составляющих, которые могут появиться в результате диаграммоформирования (например, компонента ).The selection of samples of the complex envelope of the signals received for each of the set of rays is necessary, firstly, to extract from these signals only useful (necessary and sufficient for reconstruction) information, which is contained in their amplitude and phase modulation; and secondly, to suppress interfering components that may appear as a result of diagram formation (for example, a component )
Данная операция может быть, в частности, выполнена посредством синхронного детектирования. Так, если полученный в результате диаграммоформирования сигнал описывается выражением (6), детектирование сводится [4] к его умножению на комплексную опорную последовательность , в результате чего формируется сигнал
и последующей низкочастотной фильтрации в двух квадратурах, при которой подавляется высокочастотная компонента . Заметим, что когда выполняется условие q- любое положительное целое, каждая квадратурная компонента представляет собой последовательность единичных и нулевых отсчетов, поэтому умножение на практически не требует вычислительных затрат [4]
Следует также подчеркнуть, что по предлагаемому способу необходимо выделять отсчеты комплексной огибающей К сигналов (где К число лучей в наборе). В секторе -90°≅θ≅90° можно сформировать (см. [3]), максимум M + 1 луч (при этом лучи пересекаются на уровне -3дБ). Однако на практике, как правило, сектор обзора в угломестной плоскости меньше 180o, уровень перекрытия лучей меньше -3дБ и К < M. При этом предлагаемый способ требует меньших вычислительных затрат на выделение отсчетов комплексной огибающей, чем те (например [6]), в которых эти отсчеты используются при диаграммоформировании и, следовательно, выделяются по крайней мере из М (или даже M•N) сигналов.This operation can be, in particular, performed by synchronous detection. So, if the signal obtained as a result of diagram-forming is described by expression (6), the detection is reduced [4] to its multiplication by a complex reference sequence , resulting in a signal
and subsequent low-pass filtering in two quadratures, in which the high-frequency component is suppressed . Note that when the condition is satisfied q- any positive integer, each quadrature component is a sequence of unit and zero samples, therefore, multiplying by practically does not require computational costs [4]
It should also be emphasized that according to the proposed method, it is necessary to select the samples of the complex envelope of K signals (where K is the number of rays in the set). In the sector of -90 ° ≅θ≅90 ° it is possible to form (see [3]), the maximum is M + 1 beam (in this case, the rays intersect at the level of -3dB). However, in practice, as a rule, the viewing sector in the elevation plane is less than 180 o , the level of overlap of the rays is less than -3dB and K <M. Moreover, the proposed method requires less computational cost for extracting the complex envelope samples than those (for example [6]), in which these samples are used in the formation of diagrams and, therefore, stand out from at least M (or even M • N) signals.
Необходимо также отметить, что в любом локаторе в каждом канале приема (луче), как правило, осуществляется согласованная фильтрация комплексной огибающей [3] т. е. низкочастотная фильтрация. При этом равенство числа выделителей отсчетов комплексной огибающей и числа лучей позволяет совместить фильтрацию при выделении указанных отсчетов с согласованной, что также снижает общие вычислительные затраты при реализации предлагаемого способа. It should also be noted that in any locator in each receive channel (beam), as a rule, a coordinated filtering of the complex envelope is carried out [3], ie, low-pass filtering. Moreover, the equality of the number of separators of the samples of the complex envelope and the number of rays allows you to combine filtering when selecting these samples with a consistent one, which also reduces the overall computational cost when implementing the proposed method.
Совокупность вышеперечисленных отличий достаточна для достижения поставленной цели изобретения. The combination of the above differences is sufficient to achieve the objectives of the invention.
Заявителю неизвестны описанные ранее способы формирования диаграммы направленности с вышеперечисленной совокупностью признаков. The applicant is not aware of the previously described methods for forming a radiation pattern with the above set of features.
На фиг. 2 представлена общая структурная схема устройства, осуществляющего способ формирования диаграммы направленности, вариант выполнения; на фиг. 3 6 структурные схемы отдельных блоков, входящих в общую структурную схему фиг. 2 (при этом шины передачи аналоговых сигналов показаны тонкими линиями, цифровых утолщенными, комплексных двойными); на фиг. 7 9 временные диаграммы; на фиг. 10 спектральные характеристики сигналов в некоторых точках устройства, реализующего предложенный способ. In FIG. 2 shows a general block diagram of a device that implements a beamforming method, an embodiment; in FIG. 3 6 are structural diagrams of individual blocks included in the general structural diagram of FIG. 2 (in this case, the analog signal transmission buses are shown by thin lines, digital thickened, complex double); in FIG. 7 9 timing charts; in FIG. 10 spectral characteristics of the signals at some points of the device that implements the proposed method.
Устройство по фиг. 2 содержит плоскую эквидистантную антенную решетку 1, состоящую из M•N элементов 2 (на раскрыве решетки в азимутальной плоскости располагаются N элементов, в угломестной М), М блоков дискретизации (БД) 3, распределитель импульсов 4, К (по числу К одновременно формируемых лучей) блоков формирования луча (БФЛ) 5, К блоков выделения отсчетов комплексной огибающей (БВКО) 6 и блок управления (БУ) 7. The device of FIG. 2 contains a flat
