RU2746063C1 - The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array - Google Patents
The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746063C1 RU2746063C1 RU2020125225A RU2020125225A RU2746063C1 RU 2746063 C1 RU2746063 C1 RU 2746063C1 RU 2020125225 A RU2020125225 A RU 2020125225A RU 2020125225 A RU2020125225 A RU 2020125225A RU 2746063 C1 RU2746063 C1 RU 2746063C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- subarrays
- channels
- signals
- aperture
- receiving
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к радиолокации, а именно к способам формирования диаграммы направленности цифровыми антенными решетками при обзоре пространства, и может быть использовано в системах радиолокации и радиопеленгации.The proposed invention relates to radar, in particular to methods of beamforming digital antenna arrays when viewing space, and can be used in radar and direction finding systems.
Важнейшей характеристикой антенны радиолокатора является разрешающая способность, мерой которой является минимальное угловое расстояние между двумя объектами, при которых система способна их различить. Известно [1 - Радиолокационные системы [Электронный ресурс]: учебник / под общ. ред. В.П. Бердышева; разраб.: Центр обучающих систем ИнТК СФУ. - Красноярск: СФУ. 2012. С. 250-252], что потенциальная разрешающая способность антенны ограничена критерием Рэлея и равна ширине приемного луча антенны по уровню половинной мощности. Поскольку минимальная ширина луча антенны аналитически связана с размерами раскрыва антенны вдоль заданного координатного направления, то и потенциальная разрешающая способность ограничена размерами раскрыва.The most important characteristic of a radar antenna is its resolution, a measure of which is the minimum angular distance between two objects at which the system is able to distinguish them. It is known [1 - Radar systems [Electronic resource]: textbook / under total. ed. V.P. Berdyshev; developed by: Center of training systems of the Institute of Technology and Technology of the Siberian Federal University. - Krasnoyarsk: Siberian Federal University. 2012. S. 250-252] that the potential resolution of the antenna is limited by the Rayleigh criterion and is equal to the width of the antenna receiving beam at half power level. Since the minimum beam width of the antenna is analytically related to the size of the antenna aperture along a given coordinate direction, the potential resolution is also limited by the size of the aperture.
Принципиальное увеличение разрешающей способности антенны может быть достигнуто при использовании способов сверхразрешения.A fundamental increase in the antenna resolution can be achieved by using superresolution methods.
Наиболее известным является способ сверхразрешения Кейпона [2 - Кейпон Дж. Пространственно-временной спектральный анализ с высоким разрешением // ТИИЭР, 1969, Т. 57, С. 59-69], а также его модификации [3 - Габриэльян Д.Д., Лысенко А.В. Особенности формирования пеленгационного рельефа плоской антенной решеткой при использовании методов сверхразрешения // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. №8. С. 88-93], которые состоят в том, что в каналах антенной решетки измеряют комплексные амплитуды сигналов в течение заданного интервала времени, вычисляют ковариационную матрицу сигналов, последовательно перебирают векторы гипотез об ориентации источников сигналов. Для каждого вектора гипотезы решают задачу о максимизации отношения сигнал/шум и формируют пеленгационный рельеф в виде зависимости отношения сигнал/шум от направления проверяемой гипотезы.The most famous is the Capon superresolution method [2 - J. Keypon. Spatial-temporal spectral analysis with high resolution // TIIER, 1969, V. 57, pp. 59-69], as well as its modifications [3 - DD Gabrielian, Lysenko A.V. Features of the formation of the direction finding relief by a flat antenna array using superresolution methods // Uspekhi sovremennoi radioelektroniki. 2013. No. 8. Pp. 88-93], which consist in the fact that complex signal amplitudes are measured in the channels of the antenna array for a given time interval, the covariance matrix of signals is calculated, the vectors of hypotheses about the orientation of the signal sources are sequentially sorted out. For each vector of the hypothesis, the problem of maximizing the signal-to-noise ratio is solved and the direction-finding relief is formed in the form of the dependence of the signal-to-noise ratio on the direction of the hypothesis being tested.
Недостаток способа Кейпона и подобных ему способов состоит в том, что он не способен различать коррелированные сигналы. Кроме того, построение корреляционной матрицы, ее обращение требует определенных временных затрат, поскольку время накопления сигнала в каждом канале при приеме коррелированных сигналов непосредственно влияет на отношение сигнал/шум в приемном канале антенной решетки.The disadvantage of the Capon method and methods similar to it is that it is not able to distinguish between correlated signals. In addition, the construction of the correlation matrix, its inversion requires a certain amount of time, since the accumulation time of the signal in each channel when receiving correlated signals directly affects the signal-to-noise ratio in the receiving channel of the antenna array.
