RU2787976C1 - Transceiver apparatus of a homodyne radar - Google Patents

Transceiver apparatus of a homodyne radar Download PDF

Info

Publication number
RU2787976C1
RU2787976C1 RU2021130494A RU2021130494A RU2787976C1 RU 2787976 C1 RU2787976 C1 RU 2787976C1 RU 2021130494 A RU2021130494 A RU 2021130494A RU 2021130494 A RU2021130494 A RU 2021130494A RU 2787976 C1 RU2787976 C1 RU 2787976C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
homodyne
output
radar
microwave
Prior art date
Application number
RU2021130494A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Иванович Кошуринов
Original Assignee
Кошуринова Ольга Викторовна
Filing date
Publication date
Application filed by Кошуринова Ольга Викторовна filed Critical Кошуринова Ольга Викторовна
Priority to PCT/RU2022/050330 priority Critical patent/WO2023068970A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2787976C1 publication Critical patent/RU2787976C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio electronics, in particular, to short range location, and may be used as a functional radar unit for measuring ranges, velocities, and angular coordinates of vehicles and pedestrians (hereinafter, reflectors) in traffic control and accident prevention systems. Transceiver apparatus of a homodyne radar additionally comprises a pulse modulator and a power amplifier in the transmitting channel between one of the outputs of the power divider and the microwave output of the apparatus, as well as a homodyne filter in each receiving channel between the output of the mixer and the homodyne signal amplifier. The pulse modulator and the power amplifier are linked by pulse modulation mode and output power control circuits with the controller processor. The homodyne filter suppresses the spectral components of the mixer signal exceeding the cutoff frequency of the filter. The cutoff frequency of the filter is set to be lower than the pulse modulation frequency, but higher than the maximum frequency of the homodyne signal of the probing signal fragment, as calculated for reflectors with maximum set values of ranges and radial velocities.
EFFECT: interval of measured ranges of a homodyne radar expanded by alternately applying two modes of the probing signal: continuous mode (for near-range reflectors) and quasi-continuous pulse mode (for far-range reflectors).
1 cl, 1 dwg

Description

Область техники. Предлагаемое устройство относится к области радиоэлектроники, в частности, ближней радиолокации и может быть использовано как функциональный узел радиолокаторов для измерения дальностей, скоростей и угловых координат транспортных средств и пешеходов (далее отражателей) в системах контроля дорожного движения и предотвращения столкновений.The field of technology. The proposed device relates to the field of radio electronics, in particular, short-range radar and can be used as a functional radar unit for measuring ranges, speeds and angular coordinates of vehicles and pedestrians (hereinafter referred to as reflectors) in traffic control and collision avoidance systems.