При этом выходы любых m-х (m 1.M) N элементов, имеющих одинаковые координаты в угломестной плоскости, подключены к информационным входам соответственно с первого по N-й m-го БД 3, так что выход произвольного элемента решетки, имеющего номер (m, n), подключен к (n n + 1)-му информационному входу (m m + 1)-го БД (на фиг. 2 показано подключение первых и М-х N элементов, причем нумерация элементов соответствует фиг. 1 и выражениям (1) (6)). Первые входы управления всех БД 3 совмещены и подключены к первому выходу блока управления 7, вторые входы управления всех БД 3 совмещены и подключены к второму выходу БУ 7, третьи входы управления всех БД 3 совмещены и подключены к третьему выходу БУ 7, четвертые входы управления всех БД 3 также смещены и подключены к шестому выходу БУ 7, который, кроме того, соединен с входом запуска распределителя импульсов 4 и совмещенными входами управления всех БВКО 6. Блоки дискретизации 3 своими пятыми входами управления подключены к выходам распределителя импульсов 4, соответственно первый к М-му, второй к (М 1)-му. m-й к (M + 1 - m)-му. М-й к первому. (M + 1)-й выход распределителя импульсов 4 соединен с его входом сброса, а его тактовый вход и вход режима подключен соответственно к четвертому и пятому выходам БУ 7. Выход произвольного m-го БД 3 соединен с совмещенными m-ми информационными входами всех БФЛ 5, входы управления которых совмещены с вторым входом БУ 7. Выход произвольного k-го (k 1.K) БФЛ 5 подключен к информационному входу соответствующего k-го БВКО 6, выход которого является k-м выходом устройства. При этом входами устройства по фиг. 2 являются первый и второй входы блока управления 7 соответственно входы задания углов Ψ в азимутальной и q в угломестной плоскостях. In this case, the outputs of any m-x (m 1.M) N elements having the same coordinates in the elevation plane are connected to information inputs, respectively, from the first to the N-th m-
На фиг. 3 представлена структурная схема БД (блока дискретизации) 3. Блок по фиг. 3 содержит N (по числу элементов 2, расположенных на раскрыве решетки 1 в азимутальной плоскости) устройств выборки-хранения (УВХ) 8, аналоговый N-входовый сумматор 9, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, буферный регистр 11, делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 12 и распределитель импульсов 13. При этом УВХ 8, с первого по N-е, подключены своими входами к информационным входам БД 3 соответственно с первого по N-й; своими выходами к входам сумматора 9 соответственно с первого по N-й. Своими входами управления УВХ 8 подключены к выходам распределителя импульсов 13 соответственно: первое к N-му, второе к (N 1)-му. n-е к (N + 1 n)-му. N-е к первому выходу. Выход сумматора 9 соединен с входом АЦП 10, вход запуска которого подключен к (N + 1)-му выходу распределителя импульсов 13. Выходы данных и готовности АЦП 10 соединены соответственно с входом данных буферного регистра 11 и входом сброса распределителя импульсов 13. Вход записи буферного регистра 11 совмещен с четвертым входом управления БД 3, а выход его является выходом БД 3. При этом первый и второй входы управления БД 3 совмещены соответственно с входом установки коэффициента и тактовым входом ДПКД 12, выход которого подключен к тактовому входу распределителя импульсов 13. Третий и пятый входы управления БД 3 совмещены соответственно с входом режима распределителя импульсов 13 и соединенными входом синхронизации ДПКД 12 и входом запуска распределителя импульсов 13. In FIG. 3 is a structural diagram of a database (sampling unit) 3. The block of FIG. 3 contains N (by the number of
В качестве устройств выборки-хранения 8 могут быть использованы серийные микросхемы КР1102СК2, описанные в [7, c.445 447]
Аналоговый N-входовый сумматор 9 может быть реализован на основе операционного усилителя в соответствие с [8, c. 75 77]
Аналого-цифровой преобразователь 10 известен по [9, c. 194 229]
Буферный регистр 11 может быть выполнен на стандартных микросхемах, описанных в [10, c. 105 133]
Принципы построения делителей частоты с произвольным коэффициентом деления описаны в [11, c. 576 577] кроме ДПКД 12 можно реализовать с использованием стандартных микросхем, известных по [12, c. 272 273]
Распределитель импульсов 13 (как и распределитель импульсов 4, представленный на фиг. 2) известен по [13, c. 268] и может быть, в частности, реализован на основе реверсивных регистров сдвига, которые описаны в [10, c. 105 133]
На фиг. 4 представлена структурная схема БФЛ (блока формирования луча) 5. Блок по фиг. 4 содержит М устройств комплексного взвешивания (УКВ) 14 (каждое из которых включает функциональный преобразователь 15, умножители 16 и 17) и М-входовые сумматоры 18 и 19. Причем первые входы УКВ 14 (с первого по М-е) являются информационными входами БФЛ 5 соответственно с первого по М-й. Вторые входы всех УКВ 14 совмещены с входом управления БФЛ. А первый и второй выходы произвольного m-го (m 1.M) УКВ 14 соединены с m-ми входами соответственно сумматоров 18 и 19, выходы которых образуют выход БФЛ 5 (т.е. выход для комплексного отсчета). При этом первый вход УКВ 14 подключен к совмещенным первым входам умножителей 16 и 17, второй вход УКВ 14 совмещен с входом функционального преобразователя 15, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам умножителей 16, 17 соответственно, а выходы этих умножителей являются соответственно первым и вторым выходами УКВ 14.As sampling-
Analog N-
An analog-to-
The
The principles of constructing frequency dividers with an arbitrary division coefficient are described in [11, p. 576 577] in addition to DPKD 12 can be implemented using standard microcircuits known in [12, p. 272,273]
The pulse distributor 13 (as well as the
In FIG. 4 is a block diagram of a BFL (beam forming unit) 5. The block of FIG. 4 contains M integrated weighing devices (VHF) 14 (each of which includes a
Функциональные преобразователи 15 могут быть реализованы в соответствии с [14, c. 476 477] на основе постоянных запоминающих устройств с объединенными адресными входами.
Умножители 16, 17 и сумматоры 18, 19 могут быть выполнены с использованием стандартных микросхем, описанных соответственно в [12, c. 335 - 344] и [12, c. 344 346]
На фиг. 5 представлена структурная схема БВКО (блока выделения отсчетов комплексной огибающей) 6. Блок по фиг. 5 содержит цифровой коммутатор отсчетов 20, инверторы знака отсчетов 21 и 22, цифровые фильтры нижних частот 23, 24 и делители частоты на 2, 25, 26 и 27. При этом первый и второй входы цифрового коммутатора 20 образуют информационный вход БВКО 6 (т.е. вход для комплексного отсчета), первый и второй выходы цифрового коммутатора 20 подключены к первым входам инверторов знака отсчетов 21 и 22 соответственно, выходы которых соединены с входами цифровых фильтров соответственно 23, 24. Вторые входы инверторов знака 21 и 22 соединены с выходами делителей частоты на 2 соответственно 26 и 27, входы которых совмещены с входом управления цифрового коммутатора 20 и выходом делителя частоты на 2, 25. Его вход является входом управления БВКО 6, выход которого, т.е. выход комплексного отсчета, образуют выходы цифровых фильтров нижних частот 23, 24.