Известна модификация способа Кейпона [4 - Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Звездина Ю.А., Сильницкий С.А. Квазиоптимальная обработка сигналов в адаптивных антенных решетках радиосвязи // Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т. 14. №5. С. 52-55], позволяющая повысить его устойчивость, состоящая в том, что при приеме сигналов и формировании корреляционной матрицы дополнительно формируют нуль диаграммы направленности в направлении на источник сигнала, чтобы исключить его вклад в корреляционную матрицу помех.Known modification of the Capon method [4 - Gabrielian DD, Zvezdina M.Yu., Zvezdina YA, Silnitsky SA. Quasi-optimal signal processing in adaptive radio communication antenna arrays // Electromagnetic waves and electronic systems. 2009. T. 14. No. 5. P. 52-55], allowing to increase its stability, which consists in the fact that when receiving signals and forming a correlation matrix, a zero of the radiation pattern is additionally formed in the direction to the signal source in order to exclude its contribution to the interference correlation matrix.
Однако такой способ требует очень больших временных и вычислительных затрат, поскольку для каждой гипотезы необходимо перезаписывать корреляционную матрицу и выполнять ее обращение.However, this method requires very large time and computational costs, since for each hypothesis it is necessary to rewrite the correlation matrix and perform its inversion.
Известен способ повышения разрешающей способности антенной решетки на основе синтезированной апертуры [5 - Патент на изобретение RU 2182714. Способ углового разрешения цели радиолокационной станцией при обзоре и радиолокационная станция бокового обзора / Цхе С.Я., Брамбург Б.В. Опубл. 20.05.2002. Бюл. №14. G01S 13/90], состоящий в том, что антенную решетку, расположенную на подвижном средстве, перемещают в пространстве, излучают последовательность зондирующих сигналов и принимают отраженные эхо-сигналы в новой позиции антенной решетки. Формируют пеленгационный рельеф по результатам обработки последовательности зондирующих импульсов и соответствующих им эхо-сигналов в раскрыве большой (синтезированной) апертуры антенной решетки с учетом движения подвижного средства.There is a method of increasing the resolution of the antenna array based on the synthesized aperture [5 - Patent for invention RU 2182714. Method of angular resolution of the target by a radar station during review and a side-looking radar / Tskhe S.Ya., Bramburg B.V. Publ. May 20, 2002. Bul. No. 14.
Недостатком способа является то, что реальная система формирования радиолокационных изображений должна быть установлена на подвижном средстве, которое, как правило, должно двигаться прямолинейно с заданной скоростью.The disadvantage of this method is that a real system for generating radar images must be installed on a mobile vehicle, which, as a rule, must move in a straight line at a given speed.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) заявляемого способа является способ углового сверхразрешения в приемных цифровых антенных решетках [6 - Патент на изобретение RU 2713503. Способ углового сверхразрешения в приемных цифровых антенных решетках / Винник Л.В., Задорожный В.В., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Опубл. 05.02.2020. Бюл. №4. H01Q 3/26, G01S 13/90], при котором принимают электромагнитные волны от источников радиоизлучения в заданном секторе углов вдоль одного координатного направления, формируют квадратурные цифровые сигналы на выходах каналов реальной апертуры, формируют сигналы на выходах каналов виртуальной апертуры из квадратурных цифровых сигналов каналов реальной апертуры, формируют диаграмму направленности путем весового суммирования сигналов с выходов каналов виртуальной апертуры.The closest in technical essence (prototype) of the proposed method is the method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays [6 - Patent for invention RU 2713503. Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays / Vinnik L.V., Zadorozhny V.V., Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Shatskiy V.V. Publ. 02/05/2020. Bul. No. 4.
Недостатком прототипа является ограничение по величине отношения сигнал-шум в каждом канале 5 дБ и более, при котором достигается различение угловых положений источников сигналов. В реальных условиях требуется обнаруживать сигналы, уровень которых соизмерим или ниже уровня шумов антенны.The disadvantage of the prototype is the limitation on the magnitude of the signal-to-noise ratio in each channel of 5 dB or more, which achieves a distinction between the angular positions of signal sources. In real-world conditions, it is required to detect signals whose level is comparable to or below the noise level of the antenna.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение требований к отношению сигнал/шум в каждом канале приемной цифровой антенной решетки, при котором возможно построение пеленгационного рельефа при помощи способа виртуального раскрыва.The technical problem to be solved by the present invention is to reduce the requirements for the signal-to-noise ratio in each channel of the receiving digital antenna array, in which it is possible to construct the direction finding relief using the virtual aperture method.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ углового сверхразрешения в приемной цифровой антенной решетке, при котором принимают электромагнитные волны от источников радиоизлучения в заданном секторе углов вдоль одного координатного направления, формируют квадратурные цифровые сигналы на выходах каналов реальной апертуры.To solve this technical problem, a method of angular superresolution in a receiving digital antenna array is proposed, in which electromagnetic waves are received from radio sources in a given sector of angles along one coordinate direction, and quadrature digital signals are generated at the outputs of the channels of a real aperture.