Уровень техники. В последние десятилетия системы ближней радиолокации (далее радары) широко применяются как для контроля обстановки на транспортных магистралях, так и в системах охраны объектов. Основным их достоинством является возможность предоставления объективных данных о координатах и скоростях отражателей, находящихся в зоне обзора, в любое время суток и в любых погодных условиях. Жесткие требования к стоимости и массогабаритным характеристикам обусловили широкое применение в этих радарах гомодинных приемо-передающих устройств. Классическим аналогом изобретения является радар непрерывного широкополосного излучения (FMCW) гомодинного типа, когда часть излучаемого модулированного по частоте (ЧМ) зондирующего сигнала (ЗС) поступает в качестве гетеродинного на смеситель приемника (см. Справочник по радиолокации в 4-х томах под ред. Скольника том 3, разделы 4.9-4.10). Радары этого типа, использующие линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) ЗС и цифровую обработку гомодинного сигнала, получили широчайшее распространение. Важное качество FMCW радаров - возможность контроля пространства на минимальных дальностях отражателей (ближняя зона) - сопровождается недостатком, характерным для всех радиолокационных систем, использующих непрерывный излучаемый сигнал. Это снижение чувствительности приемников вследствие воздействия амплитудных (AM) шумов излучаемого сигнала, неизбежно попадающего в приемный тракт радиолокатора из-за неидеальной изоляции приемных каналов от проникновения шумов зондирующего сигнала. Этот эффект приводит к снижению потенциала и ограничению предельной дальности радара «ближней зоной». Он устраняется применением квазинепрерывного импульсного (КНИ) FMiCW излучаемого сигнала, формируемого импульсной модуляцией сигнала FMCW. Повышение потенциала этих радаров в «дальней зоне» достигается тем, что излучаемый сигнал модулируется импульсами, а прием слабых отраженных сигналов ведется во временном интервале между импульсами излучения, где шумы излучаемого сигнала отсутствуют. Пример - патент США WO 2008048318 A2, также являющийся аналогом настоящего изобретения. Преимущество этого и других подобных решений - возможность работы в «дальней зоне» - сопровождается неизбежным для импульсных систем недостатком - затруднением приема сигналов отражателей - в «ближней зоне». Настоящее изобретение решает задачу расширения интервала измеряемых дальностей гомодинного радара поочередным применением в едином устройстве режимов FMCW при работе в ближней и, соответственно, FMiCW в дальних зонах измеряемых дальностей. Ближайшим аналогом и прототипом настоящего изобретения является приемо-передающее устройство FMCW радиолокатора с корреляционной обработкой гомодинного сигнала (статья «Некоторые возможности корреляционной обработки сигнала гомодинного радиолокатора с непрерывным частотно-модулированным излучением», Известия ВУЗов. Радиофизика, том XLVIH, №10-11,2005, стр. 869-875, рис 2). Радар использует непрерывный модулированный по фазе излучаемый сигнал и содержит соединенные микроволновыми входами и выходами антенно-фидерное (АФУ) и приемо-передающее (ППУ) устройства. ППУ содержит соединенный с АФУ источник зондирующего модулированного процессором по фазе сигнала (далее генератор ФМ сигнала) и приемный канал, включающий смеситель, подключенный входами к генератору и выходу АФУ, а выходом через усилитель гомодинного сигнала (ГС) к процессору. Процессор управляет параметрами ППУ и вычисляет двумерные (дальность-скорость) матрицы коэффициентов (функций) корреляции выходного цифрового гомодинного сигнала приемо-передающего устройства и матриц базисных сигналов. По экстремальным значениям коэффициентов обнаруживает отражатели, а по номерам строк и столбцов матриц определяет их дальности и скорости. Поскольку число столбцов и строк матриц, а также размеры их элементов теоретически не ограничиваются, реальные предельные дальности и скорости обнаруживаемых отражателей определяются техническими параметрами системы, в первую очередь - параметрами приемо-передающего устройства.The level of technology. In recent decades, short-range radar systems (hereinafter referred to as radars) have been widely used both to monitor the situation on highways and in object security systems. Their main advantage is the ability to provide objective data on the coordinates and velocities of reflectors located in the field of view at any time of the day and in any weather conditions. Strict requirements for cost and weight and size characteristics have led to the widespread use of homodyne transceivers in these radars. The classic analogue of the invention is a homodyne-type continuous broadband radiation (FMCW) radar, when part of the emitted frequency-modulated (FM) probing signal (FS) is supplied as a heterodyne to the receiver mixer (see the Radar Handbook in 4 volumes, ed. Skolnik volume 3, sections 4.9-4.10). Radars of this type, using linear frequency modulation (chirp) of the ZS and digital processing of a homodyne signal, are widely used. An important quality of FMCW radars - the ability to control space at the minimum ranges of reflectors (near zone) - is accompanied by a disadvantage that is characteristic of all radar systems using a continuous emitted signal. This is a decrease in the sensitivity of receivers due to the effect of amplitude (AM) noise of the emitted signal, which inevitably enters the receiving path of the radar due to imperfect isolation of the receiving channels from the penetration of noise of the probing signal. This effect leads to a decrease in the potential and limitation of the maximum range of the radar "near zone". It is eliminated by applying a quasi-continuous pulse (SOI) FMiCW emitted signal generated by pulse modulation of the FMCW signal. Increasing the potential of these radars in the "far zone" is achieved by the fact that the emitted signal is modulated by pulses, and the reception of weak reflected signals is carried out in the time interval between radiation pulses, where there is no noise of the emitted signal. An example is US patent WO 2008048318 A2, which is also an analogue of the present invention. The advantage of this and other similar solutions - the ability to work in the "far zone" - is accompanied by an inevitable disadvantage for pulsed systems - the difficulty in receiving reflector signals - in the "near zone". The present invention solves the problem of expanding the interval of measured ranges of a homodyne radar by alternately using FMCW modes in a single device when operating in the near and, accordingly, FMiCW in the far zones of the measured ranges. The closest analogue and prototype of the present invention is an FMCW radar transceiver with correlation processing of a homodyne signal (article "Some possibilities of correlation processing of a homodyne radar signal with continuous frequency-modulated radiation", Izvestiya VUZ. Radiophysics, volume XLVIH, No. 10-11, 2005 , pp. 869-875, figure 2). The radar uses a continuous phase-modulated radiated signal and contains antenna-feeder (AFU) and transceiver (PPU) devices connected by microwave inputs and outputs. The PPU contains a source of a probing signal modulated by the processor in phase (hereinafter referred to as the FM signal generator) connected to the AFU and a receiving channel, including a mixer connected by inputs to the generator and the AFU output, and by the output through the homodyne signal amplifier (GS) to the processor. The processor controls the PPU parameters and calculates two-dimensional (range-speed) matrices of coefficients (functions) of correlation of the output digital homodyne signal of the transceiver and matrices of basic signals. By extreme values of the coefficients, it detects reflectors, and by the numbers of rows and columns of matrices it determines their ranges and speeds. Since the number of columns and rows of matrices, as well as the size of their elements, is not theoretically limited, the real limiting ranges and speeds of detected reflectors are determined by the technical parameters of the system, primarily by the parameters of the transceiver.