In FIG. 5 is a structural diagram of a BVCO (block for allocating samples of the complex envelope) 6. The block of FIG. 5 contains a digital switch of
Цифровой коммутатор 20 в соответствии с [11, c. 529 530] может быть реализован в виде 2•Q (где Q число разрядов коммутируемых отсчетов) стандартных мультиплексоров 2 х 1 с объединенными адресными входами, которые описаны в [10, c. 150 153]
Каждый из инверторов знака отсчетов 21, 22 может быть выполнен в виде инвертора знакового разряда соответствующего отсчета и реализован на логической схеме Исключающее ИЛИ, которая описана в [10, c. 56]
Цифровые фильтры нижних частот 23, 24 известны по [15] и могут быть реализованы в соответствии с [14, c. 479 481]
Делители частоты на 2, 25, 26 и 27 могут быть выполнены на основе D-триггера в соответствии с [11, c. 546]
На фиг. 6 представлена структурная схема БУ (блока управления) 7. Блок по фиг. 6 содержит функциональные преобразователи 28 и 31, компараторы кодов 29 и 32, генератор импульсов 30, делитель частоты 33 и делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 34. При этом первый вход БУ 7 подключен к совмещенным входам функционального преобразователя 28 и компаратора кодов 29, второй вход БУ 7 подключен к совмещенным входам компаратора кодов 32 и функционального преобразователя 31, выход которого соединен с входом установки коэффициента ДПКД 34. Первым выходом БУ 7 является выход функционального преобразователя 28; второй выход БУ 7 подключен к совмещенным выходу генератора импульсов 30 и тактовым входам делителя частоты 33 и ДПКД 34; третьим, четвертым и пятым выходами БУ 7 являются соответственно выход компаратора кодов 29, выход ДПКД 34, выход компаратора кодов 32; а шестой выход БУ 7 соединен с совмещенными выходом делителя частоты 33 и входом синхронизации ДПКД 34.Digital switch 20 in accordance with [11, p. 529 530] can be implemented in the form of 2 • Q (where Q is the number of bits of switched samples) of standard 2 x 1 multiplexers with combined address inputs, which are described in [10, p. 150 153]
Each of the inverters of the sign of
Digital low-
Frequency dividers by 2, 25, 26 and 27 can be performed on the basis of the D-trigger in accordance with [11, p. 546]
In FIG. 6 is a structural diagram of a control unit (control unit) 7. The block of FIG. 6 contains
Функциональные преобразователи 28, 31 могут быть выполнены согласно [14, c. 476 477] на постоянных запоминающих устройствах.
Компараторы кодов 29, 32 могут быть выполнены с использованием стандартных микросхем, описанных в [10, c. 186 187]
Генератор импульсов 30 известен по [10, c. 188 196]
Делитель частоты 33 может быть выполнен в соответствии с [11, c. 576 - 577] а ДПКД 34 реализуется аналогично ДПКД 12 блоков БД 3.
The
The
На фиг. 7 (а-е) приведены временные диаграммы следующих сигналов: последовательности (TD) импульсов на шестом выходе блока управления 7 - импульсов частоты дискретизации (7,а); импульсов на четвертом выходе БУ 7 (Tθ) (7,б); импульсов на первом (Sθ1), втором (Sθ2), М-м SθM и (M + 1)-м (SθR) выходах распределителя импульсов 4 соответственно (7,в 7,е).In FIG. 7 (a-e) shows the timing diagrams of the following signals: a sequence (TD) of pulses at the sixth output of the
На фиг. 8 (а-з) приведены временные диаграммы следующих сигналов: последовательности (TD) импульсов дискретизации (8,а); импульсов (Sθm) на одном из выходов (произвольном m-м) распределителя импульсов 4 (8.б); импульсов (TΨm) на выходе ДПКД 12 m-го БД 3 (8,в); импульсов на первом (SΨm1), втором (SΨm2), N-м (SΨmN) и (N + 1)-м (SΨmA) выхода распределителя импульсов 13 m-го БД 3 соответственно (8,г 8,ж); и импульсов (SAm) на выходе готовности АЦП 10 m-го БД 3 (8,з).In FIG. Figure 8 (a-h) shows the timing diagrams of the following signals: a sequence (TD) of sampling pulses (8, a); pulses (Sθ m ) at one of the outputs (arbitrary m-m) of the pulse distributor 4 (8.b); pulses (TΨ m ) at the output of the
На фиг. 9 (а г) приведены временные диаграммы последовательностей импульсов соответственно: на входе управления всех БВКО 6 (9,а), и на выходах делителей частоты 25 (9,б), 26 (9,в), 27 (9,г) любого из этих блоков. In FIG. Figure 9 (a) shows the timing diagrams of pulse sequences, respectively: at the control input of all BVCO 6 (9, a), and at the outputs of frequency dividers 25 (9, b), 26 (9, c), 27 (9, d) of any of these blocks.
На фиг. 10 (а г) приведены соответственно: спектр S(ω) принимаемого сигнала S(t) (10,a); дискретный спектр Y(Ω) компонент вектора Y (10,б); дискретный спектр E(Ω) сигналов на входе цифровых фильтров 23, 24, находящихся в БВКО 6 (10,в); дискретный спектр B(Ω) сигналов на выходе БВКО 6 (10,г). In FIG. 10 (a d) respectively: the spectrum S (ω) of the received signal S (t) (10, a); discrete spectrum Y (Ω) of the components of the vector Y (10, b); discrete spectrum E (Ω) of signals at the input of
Рассмотрим работу устройства по фиг. 2 6 применительно к задаче пространственной стабилизации диаграммы направленности. Пусть имеется система координат X1Y1Z1 (фиг. 11) и необходимо сформировать диаграмму направленности в виде веера лучей в плоскости Y1OZ1, заданных набором углов θk,, направление максимума которой в плоскости X1OZ1 совпадает с осью Z1. Допустим, что пространственная ориентация антенной решетки 1 изменилась так, что перпендикуляр к ее раскрыву (т.е. ось Z связанной с ней системы координат XYZ) составил с осью Z1 углы -θ,-Ψ.. Тогда для указанной стабилизации необходимо сформировать луч диаграммы направленности антенной решетки по углу Ψ в азимутальной плоскости XOZ и обеспечить ее компенсацию по углу q в угломестной плоскости YOZ (априори предполагаем, что для J и θ выполняется ограничение (3)).Consider the operation of the device of FIG. 2 6 as applied to the problem of spatial stabilization of the radiation pattern. Suppose that there is a coordinate system X1Y1Z1 (Fig. 11) and it is necessary to form a radiation pattern in the form of a fan of rays in the Y1OZ1 plane defined by a set of angles θ k , whose maximum direction in the X1OZ1 plane coincides with the Z1 axis. Suppose that the spatial orientation of
Устройство по фиг. 2 6 работает следующим образом. Генератор импульсов 30 блока БУ 7 (фиг. 6) вырабатывает тактовую последовательность ТТ импульсов высокой частоты, период Тt следования которых удовлетворяет условию
Tt≪ d•(C)-1sinδ,
где d расстояние между элементами антенной решетки, С скорость распространения волны принимаемого сигнала S(t),δ максимально допустимая погрешность установки лучей по углам J,θ.The device of FIG. 2 6 works as follows. The
T t ≪ d • (C) -1 sinδ,
where d is the distance between the elements of the antenna array, C is the wave propagation speed of the received signal S (t), δ is the maximum permissible error in the installation of the rays at the angles J, θ.