Согласно изобретению, цифровую антенную решетку разбивают на перекрывающиеся подрешетки таким образом, чтобы коэффициент усиления и ширина луча подрешеток в просматриваемом координатном направлении были постоянными, а шаг между фазовыми центрами подрешеток был меньше длины волны и удовлетворял условию электрического сканирования лучей в заданном секторе углов, формируют выходные сигналы подрешеток путем суммирования квадратурных цифровых сигналов каналов реальной апертуры с комплексными весовыми коэффициентами, определяющими направление фазирования каналов подрешеток, по выходным сигналам подрешеток формируют сигналы на выходах каналов виртуальной апертуры, формируют диаграмму направленности в угловой области приемных лучей подрешеток путем весового суммирования сигналов с выходов каналов виртуальной апертуры, формируют диаграммы направленности виртуальной апертуры в других угловых областях приемных лучей подрешеток путем изменения направления фазирования каналов подрешеток при формировании выходных сигналов подрешеток, объединяют диаграммы направленности виртуальной апертуры для различных угловых областей ориентации приемных лучей подрешеток.According to the invention, the digital antenna array is divided into overlapping subarrays in such a way that the gain and beam width of the subarrays in the viewed coordinate direction are constant, and the step between the phase centers of the subarrays is less than the wavelength and satisfies the condition of electric scanning of beams in a given sector of angles, the output the signals of the subarrays by summing the quadrature digital signals of the channels of the real aperture with complex weight coefficients that determine the direction of the phasing of the channels of the subarrays, from the output signals of the subarrays form signals at the outputs of the channels of the virtual apertures, form the directional patterns of the virtual aperture in other angular regions of the receiving beams of the subarrays by changing the direction of the phasing of the channels of the subarrays when forming They combine the directional patterns of the virtual aperture for different angular regions of the orientation of the receiving beams of the subarrays.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.Thus, the proposed method has the following distinctive features and the sequence of its implementation from the prototype method, which are shown in table 1.
Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что в предлагаемом способе введены шесть операций:From the presented table 1 comparing the sequences of the implementation of the prototype method and the proposed method, it can be seen that in the proposed method six operations are introduced:
- разбивают приемную цифровую антенную решетку на перекрывающиеся подрешетки таким образом, чтобы коэффициент усиления и ширина луча подрешеток в просматриваемом координатном направлении были постоянными, а шаг между фазовыми центрами подрешеток был меньше длины волны и удовлетворял условию электрического сканирования лучей в заданном секторе углов;- the receiving digital antenna array is divided into overlapping subarrays so that the gain and beam width of the subarrays in the viewed coordinate direction are constant, and the step between the phase centers of the subarrays is less than the wavelength and satisfies the condition of electric scanning of beams in a given sector of angles;
- формируют выходные сигналы подрешеток путем суммирования квадратурных цифровых сигналов каналов реальной апертуры с комплексными весовыми коэффициентами, определяющими направление фазирования каналов подрешеток;- the output signals of the sublattices are formed by summing the quadrature digital signals of the channels of the real aperture with complex weight coefficients that determine the direction of phasing of the channels of the subarrays;
- по выходным сигналам подрешеток формируют сигналы на выходах каналов виртуальной апертуры;- according to the output signals of the sublattices, signals are generated at the outputs of the channels of the virtual aperture;
- формируют диаграмму направленности в угловой области приемных лучей подрешеток путем весового суммирования сигналов с выходов каналов виртуальной апертуры;- form a directional diagram in the angular region of the receiving beams of the subarrays by weight summation of signals from the outputs of the virtual aperture channels;
- формируют диаграммы направленности виртуальной апертуры в других угловых областях приемных лучей подрешеток путем изменения направления фазирования каналов подрешеток при формировании выходных сигналов подрешеток;- form the directional patterns of the virtual aperture in other angular regions of the receiving beams of the subarrays by changing the direction of the phasing of the channels of the subarrays during the formation of the output signals of the subarrays;
- объединяют диаграммы направленности виртуальной апертуры для различных угловых областей ориентации приемных лучей подрешеток.- combine the directional patterns of the virtual aperture for different angular regions of the orientation of the receiving beams of the subarrays.
Техническим результатом является повышение разрешающей способности антенны при уровне сигнала в каналах цифровой антенной решетки ниже уровня шумов.The technical result is to increase the resolution of the antenna when the signal level in the channels of the digital antenna array is below the noise level.
Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".The analysis of technical solutions made it possible to establish that analogs characterized by a set of features that are identical to all features of the proposed technical solution are absent in known sources from the prior art, which indicates that the proposed method corresponds to the "novelty" condition of patentability.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".The search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the prototype features have shown that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art also did not reveal the awareness of the influence of the transformations envisaged by the essential features on the achievement of the specified technical result. Therefore, the claimed technical solution meets the requirement of patentability "inventive step".
Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1-4.The essence of the proposed method is disclosed in figures 1-4.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ для приемной цифровой антенной решетки.FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed method for a receiving digital antenna array.
На фиг. 2 показаны исходные распределения комплексных амплитуд сигналов в раскрыве приемной цифровой антенной решетки в режиме приема при отсутствии внутренних шумов и при их наличии.FIG. 2 shows the initial distributions of the complex signal amplitudes in the aperture of the receiving digital antenna array in the receiving mode in the absence of internal noise and in its presence.