Раскрытие сущности изобретения. Целью изобретения является создание приемопередающего устройства, являющегося составной частью гомодинного радиолокатора (гибрида FMCW и FMiCW радаров), способного обеспечить поочередное использование двух режимов зондирующего сигнала: непрерывного (для отражателей ближней зоны дальностей) и квазинепрерывного импульсного (для дальней зоны). В предлагаемом изобретении ставится задача устранения указанных выше недостатков прототипа дополнительным использованием режима импульсной модуляции излучаемого сигнала с приемом отраженного сигнала дальней зоны в интервалах времени между импульсами излучения. При этом повышением средней излучаемой мощности может быть повышен потенциал радара, а алгоритмы цифровой обработки принятого сигнала сохраняются, поскольку приемо-передающим устройством устраняется импульсная модуляция гомодинного сигнала на стадии его аналоговой обработки.Disclosure of the essence of the invention. The aim of the invention is to create a transceiver device, which is an integral part of a homodyne radar (a hybrid of FMCW and FMiCW radars), capable of providing alternate use of two probing signal modes: continuous (for reflectors of the near range zone) and quasi-continuous pulsed (for the far zone). In the proposed invention, the task is to eliminate the above disadvantages of the prototype by additional use of the mode of pulse modulation of the emitted signal with the reception of the reflected signal of the far zone in the time intervals between radiation pulses. At the same time, by increasing the average radiated power, the potential of the radar can be increased, and the algorithms for digital processing of the received signal are preserved, since the transceiver device eliminates the pulse modulation of the homodyne signal at the stage of its analog processing.

Поставленная задача решается совершенствованием приемо-передающего устройства гомодинного радиолокатора, содержащего передающий и приемные каналы, соединенные микроволновыми выходом и входами с антенно-фидерным устройством, а цифровыми входами и выходами с процессором радиолокатора. В подключенный к микроволновому выходу устройства передающий канал, содержащий источник - задающий генератор микроволнового зондирующего сигнала в виде последовательности модулированных по фазе фрагментов (далее генератор ФМ сигнала), процессор-контроллер, связанный с входом управления фазой генератора и с процессором радиолокатора, и делитель мощности, подключенный входом к выходу генератора, а одним из выходов - к микроволновому выходу устройства, включены, согласно изобретению, дополнительно импульсный модулятор и усилитель мощности, связанные цепями регулирования режима импульсной модуляции и уровня выходной мощности с процессором-контроллером. При этом в каждый приемный канал, связанный с одним из микроволновых входов устройства, содержащий последовательно включенные смеситель, соединенный входом с микроволновым входом устройства и соответствующим выходом делителя мощности, усилитель гомодинного сигнала и аналого-цифровой преобразователь, связанный с цифровым выходом устройства, дополнительно включен, согласно изобретению, между выходом смесителя и усилителем гомодинного сигнала гомодинный фильтр, подавляющий спектральные составляющие выходного сигнала смесителя, превышающие частоту среза фильтра, которая устанавливается меньшей частоты импульсной модуляции, но большей максимальной частоты гомодинного сигнала фрагмента, рассчитанной для отражателей с максимальными заданными значениями дальностей и радиальных скоростей. В результате радиолокатор совмещает возможность работы в режиме непрерывного (FMCW) излучаемого сигнала в «ближней» и импульсного (FMiCW) - в «дальней зоне» при сохранении формы выходного гомодинного сигнала и алгоритмов его цифровой обработки.The problem is solved by improving the transceiver of a homodyne radar containing transmitting and receiving channels connected by microwave output and inputs to the antenna-feeder device, and by digital inputs and outputs to the radar processor. In a transmission channel connected to the microwave output of the device, containing a source - a master generator of a microwave probing signal in the form of a sequence of phase-modulated fragments (hereinafter referred to as the PM signal generator), a processor-controller connected to the generator phase control input and to the radar processor, and a power divider, connected by the input to the output of the generator, and by one of the outputs to the microwave output of the device, according to the invention, an additional pulse modulator and a power amplifier are included, connected by control circuits for the pulse modulation mode and the output power level with the processor-controller. At the same time, in each receiving channel associated with one of the microwave inputs of the device, containing a mixer connected in series, connected by the input to the microwave input of the device and the corresponding output of the power divider, a homodyne signal amplifier and an analog-to-digital converter associated with the digital output of the device, is additionally included, according to the invention, between the mixer output and the homodyne signal amplifier there is a homodyne filter that suppresses the spectral components of the mixer output signal that exceed the filter cutoff frequency, which is set to a lower pulse modulation frequency, but greater than the maximum frequency of the fragment homodyne signal, calculated for reflectors with maximum specified ranges and radial speeds. As a result, the radar combines the ability to operate in the continuous (FMCW) mode of the emitted signal in the "near" and pulsed (FMiCW) - in the "far zone" while maintaining the shape of the output homodyne signal and its digital processing algorithms.