Коды задаваемых углов J и θ (например от датчиков крена и дифферента) поступают на входы функциональных преобразователей 28, 31 и компараторов кодов 29, 32. Каждый функциональный преобразователь преобразует свой входной код Dвх в соответствии с функцией
поэтому на выходах преобразователей 28 и 31 формируются коды соответственно . Каждый компаратор кодов осуществляет сравнение своего входного кода Dвх с кодом нуля, и на его выходе могут присутствовать кодовые комбинации, например двухбитовые: A+, если Dвх > 0; A0, если Dвх 0; А-, если Dвх < 0. Для рассматриваемого случая (фиг. 11) Ψ>0 и θ>0,, поэтому на выходах обоих компараторов 29, 32 будут сформированы кодовые комбинации Aψ= A+=Aθ= A+..Codes J and defined by angles θ (e.g. roll and pitch sensors) to the inputs of
therefore, codes are generated at the outputs of the
Последовательность ТТ поступает на второй выход БУ 7 и тактовые входы находящихся в нем делителя частоты 33 и ДПКД 34. Делитель 33 имеет постоянный коэффициент деления Кд, такой, что импульсы его выходной последовательности TD (фиг. 7, а; 8, а; 9,а) следуют с частотой дискретизации Fд (Tt•Kд)-1, удовлетворяющей условию (4)
где F0,Δf соответственно центральная частота и ширина спектра принимаемого сигнала S(t) (фиг. 10,а); i любое положительное целое, при котором выполняется неравенство (8). Делитель с переменным коэффициентом деления 34 осуществляет деление частоты его входной последовательности в число раз, определяемое кодом, поступающим на его вход установки коэффициента с выхода функционального преобразователя 31. Поскольку вход синхронизации ДПКД 34 соединен с выходом делителя частоты 33, каждым импульсом TD производится установка ДПКД в исходное состояние. Поэтому его выходной сигнал Tθ (фиг. 7, б) в интервале между любыми импульсами дискретизации представляет собой пачку импульсов, начало которой по времени всегда совпадает с импульсом дискретизации. При этом период следования импульсов в пачке t1 равен .The TT sequence is fed to the second output of the
where F 0 , Δf, respectively, the center frequency and spectrum width of the received signal S (t) (Fig. 10, a); i any positive integer for which inequality (8) holds. A divider with a
Таким образом, при работе блока управления 7 на его выходах непрерывно формируются код на первом выходе; последовательность ТТ импульсов с периодом Тt на втором выходе; кодовая комбинация Aψ (результат сравнения кода угла J с нулем) на третьем выходе; следующие с шагом дискретизации Δ = (Fд)-1 когерентные пачки Tθ импульсов с периодом их следования в пачке на четвертом выходе; кодовая комбинация Aθ (результат сравнения кода угла q с нулем) на пятом выходе; и последовательность TD импульсов дискретизации с частотой следования Fд (8) на шестом выходе.Thus, during operation of the
Каждый импульс последовательности TD запускает распределитель импульсов (РИ) 4. Возможны три режима его работы, в зависимости от кодовой комбинации Aθ,, подаваемой на его вход режима с пятого выхода блока управления (БУ) 7:
если Aθ= A+ (т. е. при θ>0), то синхронно с импульсом TD возбуждается первый выход РИ 4, а затем последовательно во времени с интервалом, равным периоду τ1 следования импульсов в пачке Tθ,, поступающей на тактовый вход РИ 4 с четвертого выхода БУ 7, выходы 2, 3.М;
если Aθ= A- (т.е. при θ<0), то синхронно с импульсом TD возбуждается М-й выход распределителя 4, а затем с интервалом τ1 его выходы М-1, М-2.1;
если Aθ= A0 (т.e. при θ = 0), то синхронно с импульсом TD выходы РИ 4 с первого по М-й возбуждаются одновременно.Each pulse of the TD sequence starts the pulse distributor (RI) 4. Three modes of its operation are possible, depending on the code combination A θ supplied to the mode input from the fifth output of the control unit (BU) 7:
if A θ = A + (i.e., for θ> 0), then the first output of
if A θ = A - (i.e., when θ <0), then the Mth output of the
if A θ = A 0 (i.e., when θ = 0), then simultaneously with the TD pulse, the outputs of
Поскольку в рассматриваемом случае θ>0,, то первым возбуждается первый выход РИ 4, и форма сигналов Sθ1...м на выходах распределителя имеет вид, как на фиг. 7 (б-е). По возбуждении всех выходов РИ 4 с первого по М-й на его (M + 1)-м выходе будет сформирован импульс SθR сброса, который, поступив на вход сброса РИ 4, возвратит последний в исходное состояние и сделает его нечувствительным к сигналам на тактовом входе и входе режима до момента прихода очередного импульса дискретизации.Since in the case under consideration θ> 0, the first output of
Таким образом, в процессе работы распределителя импульсов 4 на его выходах непрерывно формируются последовательности Sθ1,,SθN импульсов, период которых равен шагу дискретизации Δ = (Fд)-1.. Временной сдвиг между импульсами, формируемыми на соседних выходах, всегда равен , т. е. абсолютной величине пространственной задержки в угломестной плоскости антенной решетки 1, определяемой для фронта волны, поступающего на нее с заданного направления, а очередность появления указанных импульсов на выходах РИ 4 определяется знаком угла θ..Thus, in the process of operation of the
Импульсы с выходов РИ 4 поступают на пятые входы управления соответствующих блоков дискретизации (БД) 3. Рассмотрим работу этих блоков на примере произвольного m-го блока (фиг. 3, 8). Импульс Sθm с пятого входа управления этого БД 3 поступает на вход синхронизации делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 12 и вход запуска РИ 13. ДПКД 12 осуществляет деление частоты тактовой последовательности ТТ, поступающей на его тактовый вход с второго входа управления БД 3, в число раз, определяемое кодом Dψ, подаваемым на его вход установки коэффициента с первого входа управления данного блока. В результате на выходе ДПКД 12 формируется пачка импульсов TΨm (фиг. 8, в), при этом период τ2 следования импульсов в ней равен . Так как каждым импульсом Sθm по входу синхронизации ДПКД 12 производится его установка в исходное состояние, начало указанной пачки всегда синфазно с импульсом последовательности Sθm. Импульсы TΨm с выхода ДПКД 12 поступают на тактовый вход РИ 13, который работает аналогично РИ 4 в режиме, задаваемом кодовой комбинацией на его входе режима. Данная комбинация (Aψ) поступает на указанный вход с третьего входа управления БД 3 и для рассматриваемого случая равна А+. Поэтому вначале возбуждается первый выход РИ 13 (причем синхронно с импульсом Sθm, поскольку последний запускает распределитель 13 по его входу запуска), а затем выходы 2.N. На выходах РИ 13 формируются импульсы SΨm1,SΨm2,,,SΨmN (фиг. 8,г-e), период следования каждого из которых совпадает с шагом дискретизации Δ. Временной же сдвиг между моментами формирования импульсов на соседних выходах указанного распределителя всегда равен , т. е. абсолютной величине пространственной задержки в азимутальной плоскости антенной решетки 1, определяемой для фронта волны, поступающего на нее с заданного направления (заметим, что знаком Ψ определяется очередность появления импульсов на выходах РИ 13). Импульсы с выходов РИ 13 