На фиг. 3 изображено результирующее распределение комплексных амплитуд для линейки из подрешеток.FIG. 3 shows the resulting distribution of complex amplitudes for a line of sublattices.
На фиг. 4 приведены диаграммы направленности приемной цифровой антенной решетки при фазировании лучей в направлениях 0 и минус 21° и соответствующие частные пеленгационные рельефы для двух рассматриваемых лучей.FIG. 4 shows the directional diagrams of the receiving digital antenna array when the beams are phased in the 0 and minus 21 ° directions and the corresponding particular direction finding reliefs for the two beams under consideration.
При реализации предложенного способа углового сверхразрешения в приемной цифровой антенной решетке на каждом этапе измерений выполняется следующая последовательность действий:When implementing the proposed method of angular superresolution in the receiving digital antenna array at each stage of measurements, the following sequence of actions is performed:
- принимают электромагнитные волны от источников радиоизлучения в заданном секторе углов вдоль одного координатного направления - 1;- receive electromagnetic waves from radio sources in a given sector of angles along one coordinate direction - 1;
- формируют квадратурные цифровые сигналы на выходах каналов реальной апертуры - 2;- form quadrature digital signals at the outputs of the channels of the real aperture - 2;
- разбивают приемную цифровую антенную решетку на перекрывающиеся подрешетки таким образом, чтобы коэффициент усиления и ширина луча подрешеток в просматриваемом координатном направлении были постоянными, а шаг между фазовыми центрами подрешеток был меньше длины волны и удовлетворял условию электрического сканирования лучей в заданном секторе углов - 3;- divide the receiving digital antenna array into overlapping subarrays so that the gain and beam width of the subarrays in the viewed coordinate direction are constant, and the step between the phase centers of the subarrays is less than the wavelength and satisfies the condition of electric scanning of beams in a given sector of angles - 3;
- формируют выходные сигналы подрешеток путем суммирования квадратурных цифровых сигналов каналов реальной апертуры с комплексными весовыми коэффициентами, определяющими направление фазирования каналов подрешеток - 4;- form the output signals of the subarrays by summing the quadrature digital signals of the channels of the real aperture with complex weighting coefficients that determine the direction of phasing of the channels of the subarrays - 4;
- по выходным сигналам подрешеток формируют сигналы на выходах каналов виртуальной апертуры - 5;- according to the output signals of the sublattices, signals are generated at the outputs of the channels of the virtual aperture - 5;
- формируют диаграмму направленности в угловой области приемных лучей подрешеток путем весового суммирования сигналов с выходов каналов виртуальной апертуры - 6;- form the directional pattern in the angular region of the receiving beams of the subarrays by the weight summation of signals from the outputs of the channels of the virtual aperture - 6;
- формируют диаграммы направленности виртуальной апертуры в других угловых областях приемных лучей подрешеток путем изменения направления фазирования каналов подрешеток при формировании выходных сигналов подрешеток - 7;- form the directional patterns of the virtual aperture in other angular regions of the receiving beams of the subarrays by changing the direction of the phasing of the channels of the subarrays during the formation of the output signals of the subarrays - 7;
- объединяют диаграммы направленности виртуальной апертуры для различных угловых областей ориентации приемных лучей подрешеток - 8.- combine the directional patterns of the virtual aperture for different angular areas of orientation of the receiving beams of the subarrays - 8.
Предлагаемый способ предназначен для использования в приемной цифровой антенной решетке или активной фазированной антенной решетке с цифровым диаграммообразованием в приемном тракте.The proposed method is intended for use in a receiving digital antenna array or an active phased antenna array with digital beamforming in the receiving path.
Вариант приемной цифровой антенной решетки (ЦАР), реализующий предложенный способ, содержит (фиг. 1) реальную апертуру, содержащую Μ каналов 1, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные антенный элемент (АЭ) 2, радиоприемник (РП) 3 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4. Вход дискретизации каждого АЦП 4 соединен с одним из выходов генератора сигнала дискретизации (Г) 5, а выход АЦП 4 (выход данных) соединен с одним из входов данных устройства цифровой обработки сигналов (УЦОС) 6. Выходы УЦОС 6 соединены со входами цифрового сумматора 7, выход которого является выходом приемной ЦАР.A variant of the receiving digital antenna array (CDA), which implements the proposed method, contains (Fig. 1) a real aperture containing Μ channels 1, each of which includes a series-connected antenna element (AE) 2, a radio receiver (RP) 3 and an analog digital converter (ADC) 4. The sampling input of each
Устройство (приемная ЦАР) работает следующим образом.The device (receiving CAR) works as follows.
АЭ 2 каждого канала 1 преобразует энергию электромагнитного поля в энергию токов высокой частоты, поступающих на вход соответствующего РП 3, где осуществляется усиление принятого сигнала, и, при необходимости, преобразование частоты и демодуляция. Выходной сигнал РП 3 каждого канала ЦАР поступает на вход соответствующего АЦП 4, на выходе которого формируется последовательность дискретных отсчетов данных составляющих сигналов с шагом, задаваемым Г 5.