Далее основные признаки изобретения конкретизуются математическим анализом. Генератором ФМ сигнала, управляемым процессором-контроллером, формируется зондирующий сигнал (ЗС) в виде фрагмента или последовательности (пакета) N фрагментов с длительностями

Figure 00000001
модулированных сигналом процессора-контроллера по фазе:Further, the main features of the invention are specified by mathematical analysis. The PM signal generator, controlled by the processor-controller, generates a probing signal (SS) in the form of a fragment or a sequence (package) of N fragments with durations
Figure 00000001
modulated by the signal of the processor-controller in phase:

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- центральная частота зондирующего сигнала;
Figure 00000004
- задаваемый процессором-контроллером закон изменения фазы (модуляции) n-го фрагмента. Длительности
Figure 00000005
и законы модуляции фазы
Figure 00000006
фрагментов в пакете могут отличаться. Функция изменения частоты зондирующего сигнала (частотная модуляция) n-го фрагмента есть производная
Figure 00000007
а размах частоты фрагмента
Figure 00000008
- есть разность максимальной и минимальной частот ЗС, определяющий разрешающую способность радара по дальности. Фрагмент (1) усиленный и (при включении импульсного режима) модулированный импульсами по закону
Figure 00000009
(частота повторения импульсов -
Figure 00000010
скважность произвольна), излучается передающей антенной (номер фрагмента я далее для простоты опускается):where
Figure 00000003
- central frequency of the probing signal;
Figure 00000004
- the law of phase change (modulation) of the n-th fragment, set by the processor-controller. Duration
Figure 00000005
and phase modulation laws
Figure 00000006
fragments in the package may vary. The function of changing the frequency of the probing signal (frequency modulation) of the n-th fragment is the derivative
Figure 00000007
and the frequency range of the fragment
Figure 00000008
- there is a difference between the maximum and minimum frequencies of the ES, which determines the range resolution of the radar. Fragment (1) amplified and (when the pulse mode is turned on) modulated by pulses according to the law
Figure 00000009
(pulse repetition frequency -
Figure 00000010
the duty cycle is arbitrary), is emitted by the transmitting antenna (the fragment number i is omitted below for simplicity):

Figure 00000011
Figure 00000011

Сигнал (1) через делитель мощности с ослаблением

Figure 00000012
подается на гетеродинный вход микроволнового смесителяSignal (1) via attenuated power divider
Figure 00000012
applied to the heterodyne input of the microwave mixer

Figure 00000013
Figure 00000013

Отраженный от множества отражателей и принятый сигнал фрагмента есть сумма задержанных на время