поступают на входы управления соответствующих УВХ 8 и последовательно во времени со сдвигом t2 переводят их (начиная с N-го и кончая первым) из режима выборки в режим хранения. Входы УВХ данного БД 3 подключены к выходам тех элементов 2 антенной решетки 1, которые образуют (m m 1)-ю линейную подрешетку, расположенную в азимутальной плоскости (согласно фиг. 2, n-е УВХ данного m-го БД 3 соединено с элементом, имеющим номер (m m 1, n n 1)). Поэтому на выходах УВХ фиксируются аналоговые выборки, полученные со сдвигом τ2 из выходных сигналов элементов указанной подрешетки. Причем для фронта волны, поступившего синхронно с импульсом Sθm на данную подрешетку (т. е. ее (N 1)-й элемент) с направления, заданного углами Ψ и θ,, момент выборки сигнала любого элемента совпадает с моментом его достижения указанным фронтом. Выходные сигналы УВХ 8 суммируются сумматором 9 с весами βn, в качестве которых выступают либо коэффициенты передачи n-го УВХ, либо коэффициенты передачи сумматора по его n-му входу. Поэтому в момент tm, когда все УВХ 8 переведены в режим хранения, выходной сигнал ym сумматора 9 имеет вид
где xmn(t) выходной сигнал элемента антенной решетки 1, подключенного к n-му входу данного m-го БД 3,
т. е. представляет собой выборку из выходного сигнала подключенной к информационным входам данного БД 3 линейной подрешетки, луч диаграммы направленности которой сформирован в направлении, заданном углом Ψ..Impulses from the outputs of
where x mn (t) is the output signal of the element of the
i.e., it is a sample of the linear sublattice connected to the information inputs of a given
В момент tm (фиг. 8,ж) на (N + 1)-м выходе РИ 13 формируется сигнал SΨmA запуска АЦП 10. По окончании цикла аналого-цифрового преобразования в выходном регистре АЦП 10 фиксируется цифровой эквивалент (отсчет) выходного сигнала ym(tm) сумматора и на выходе готовности данных АЦП формируется сигнал SAm (фиг. 8,з) готовности. Этот сигнал поступает на вход сброса РИ 13 и возвращает его в исходное состояние, которое характеризуется тем, что все УВХ находятся в режиме выборки, АЦП сохраняет свой выходной код, а РИ 13 находится в режиме ожидания очередного импульса Sθm..At the time t m (Fig. 8g), the signal SΨ mA of the ADC start-
Поскольку все блоки дискретизации 3 работают идентично, то цифровой эквивалент напряжения вида (9) фиксируется на выходе АЦП 10 любого из них в момент, отстоящий на интервал времени (N-1)•τ2 от момента поступления на пятый вход управления этого блока импульса Sθ с соответствующего выхода РИ 4. Как уже отмечалось, эти импульсы сдвинуты на t1 и поэтому синхронны с моментами прихода на соответствующие линейные подрешетки одного и того же фронта волны, поступившего на антенную решетку 1 одновременно с импульсом дискретизации (в момент запуска РИ 4). Следовательно, начиная с момента tv, отстоящего от момента запуска РИ 4 на интервал времени (M-1)•τ1+(N-1)•τ2, совокупность выходных кодов АЦП всех БД 3 представляет собой вектор отсчетов выходных сигналов элементов компенсированной по углу θ эквивалентной линейной подрешетки, которая расположена в угломестной плоскости, причем элементами этой эквивалентной подрешетки являются расположенные в азимутальной плоскости линейные подрешетки, диаграмма направленности которых сформирована по направлению угла J..Since all sampling
Каждый импульс последовательности TD (импульс дискретизации) поступает на четвертые входы управления всех БД 3, а с них на входы записи буферных регистров 11 этих блоков, которые стробируют выходные данные АЦП 10. В силу (3) указанные импульсы поступают на входы записи регистров с некоторой задержкой δt≥0 относительно моментов tv, поэтому в буферном регистре каждого блока фиксируется отсчет напряжения вида (9). Тем самым обеспечивается формирование вектора [Y] действительных отсчетов, следующих синхронно с шагом дискретизации Δ.. При этом в силу (9) и того, что моменты запуска РИ 13 любых m-го и (m + 1)-го БД 3 сдвинуты на τ1, для произвольной компоненты Ym указанного вектора, т.е. выходного сигнала (m + 1)-го БД 3, имеет место выражение (2).Each pulse of the TD sequence (sampling pulse) is supplied to the fourth control inputs of all
Таким образом, в результате работы блоков дискретизации 3 одновременно обеспечиваются дискретизация выходных сигналов элементов 2 антенной решетки 1, ее компенсация в угломестной плоскости (на угол θ), и формирование луча диаграммы направленности в азимутальной плоскости (с главным максимумом в направлении угла J). При этом выходной сигнал каждого БД 3 с точностью до амплитуды представляет собой последовательность отсчетов принимаемого сигнала S(t), в связи с чем форма его дискретного спектра (фиг. 10,б) в основном интервале дискретных частот совпадает с формой спектра S(t). Thus, as a result of the operation of the
Выходные сигналы БД 3 поступают на соответствующие информационные входы всех БФЛ 5, на входы управления которых с второго входа БУ 7 подается код угла q.. С m-го информационного входа каждого БФЛ, подключенного к выходу m-го БД 3, дискретный сигнал поступает на первый вход m-го УКВ 14 (фиг. 4), а с него на первые входы умножителей 16, 17. На вторые входы этих умножителей поступает преобразованный код соответственно с первого и второго выходов функционального преобразователя 15. Функции преобразования Р1km, P2km для первого и второго выходов m-го УКВ 14, находящегося в составе k-го БФЛ 5, который предназначен для формирования луча в направлении угла θk в угломестной плоскости (фиг. 11) имеют вид
,
где m m 1; αm коэффициент амплитудного распределения в угломестной плоскости; λ = c•(F0)-1 длина волны принимаемого колебания. Поэтому сигналы на выходах указанного УКВ представляют собой произведения дискретного сигнала, поступающего на m-е информационные входы всех БФЛ 5, и Р1km, P2km соответственно. Сумматоры 18, 19 осуществляют суммирование сигналов, поступающих соответственно с первых и вторых выходов всех УКВ. При этом их выходные сигналы согласно (4) (6) представляют собой действительную и мнимую части результата формирования k-го луча в угломестной плоскости.The output signals of the
,
where
Комплексные дискретные сигналы с выходов БФЛ 5 поступают на информационные входы соответствующих БВКО 6, работа которых основана на выделении отсчетов комплексной огибающей посредством синхронного детектирования (7). Поскольку частота дискретизации удовлетворяет (8), опорная последовательность , на которую согласно (7) следует умножить входной сигнал произвольного k-го БВКО, имеет вид , т. е. ее действительная и мнимая части есть последовательности нулей и ± единиц. При этом действительная ECk(lΔ) и мнимая ESk(lΔ) части результата умножения связаны с действительной RCk(lΔ) и мнимой RSk(lΔ) частями следующим образом (см. таблицу).Complex discrete signals from the outputs of the
Следовательно, умножение на опорную последовательность сводится к коммутации отсчетов и инверсии их знаков. Therefore, multiplication by the reference sequence is reduced to switching samples and inverting their signs.