Полученные отсчеты поступают на вход УЦОС 6, в котором выполняют оценку комплексных амплитуд сигналов всех каналов ЦАР, формируют квадратурные цифровые сигналы на выходах каналов реальной апертуры ЦАР, после этого сигналы обрабатывают в ЭВМ, по подрешеткам, реализуя любой известный способ виртуального раскрыва, например [6].The obtained samples are fed to the input of the
На выходе цифрового сумматора 7 формируют частные пеленгационные рельефы для соответствующих направлений.At the output of the
РП 3 для работы устройства в диапазоне метровых волн может быть выполнен в виде полосового фильтра и усилителя. При этом могут быть использованы узлы, например, из [7 - стр. 142-143. Mini-Circuits. RF & Microwave components guide. 2010].
Г 5 представляет синтезатор частоты, обеспечивающий формирование сигнала дискретизации Fд. При этом может быть использован, например, синтезатор из [7 - стр. 142-143]. Сигнал синтезатора разветвляется на Μ выходов с помощью делителей мощности [7 - стр. 136-140].
УЦОС 6 представляет собой ЭВМ, обеспечивающую обработку отсчетов сигнала по заданному алгоритму.
Цифровой сумматор 7 может быть выполнен на основе программируемой логической интегральной схемы.The
Для теоретического обоснования способа углового сверхразрешения в приемной цифровой антенной решетке изложим следующее.For the theoretical substantiation of the method of angular superresolution in the receiving digital antenna array, we will present the following.
Способ виртуального раскрыва [6] состоит в том, что измеряют распределение комплексных амплитуд сигналов в каналах приемной ЦАР, решают задачу экстраполяции и получают комплексные амплитуды сигналов в виртуальных элементах. Полученное распределение комплексных амплитуд сигналов в приемной ЦАР и в виртуальном раскрыве используют для формирования их общей ДН. Поскольку виртуальный раскрыв и раскрыв приемной ЦАР вместе имеют раскрыв большего размера, чем раскрыв приемной ЦАР, то разрешающая способность улучшается тем больше, чем больше виртуальных элементов содержит виртуальный раскрыв.The method of virtual aperture [6] consists in the fact that the distribution of the complex signal amplitudes in the channels of the receiving CAR is measured, the extrapolation problem is solved, and the complex signal amplitudes in the virtual elements are obtained. The obtained distribution of the complex signal amplitudes in the receiving CAR and in the virtual aperture is used to form their common pattern. Since the virtual aperture and the opening of the receiving CAR together have a larger aperture than the opening of the receiving CAR, the resolution improves the more the more virtual elements the virtual aperture contains.
Распределение поля вдоль раскрыва приемной ЦАР представляет собой сумму пространственных гармоник и описывается периодической функцией видаThe field distribution along the aperture of the receiving CAR is the sum of spatial harmonics and is described by a periodic function of the form
где E(x) - комплексная амплитуда поля вдоль раскрыва приемной ЦАР;where E (x) is the complex amplitude of the field along the aperture of the receiving CAR;
An и Ψn - амплитуда и фаза η-го источника радиоизлучения (n=1, 2, …, Ν)A n and Ψ n are the amplitude and phase of the η-th source of radio emission (n = 1, 2,…, Ν)
k=2π/λ - волновое число (λ - длина волны);k = 2π / λ is the wave number (λ is the wavelength);
x - координата раскрыва;x - aperture coordinate;
un - направляющий косинус, определяющий координату n-го источника.u n - direction cosine, which determines the coordinate of the n-th source.
Пространственный период LH0K комплексной функции Е(х) равен наименьшему общему кратному периодов всех пространственных гармоник, равных 
Пространственная частота колебания, возбуждаемого источником, зависит от его углового положения относительно нормали к раскрыву приемной ЦАР (чем больше угловое расстояние, тем выше пространственная частота). В связи с этим по теореме Котельникова для однозначного восстановления периода пространственного колебания вдоль приемной ЦАР по результатам измерения функции (1) в дискретных точках, соответствующих каналам ЦАР, необходимо, чтобы каналы приемной ЦАР следовали с шагом 
На практике длина антенны L обычно меньше LHOK. Решение задачи экстраполяции остается достаточно достоверным в ограниченных пределах. При этом длина виртуального раскрыва LB, содержащего и раскрыв исходной антенны, обычно удовлетворяет соотношению L<LB≤2…2,5L.In practice, the antenna length L is usually less than L HOK . The solution to the extrapolation problem remains fairly reliable within limited limits. In this case, the length of the virtual aperture L B , containing and opening the original antenna, usually satisfies the relationship L <L B ≤2 ... 2.5L.
Увеличение размеров виртуальной антенны возможно, если увеличить точность измерения распределения поля в узловых точках.An increase in the size of the virtual antenna is possible if the accuracy of measuring the field distribution at the nodal points is increased.