Отсчеты действительной и мнимой частей входного сигнала произвольного k-го БВКО 6 поступают с его информационного входа соответственно на первый и второй входы цифрового коммутатора 20 (фиг. 5). На вход управления коммутатора с выхода делителя частоты 25 поступает последовательность импульсов, частота следования которых вдвое меньше частоты дискретизации (фиг. 9,а). При высоком уровне сигнала на входе управления коммутатора на его первый и второй выходы поступает отсчеты соответственно с первого и второго входа. При низком уровне сигнала на входе управления на первый выход коммутатора проходит отсчет с второго входа, а на второй выход с первого входа. Отсчеты с первого и второго выходов коммутатора 20 поступают на первые входы инверторов знака 21 и 22 соответственно. На вторые входы этих инверторов поступают сигналы с выходов делителей частоты на 2 соответственно 26 и 27. При высоком уровне сигналов на своем втором входе (фиг. 9,в, г) инверторы изменяют на противоположные знаки отсчетов, поступивших на их первые входы, т.е. отсчетов с номерами l 1, 2, 5, 6. для инвертора 21 и l 2, 3, 6, 7. для инвертора 22. В результате на выходах инверторов формируется последовательность комплексных отсчетов, которая согласно приведенной выше таблице есть произведение входного сигнала БВКО и опорной последовательности. Действительная и мнимая части поступают на входы цифровых фильтров 23 и 24, которые подавляют высокочастотные компоненты в спектре (фиг. 10, в, г) и на выходе БВКО, образованном выходами указанных фильтров, формируется последовательность отсчетов комплексной огибающей сигнала, принятого по k-му лучу диаграммы направленности.The samples of the real and imaginary parts of the input signal of an arbitrary k-
Предложенный способ формирования диаграммы направленности осуществляется при последовательной реализации следующих операций. The proposed method of forming a radiation pattern is carried out in the sequential implementation of the following operations.
1. Производят измерение волнового поля, т.е. прием сигнала, посредством плоской антенной решетки. 1. Measure the wave field, ie signal reception by means of a flat antenna array.
2. Задают некоторые углы Ψ и θ, соответственно в азимутальной и угломестной плоскостях антенны. 2. Specify some angles Ψ and θ, respectively, in the azimuthal and elevation planes of the antenna.
3. Производят дискретизацию выходных сигналов элементов антенной решетки и одновременно с дискретизацией осуществляют формирование луча диаграммы направленности по углу Ψ и компенсацию антенной решетки по углу q. Для этого, например, выборки выходных сигналов соседних элементов антенной решетки получают со сдвигом во времени, величину которого выбирают исходя из значения угла J для элементов, имеющих одинаковые координаты в угломестной плоскости, и исходя из значения угла q для элементов, имеющих одинаковые координаты в азимутальной плоскости, затем формируют вектор Y действительных дискретных сигналов, каждую компоненту которого получают посредством весового суммирования выборок, полученных из выходных сигналов тех элементов антенной решетки, которые имеют одинаковые координаты в угломестной плоскости. 3. Discretize the output signals of the elements of the antenna array and simultaneously with the sampling, the beam is formed by the radiation pattern along the angle компенса and the compensation of the antenna array by the angle q. For this, for example, samples of the output signals of adjacent elements of the antenna array are obtained with a time shift, the value of which is selected based on the value of the angle J for elements having the same coordinates in the elevation plane, and based on the value of the angle q for elements having the same coordinates in the azimuthal plane, then form a vector Y of real discrete signals, each component of which is obtained by weighting the sum of the samples obtained from the output signals of those elements of the antenna array, which have the same coordinates in the elevation plane.
Для осуществления указанной операции, в частности, в устройстве по фиг. 2 6, в пределах каждого шага дискретизации производят сдвиг выборок путем последовательного запуска блоков дискретизации 3 от распределителя импульсов 4 с интервалом t1,, равным пространственной задержке в угломестной плоскости, и последовательного перевода в режим хранения устройств выборки-хранения 8 каждого блока 3 с интервалом τ2,, равным пространственной задержке в азимутальной плоскости;
получение компонент вектора Y путем суммирования многовходовым аналоговым сумматором 9 выходных сигналов всех устройств выборки-хранения каждого блока дискретизации;
формирование вектора Y путем одновременного стробирования выходных данных АЦП 10 каждого блока дискретизации буферными регистрами 11.To carry out this operation, in particular, in the device of FIG. 2 6, within each sampling step, samples are shifted by sequentially starting sampling blocks 3 from the
obtaining the components of the vector Y by summing, with a multi-input analog adder, 9 output signals of all sample-storage devices of each sampling block;
the formation of the vector Y by simultaneously gating the output of the
4. Производят формирование набора лучей в угломестной плоскости, например, посредством суммирования компонент полученного в результате предыдущей операции 3 вектора Y с комплексными весовыми коэффициентами. Для осуществления этой операции, в частности, в устройстве по фиг. 2 6 в каждом блоке формирования луча 5 выходные отсчеты всех блоков дискретизации умножают на действительную (умножителем 16) и мнимую (умножителем 17) части соответствующего весового коэффициента, формируемые функциональными преобразователями 15, а действительные и мнимые части результатов умножения суммируют сумматорами 18 и 19. 4. A set of rays is formed in the elevation plane, for example, by summing the components of the vector Y obtained as a result of the
5. Осуществляют выделение отсчетов комплексной огибающей сигналов, принятых по каждому из набора лучей. Для осуществления данной операции, например, в устройстве по фиг. 2 6 посредством блока 6 производят синхронное детектирование выходных сигналов всех блоков формирования луча 5. 5. Separate the samples of the complex envelope of the signals received for each of the set of rays. To carry out this operation, for example, in the device of FIG. 2 through 6 block synchronously detect the output signals of all
Такое выполнение способа формирования диаграммы направленности позволяет по сравнению с прототипом [3, c. 110] повысить точность диаграммоформирования и одновременно снизить вычислительные затраты при реализации способа. This embodiment of the method of forming the radiation pattern allows in comparison with the prototype [3, p. 110] to increase the accuracy of chart formation and at the same time reduce the computational cost when implementing the method.