При наличии внутренних шумов в измерительных каналах приемной ЦАР верхняя пространственная частота растет, что приводит к необходимости уменьшения шага между каналами ЦАР для определения узловых точек восстанавливаемой функции Е(х). Поскольку в антенне расстояние между каналами является заданным, то однозначное решение задачи экстраполяции становится невозможным.In the presence of internal noise in the measuring channels of the receiving CAR, the upper spatial frequency increases, which leads to the need to decrease the step between the CAR channels to determine the nodal points of the restored function E (x). Since the distance between the channels in the antenna is given, then an unambiguous solution to the extrapolation problem becomes impossible.
В связи с этим работоспособность способа виртуального раскрыва значительно зависит от уровня сигнала в канале ЦАР. В известных работах [8 - Лаговский Б.А. Сверхразрешение на основе синтеза апертуры цифровыми антенными решетками // Антенны, 2013, №6 (193), с. 9-16] указано, что допустимое отношение сигнал/шум (ОСШ), при котором способ виртуального раскрыва остается работоспособным, составляет 7 дБ и больше, а в патенте [6] получена оценка 5 дБ.In this regard, the performance of the virtual aperture method significantly depends on the signal level in the CAR channel. In well-known works [8 - Lagovskiy BA. Superresolution based on the synthesis of aperture by digital antenna arrays // Antenny, 2013, no. 6 (193), p. 9-16] indicates that the permissible signal-to-noise ratio (SNR), at which the virtual aperture method remains operational, is 7 dB or more, and in the patent [6] an estimate of 5 dB is obtained.
Выполнение требований к ОСШ обычно достижимо за счет увеличения времени наблюдения объекта, однако в большинстве практических случаев это время является ограниченным и обнаружение сигналов следует вести по сигналам, уровень которых ниже уровня шумов.Meeting the SNR requirements is usually achievable by increasing the time of object observation, however, in most practical cases, this time is limited and signal detection should be carried out using signals whose level is below the noise level.
Основная идея предлагаемого способа основана на том, что рост ОСШ достижим не только при использовании временного накопления сигналов, но и при использовании в составе антенны направленных антенных элементов. Увеличение направленности антенных элементов может достигаться различными способами.The main idea of the proposed method is based on the fact that an increase in SNR is achievable not only when using temporary accumulation of signals, but also when using directional antenna elements as part of the antenna. Increasing the directivity of the antenna elements can be achieved in various ways.
В предлагаемом способе введена операция разбиения антенны на перекрывающиеся подрешетки, шаг между фазовыми центрами которых соответствует шагу между антенными элементами исходного раскрыва. На выходе каждой подрешетки формируется усиленный сигнал, амплитуда которого при когерентном суммировании сигналов отдельных каналов подрешетки пропорциональна числу элементов в подрешетке. При этом шумы каналов приемной ЦАР статистически независимы и при суммировании сигналов по подрешеткам дисперсия амплитуды шума остается неизменной. На выходе подрешетки ОСШ увеличивается, что позволяет получить в раскрыве антенны из подрешеток более гладкое распределение, для которого найти решение задачи экстраполяции значительно проще.In the proposed method, the operation of dividing the antenna into overlapping subarrays is introduced, the step between the phase centers of which corresponds to the step between the antenna elements of the original aperture. At the output of each sublattice, an amplified signal is formed, the amplitude of which is proportional to the number of elements in the sublattice upon coherent summation of signals from individual channels of the sublattice. In this case, the noises of the channels of the receiving CAR are statistically independent, and when the signals are summed over the subarrays, the variance of the noise amplitude remains unchanged. At the output of the subarray, the SNR increases, which makes it possible to obtain a smoother distribution in the antenna aperture from the subarrays, for which it is much easier to find a solution to the extrapolation problem.
Использование сигналов подрешеток предпочтительно по сравнению с использованием обычных направленных антенных элементов потому, что лучи подрешеток можно дополнительно фазировать в требуемом направлении. При этом появляется возможность построить пеленгационный рельеф в более широкой области пространства, чем при использовании несканирующих направленных антенных элементов.The use of subarray signals is preferred over the use of conventional directional antenna elements because the beams of the subarrays can additionally be phased in the desired direction. In this case, it becomes possible to build a direction finding relief in a wider area of space than when using non-scanning directional antenna elements.
В качестве примера реализации предлагаемого способа рассмотрим линейную приемную ЦАР, содержащую 48 элементов с межэлементным расстоянием, равным dx=0,52λ, комплексные амплитуды sm (m=1, 2, …, 48) сигналов в которой определяются выражением вида (1).As an example of the implementation of the proposed method, consider a linear receiving CAR containing 48 elements with an interelement distance equal to d x = 0.52λ, the complex amplitudes s m (m = 1, 2, ..., 48) of signals in which are determined by an expression of the form (1) ...
Разобьем приемную ЦАР на 25 подрешеток по 24 элемента в каждой.We divide the receiving CAR into 25 sublattices with 24 elements each.
Внутренние шумы антенны моделировались при помощи датчика случайных чисел. Уровень шумов в каналах ЦАР достигал минус 13 дБ. В соответствии с известными работами, такой уровень шумов делает применение способов виртуального раскрыва невозможным. При синфазном суммировании сигналов в элементах ЦАР уровень шума остается неизменным в силу некоррелированности шумов каналов. А уровень сигнала увеличивается в число раз, соответствующее числу каналов подрешетки. В рассматриваемом случае ожидаемый рост отношения сигнал/шум составляет 20log10 24≈27,6 дБ. Это позволяет преодолеть ограничения способов виртуального раскрыва и решить задачу экстраполяции поля, используя выходные сигналы подрешеток.The internal noise of the antenna was simulated using a random number generator. The noise level in the CAR channels reached minus 13 dB. In accordance with the prior art, this level of noise makes the use of virtual exposure methods impossible. With the in-phase summation of signals in the DAC elements, the noise level remains unchanged due to the uncorrelated noise of the channels. And the signal level increases by a factor corresponding to the number of sublattice channels. In this case, the expected increase in the signal-to-noise ratio is 20log 10 24 ~ 27.6 dB. This allows one to overcome the limitations of virtual aperture methods and solve the field extrapolation problem using the output signals of the subarrays.
Реализация исходных распределений комплексных амплитуд сигналов в раскрыве приемной ЦАР при отсутствии внутренних шумов и при их наличии приведена на фиг. 2 (кривые 8 и 9 - действительная и мнимая части при отсутствии шумов; кривые 10 и 11 - при наличии шумов). При моделировании эхо-сигналы с одинаковыми амплитудами и фазами были заданы в направлениях минус 20°, минус 2°, 1°, 7°.The implementation of the initial distributions of the complex signal amplitudes in the aperture of the receiving CAR in the absence of and in the absence of internal noise is shown in Fig. 2 (
Из исходного раскрыва ЦАР были сформированы 25 подрешеток по 24 элемента каждой. Подрешетки перекрывают друг друга и содержат общие антенные элементы. Результирующее распределение комплексных амплитуд для линейки из подрешеток приведено на фиг. 3: действительные и мнимые части полученных распределений, обозначенных кривыми 12, 13 и 14, 15, попарно соответствуют суммированию сигналов подрешеток, сфазированных в направлениях 0 и минус 21°.From the initial aperture of the CAR, 25 sublattices of 24 elements each were formed. The subarrays overlap each other and contain common antenna elements. The resulting distribution of complex amplitudes for a line of sublattices is shown in Fig. 3: the real and imaginary parts of the obtained distributions, indicated by
На фиг. 4 приведены результаты применения способа виртуального раскрыва для формирования пеленгационного рельефа. Кривые 16 и 17 соответствуют ДН ЦАР при фазировании лучей в направлениях 0 и минус 21°. Кривые 18 и 19 соответствуют частным пеленгационным рельефам для двух рассматриваемых лучей. Поскольку направление 7° эхо-сигнала не попадает в рассматриваемые лучи ЦАР, то данный источник не обнаружен.FIG. 4 shows the results of applying the virtual aperture method to form the direction finding relief.
Из анализа пеленгационных рельефов на фиг. 4 следует, что амплитуда одного из эхо-сигналов, обнаруживаемых в приемном луче, ориентированном в направлении *θ, равном нулю, достаточно мала. В связи с этим положение данного источника наиболее точно можно определить другим приемным лучом в сетке лучей, шаг которой для рассматриваемого примера должен быть равен около 2,5°. Аналогично, может быть обнаружен источник сигнала, ориентированный в направлении 7°.From the analysis of the direction finding reliefs in Fig. 4 it follows that the amplitude of one of the echo signals detected in the receiving beam oriented in the direction * θ equal to zero is rather small. In this regard, the position of this source can most accurately be determined by another receiving beam in the beam grid, the step of which for the example under consideration should be equal to about 2.5 °. Likewise, a signal source oriented in the 7 ° direction can be detected.
При построении пеленгационного рельефа на фиг. 4 размеры виртуального раскрыва были увеличены в 4,2 раза по сравнению с раскрывом реальной ЦАР при уровне сигнала в каналах ниже уровня шумов.When constructing the direction finding relief in Fig. 4, the dimensions of the virtual aperture were increased by a factor of 4.2 compared to the aperture of the real CAR with the signal level in the channels below the noise level.
Проверка работоспособности предложенного способа выполнена путем математического моделирования.Checking the performance of the proposed method is performed by mathematical modeling.
Пример реализации способа подтверждает реализуемость предлагаемого способа углового сверхразрешения при уровне сигнала в каналах ЦАР ниже уровня шумов. Рост отношения сигнал/шум в подрешетке из 24-х элементов составляет 27,6 дБ, что является достаточным для решения большинства практических задач.An example of the implementation of the method confirms the feasibility of the proposed method of angular superresolution when the signal level in the CAR channels is below the noise level. The growth of the signal-to-noise ratio in a subarray of 24 elements is 27.6 dB, which is sufficient for solving most practical problems.