В предложенном способе в отличие от прототипа указанная точность не зависит от шага дискретизации. В частности, при реализации способа с помощью устройства по фиг. 2 6 она составляет δ[рад] = arcsin[2•(d•Ft)-1] и для эквидистантной решетки с полуволновым расстоянием d между элементами равна
δ = arcsin(2•F0•F
где Fo центральная частота принимаемого сигнала, Ft - частота тактового генератора 30 (фиг. 6).In the proposed method, in contrast to the prototype, the specified accuracy does not depend on the sampling step. In particular, when implementing the method using the device of FIG. 2 6 it is δ [rad] = arcsin [2 • (d • F t ) -1 ] and for an equidistant lattice with a half-wave distance d between the elements is
δ = arcsin (2 • F 0 • F
where F o is the central frequency of the received signal, F t is the frequency of the clock generator 30 (Fig. 6).
При реализации же способа-прототипа указанная точность равна
δ = arcsin(2•F0•F
где Fд частота дискретизации.When implementing the same prototype method, the specified accuracy is
δ = arcsin (2 • F 0 • F
where F d is the sampling rate.
Оценим вычислительные затраты при реализации предложенного способа и прототипа по тому объему вычислительных операций, а именно числу умножений VM и сложений VS в единицу времени, который необходим для формирования одного луча диаграммы направленности антенной решетки размером N x N элементов. Let us estimate the computational costs when implementing the proposed method and prototype in terms of the volume of computational operations, namely, the number of multiplications VM and additions VS per unit time, which is necessary for the formation of one beam of the radiation pattern of an antenna array of size N x N elements.
Для прототипа VM1= N•(N+1)•Fд; VS1=(N+1)•(N-1)•Fд. Для предложенного способа, когда его операция 3 выполняется посредством сдвига выборок и формирования N-мерного вектора Y, операция 4 посредством суммирования компонент Y с комплексными весами, а операция 5 реализуется посредством синхронного детектирования VM2 [2(N + H) + 4] • Fд при невыполнении условия (8) и VM2 2(N + H) • Fд при его выполнении; VS2 [2(N + H) 4] • Fд (здесь H ≃ Fд(Δf)-1 длительность импульсной характеристики цифрового фильтра, Δf ширина спектра принимаемого сигнала).For the prototype VM 1 = N • (N + 1) • F d ; VS 1 = (N + 1) • (N-1) • F d . For the proposed method, when its
По предложенному способу частота дискретизации может выбираться исходя из ширины спектра сигнала, а именно Fд≥4•Δf, вместе с тем, чтобы лучи диаграммы направленности были достаточно узкими, апертура антенной решетки N•d должна существенно превышать длину волны. Примем N > 10, H N, тогда даже при одинаковой с прототипом частоте дискретизации предложенный способ обеспечивает выигрыш Qv по объему вычислений, равный
Поскольку принимаемый сигнал всегда узкополосен F0≫ Δf, при выбираемой исходя из ширины спектра частоте дискретизации обеспечиваемая прототипом точность установки лучей (11) недопустимо низка, тогда как в предложенном способе указанная точность настолько велика, насколько большой может быть выбрана тактовая частота Ft.According to the proposed method, the sampling frequency can be selected based on the width of the spectrum of the signal, namely F d ≥4 • Δf, while the beams of the radiation pattern are sufficiently narrow, the aperture of the antenna array N • d should significantly exceed the wavelength. We take N> 10, HN, then even at the same sampling rate as the prototype, the proposed method provides a gain Q v in the amount of calculations equal to
Since the received signal is always narrow-band F 0 ≫ Δf, at the sampling frequency selected on the basis of the spectrum width, the beam alignment accuracy provided by the prototype (11) is unacceptably low, while in the proposed method the specified accuracy is as high as the clock frequency F t can be chosen.
Проведенный анализ свидетельствует о новизне и изобретательском уровне решения, а выполненная (в рамках проводимой по заказу ГУНИО МО РФ НИР "Шаган-РВО") техническая проработка подтверждает возможность его промышленной применимости. The analysis shows the novelty and inventive step of the solution, and the technical study (commissioned by the GUNIO of the RF Ministry of Defense “Shagan-RVO”) confirms the possibility of its industrial applicability.
Литература Источники информации
1. Старожицкий В.В. Съемка рельефа дна с высоким разрешением. Судостроение за рубежом, N 6, 1988, с.58-60.Literature Sources of information
1. Starozhitsky V.V. High-resolution bottom topography. Shipbuilding abroad,
2. Бурдик В.С. Анализ гидроакустических систем. Л. Судостроение, 1988. 2. Burdik V.S. Analysis of sonar systems. L. Shipbuilding, 1988.
3. Найт У.С. Придэм Р.Г. и Кей С.М. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах. ТИИЭР, т.69, N 11, 1981, с.84-154. 3. Knight, US. Pridem R.G. and Kay S.M. Digital signal processing in sonar systems. TIIER, t. 69,
4. Лещинский М.М. и Торгушин Е.И. Об одном способе дискретизации узкополосных сигналов. В сб. Методы и устройства первичной обработки сигналов в радиотехнических системах. Горький: изд. ГПИ, 1985, с.7-12. 4. Leshchinsky M.M. and Torgushin E.I. About one method of sampling narrowband signals. On Sat Methods and devices for primary signal processing in radio systems. Gorky: ed. GPI, 1985, pp. 7-12.
5. Смарышев М.Д. и Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Л. Судостроение, 1984. 5. Smaryshev M.D. and Dobrovolsky Yu.Yu. Hydroacoustic antennas. Handbook for the calculation of directional properties of sonar antennas. L. Shipbuilding, 1984.
6. Кобяков Ю.С. Кудрявцев Н.Н. и Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л. Судостроение, 1986. 6. Kobyakov Yu.S. Kudryavtsev N.N. and Timoshenko V.I. The design of sonar fishing equipment. L. Shipbuilding, 1986.
7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник /Под ред. С.В.Якубовского. М. Радио и связь. 1989. 7. Digital and analog integrated circuits. Handbook / Ed. S.V.Yakubovsky. M. Radio and communications. 1989.
8. Алексенко А.Г. Коломбет Е.Ф. и Стародуб Г.И. Применение прецензионных аналоговых ИС. М. Радио и связь, 1981. 8. Aleksenko A.G. Colombet E.F. and Starodub G.I. The use of precision analog ICs. M. Radio and Communications, 1981.
9. Федорков Б. Г. и Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М. Энергоатомиздат, 1990. 9. Fedorkov B.G. and Taurus V.A. DAC and ADC chips: operation, parameters, application. M. Energoatomizdat, 1990.
10. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М. Радио и связь, 1989. 10. Shilo V.L. Popular digital circuits. M. Radio and Communications, 1989.
11. Хоровиц П. и Хилл У. Искусство схемототехники. В 2-х томах. Т.1. М. Мир, 1984. 11. Horowitz P. and Hill W. The art of circuitry. In 2 volumes. T.1. M. World, 1984.
12. Хвощ С.Т. Варлинский Н.Н. и Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления: Справочник. Л: Машиностроение, 1987. 12. Horsetail S.T. Varlinsky N.N. and Popov E.A. Microprocessors and microcomputers in automatic control systems: Reference. L: Engineering, 1987.
13. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение. М: Энергия, 1974. 13. Ilyin V.A. Remote control and telemetry. M: Energy, 1974.
14. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Справочник. М. Радио и связь, 1990. 14. Shevkoplyas B.V. Microprocessor structures. Directory. M. Radio and Communications, 1990.
15. Верешкин А.Е. и Катковник В.Я. Линейные цифровые фильтры и методы их реализации. М: Сов.радио, 1973. 15. Vereshkin A.E. and Katkovnik V.Ya. Linear digital filters and methods for their implementation. M: Sov.radio, 1973.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93045966A RU2072525C1 (en) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | Directivity pattern shaping method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93045966A RU2072525C1 (en) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | Directivity pattern shaping method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU93045966A RU93045966A (en) | 1996-02-27 |
RU2072525C1 true RU2072525C1 (en) | 1997-01-27 |
Family
ID=20147783
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93045966A RU2072525C1 (en) | 1993-09-29 | 1993-09-29 | Directivity pattern shaping method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2072525C1 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2495447C2 (en) * | 2011-11-15 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Beam forming method |
RU2567120C1 (en) * | 2014-07-16 | 2015-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of forming compensation beam pattern in flat electronically controlled-beam antenna array |
RU2610820C1 (en) * | 2015-12-29 | 2017-02-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method of determining beam pattern of phased antenna array |
RU2644456C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-02-12 | Алексей Вадимович Литвинов | Method of forming the expanded diagrams of the a phase antenna direction lattice |
RU2647518C2 (en) * | 2016-03-23 | 2018-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of forming beam pattern of receiving linear antenna array |
RU2650095C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method for synthesis of a multi-beam self-focusing adaptive antenna arrays by using a parametric model of signals of radiation sources |
RU2650096C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method of the multi-beam adaptive antenna array beam pattern generating using the input signal spatial frequencies spectrum parametric model |
RU2659608C1 (en) * | 2017-09-26 | 2018-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method for synthesis of a multi-beam self-focusing adaptive antenna arrays by using a parametric correlation matrix model of a received signal |
RU2659613C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны" Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО" Минобороны России) | Method of synthesizing of a multi-beam self-focusing adaptive antenna array using a parametric model of the spatial frequency spectrum of emission sources signals |
RU2742287C1 (en) * | 2020-07-14 | 2021-02-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for generation of expanded beams of phased antenna array |
RU2766536C1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-03-15 | Евгений Николаевич Мищенко | Method of beam formation in aperture digital antenna array |
RU2766536C9 (en) * | 2021-03-29 | 2022-06-09 | Евгений Николаевич Мищенко | Method of beam formation in receving digital antenna array |
-
1993
- 1993-09-29 RU RU93045966A patent/RU2072525C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Найт У.С., Придэм Р.Г., Кей С.М., Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах, ТИИЭР, т.69, N 11, 1981, стр.84-154. 2. Старожицкий В.В., Съемка рельефа дна с высоким разрешением, Судостроение за рубежом, 1988, N 6, стр.58-60. * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2495447C2 (en) * | 2011-11-15 | 2013-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Beam forming method |
RU2567120C1 (en) * | 2014-07-16 | 2015-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of forming compensation beam pattern in flat electronically controlled-beam antenna array |
RU2610820C1 (en) * | 2015-12-29 | 2017-02-15 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method of determining beam pattern of phased antenna array |
RU2647518C2 (en) * | 2016-03-23 | 2018-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) | Method of forming beam pattern of receiving linear antenna array |
RU2644456C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-02-12 | Алексей Вадимович Литвинов | Method of forming the expanded diagrams of the a phase antenna direction lattice |
RU2650095C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method for synthesis of a multi-beam self-focusing adaptive antenna arrays by using a parametric model of signals of radiation sources |
RU2650096C1 (en) * | 2017-04-26 | 2018-04-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method of the multi-beam adaptive antenna array beam pattern generating using the input signal spatial frequencies spectrum parametric model |
RU2659613C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны" Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО" Минобороны России) | Method of synthesizing of a multi-beam self-focusing adaptive antenna array using a parametric model of the spatial frequency spectrum of emission sources signals |
RU2659608C1 (en) * | 2017-09-26 | 2018-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Центральный научно-исследовательский институт Войск воздушно-космической обороны Минобороны России (ФГБУ "ЦНИИ ВВКО Минобороны России") | Method for synthesis of a multi-beam self-focusing adaptive antenna arrays by using a parametric correlation matrix model of a received signal |
RU2742287C1 (en) * | 2020-07-14 | 2021-02-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for generation of expanded beams of phased antenna array |
RU2766536C1 (en) * | 2021-03-29 | 2022-03-15 | Евгений Николаевич Мищенко | Method of beam formation in aperture digital antenna array |
RU2766536C9 (en) * | 2021-03-29 | 2022-06-09 | Евгений Николаевич Мищенко | Method of beam formation in receving digital antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10054666B2 (en) | Sparse space-time adaptive array architecture | |
Klemm | Principles of space-time adaptive processing | |
US4117538A (en) | Radar system with specialized weighting | |
US4207620A (en) | Oceanographic mapping system | |
US4387373A (en) | Synthetic monopulse radar | |
US9325403B2 (en) | Digital retro-directive communication system and method thereof | |
US4403314A (en) | Active detection system using simultaneous multiple transmissions | |
US5359329A (en) | Jammer reference target measurement system | |
US4454597A (en) | Conformal array compensating beamformer | |
RU2072525C1 (en) | Directivity pattern shaping method | |
US7737892B2 (en) | Time delay beamformer and method of time delay beamforming | |
US4180814A (en) | Multiple beam receiving array signal processor | |
Peebles et al. | Multiple-target monopulse radar processing techniques | |
GB1605208A (en) | Radar synthetic array processor | |
US5610612A (en) | Method for maximum likelihood estimations of bearings | |
US4870420A (en) | Signal acquisition apparatus and method | |
US3787850A (en) | Airborne analog moving target detector | |
EP0798806B1 (en) | Method and apparatus for bias error reduction in an N-port modeformer of the butler matrix type | |
Schurwanz et al. | Compressive sensing techniques applied to a semi-circular mmWave MIMO array | |
CN111505600B (en) | STPC-based FDA-MIMO radar signal processing method, device and medium | |
Park et al. | A deterministic, eigenvalue approach to space time adaptive processing | |
RU2399067C1 (en) | Radar installation for detecting aerial targets | |
RU2652529C1 (en) | Method and device for phasing and equal-signal differential automatic tracking of non-uniform digital antenna array for reception of wide-band signals | |
Xiong et al. | Compressive sensing-based range and angle estimation for nested FDA radar | |
RU2201599C1 (en) | Method of direction finding of radio signals and direction finder for its realization |