Таким образом, предложенный способ обеспечивает работу при отношении сигнал-шум, значительно более низком, чем в прототипе, для которого требуется отношение сигнал-шум в канале выше 5 дБ.Thus, the proposed method provides operation with a signal-to-noise ratio significantly lower than in the prototype, which requires a signal-to-noise ratio in the channel above 5 dB.
Приведенные выше материалы о возможной реализации способа на основе известных блоков и устройств подтверждают соответствие критерию "промышленная применимость" предложенного способа.The above materials on the possible implementation of the method based on the known blocks and devices confirm the compliance with the criterion "industrial applicability" of the proposed method.
Таким образом, предлагаемый способ углового сверхразрешения в цифровой антенной решетке практически реализуем и обеспечивает объявленный технический результат, заключающийся в повышении разрешающей способности антенны при уровне сигнала в каналах цифровой антенной решетки ниже уровня шумов.Thus, the proposed method of angular superresolution in a digital antenna array is practically realizable and provides the declared technical result, which consists in increasing the resolution of the antenna when the signal level in the channels of the digital antenna array is below the noise level.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125225A RU2746063C1 (en) | 2020-07-21 | 2020-07-21 | The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020125225A RU2746063C1 (en) | 2020-07-21 | 2020-07-21 | The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2746063C1 true RU2746063C1 (en) | 2021-04-06 |
Family
ID=75353466
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020125225A RU2746063C1 (en) | 2020-07-21 | 2020-07-21 | The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746063C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2141675C1 (en) * | 1997-02-05 | 1999-11-20 | Военная академия связи | Method for taking bearings of radio- frequency radiation source under multiple- beam conditions |
| JP2003090880A (en) * | 2001-09-19 | 2003-03-28 | Mitsubishi Electric Corp | Synthetic aperture radar device and image regeneration method in synthetic aperture radar device |
| RU2507647C1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Controlled beamwidth phased antenna array |
| RU2713503C1 (en) * | 2019-08-19 | 2020-02-05 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays |
-
2020
- 2020-07-21 RU RU2020125225A patent/RU2746063C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2141675C1 (en) * | 1997-02-05 | 1999-11-20 | Военная академия связи | Method for taking bearings of radio- frequency radiation source under multiple- beam conditions |
| JP2003090880A (en) * | 2001-09-19 | 2003-03-28 | Mitsubishi Electric Corp | Synthetic aperture radar device and image regeneration method in synthetic aperture radar device |
| RU2507647C1 (en) * | 2012-08-03 | 2014-02-20 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Controlled beamwidth phased antenna array |
| RU2713503C1 (en) * | 2019-08-19 | 2020-02-05 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107037396B (en) | Angle of arrival estimation | |
| US7812759B2 (en) | Radar apparatus for detection position information of a target by receiving reflection signals reflected by the target with a plurality of reception antennas | |
| CN110221293B (en) | Pitching angle imaging method based on vortex electromagnetic waves | |
| RU2291464C2 (en) | Mode of measuring of the position of targets at availability of reflections of received echo-signal from surface and an impulse surface three-coordinate radar station for its realization | |
| CN110673086A (en) | Two-dimensional angle super-resolution method based on digital array radar | |
| RU2515179C1 (en) | Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions | |
| Sim et al. | Enhanced DOA estimation using linearly predicted array expansion for automotive radar systems | |
| IL144486A (en) | Radar system comprising a system for use in a monopulse radar | |
| RU2713503C1 (en) | Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays | |
| Ram et al. | Human tracking using doppler processing and spatial beamforming | |
| RU2746063C1 (en) | The method of angular superresolution in the receiving digital antenna array | |
| Fu et al. | A low SNR and fast passive location algorithm based on virtual time reversal | |
| RU2292560C1 (en) | Mode of determination of the position of the source of radio emission | |
| RU2593595C1 (en) | Method of measuring angular coordinates in nonlinear radar | |
| Boiko et al. | Design Concepts for Mobile Computing Direction Finding Systems | |
| RU2184980C1 (en) | Procedure measuring intensity of electromagnetic field of radio signals and device for its implementation | |
| RU2614035C1 (en) | One-stage method of decameter range radiation sources direction finding using phased antenna array consisting of mutually orthogonal symmetric horizontal dipoles | |
| US6373426B1 (en) | Radar station and radar system comprising at least two such stations | |
| Wu et al. | Nonuniformly Spaced Array with the Direct Data Domain Method for 2D Angle‐of‐Arrival Measurement in Electronic Support Measures Application from 6 to 18 GHz | |
| Ryndyk et al. | Estimation of coordinates of ground targets in multi-static forward scattering radar | |
| RU2692467C2 (en) | Radar method | |
| RU2195683C2 (en) | Method determining direction on target | |
| Ziółkowski et al. | Radio bearing of sources with directional antennas in urban environment | |
| RU2127437C1 (en) | Method of radar fixing of coordinates of targets | |
| Artyushenko et al. | Measurement error estimation of motion variables for extended objects under changing range conditions |