Figure 00000014
колебаний, модулированных по фазе
Figure 00000015
и амплитуде
Figure 00000016
с центральными частотами, изменившимися на величину допплеровского сдвига
Figure 00000017
Reflected from a plurality of reflectors and the received fragment signal is the sum of the time delays
Figure 00000014
phase modulated oscillations
Figure 00000015
and amplitude
Figure 00000016
with center frequencies changed by the amount of Doppler shift
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

где -

Figure 00000019
- ЭДС сигналов «на клеммах» приемной антенн; Lk - дальность k-го отражателя;
Figure 00000020
- частота допплеровского сдвига принятого отраженного сигнала,
Figure 00000021
- радиальная скорость k-го отражателя. Принятые сигналы (3) и выходной сигнал ответвителя (1а) поступают на аналоговый активный элемент микроволнового смесителя (например полупроводниковый диод) генерирующий сигнал
Figure 00000022
описываемый произведением функций (1a) и (3). Отделив энергетические параметры
Figure 00000023
определяемые известным из уровня техники основным уравнением дальности радиолокации, получим из (3) нормированную функцию (4) сигнала фрагмента:where -
Figure 00000019
- EMF signals "at the terminals" of the receiving antennas; L k - range of the k-th reflector;
Figure 00000020
is the frequency of the Doppler shift of the received reflected signal,
Figure 00000021
- radial velocity of the k-th reflector. The received signals (3) and the output signal of the coupler (1a) are fed to an analog active element of the microwave mixer (for example, a semiconductor diode) generating a signal
Figure 00000022
described by the product of functions (1a) and (3). Separating the energy parameters
Figure 00000023
determined by the basic radar range equation known from the prior art, we obtain from (3) the normalized function (4) of the fragment signal:

Figure 00000024
Figure 00000024

которая есть пара слагаемых с суммой (5) и разностью (6) фаз сомножителей (4):which is a pair of terms with the sum (5) and the difference (6) of the phases of the factors (4):

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

где

Figure 00000027
Figure 00000028
where
Figure 00000027
Figure 00000028

Задача классического варианта гетеродинного смесителя - генерация и выделение колебания с разностью входных фаз (6) и подавление составляющей (5) с суммарной частотой (фазой) входных сигналов. Эта функция реализуется различными методами: применением, например, фильтра нижних частот, конструктивно объединенного с смесителем. В итоге этих операций сигнал биений или разностный сигнал (6), сохраняет и фазовую, и импульсную модуляцию. Этот вариант используется, как правило, в аналогах предлагаемого решения. Недостаток - усложнение цифровой обработки сигнала (6). Настоящим изобретением предлагается вариант амплитудной демодуляции импульсного выходного сигнала (6) смесителя, для чего между выходом смесителя и входом усилителя включается дополнительно гомодинный фильтр (ГФ), подавляющий верхние, обусловленные импульсной модуляцией частотные составляющие сигнала (6). Для этого частота среза фильтра

Figure 00000029
устанавливается существенно меньшей частоты повторения импульсов, но - для сохранения полезной информации - большей максимальной расчетной частоты гомодинного сигнала. При этом используется известный из уровня техники факт, что верхняя частота спектра сигнала (6) при гомодинном приеме возрастает с увеличением скорости и дальности отражателей и при заданной функции ФМ фрагмента легко рассчитывается. Согласно изобретению, импульсный сигнал (6) детектируется смесителем и гомодинным фильтром, а результат - нормированный, непрерывный, усиленный и ограниченный по частоте гомодинный сигнал n-ного фрагмента k-го отражателя, существующий в интервале времени
Figure 00000030
принимает вид (индексы k и n здесь и далее также опускаются):The task of the classical version of the heterodyne mixer is the generation and selection of oscillations with the input phase difference (6) and the suppression of the component (5) with the total frequency (phase) of the input signals. This function is implemented in various ways: using, for example, a low-pass filter, structurally integrated with the mixer. As a result of these operations, the beat signal or difference signal (6) retains both phase and pulse modulation. This option is used, as a rule, in analogues of the proposed solution. The disadvantage is the complication of digital signal processing (6). The present invention proposes a variant of amplitude demodulation of the pulse output signal (6) of the mixer, for which an additional homodyne filter (HF) is included between the mixer output and the amplifier input, which suppresses the upper frequency components of the signal (6) due to pulse modulation. To do this, the filter cutoff frequency
Figure 00000029
a significantly lower pulse repetition rate is set, but - to save useful information - a higher maximum calculated frequency of the homodyne signal. In this case, the fact known from the prior art is used that the upper frequency of the signal spectrum (6) with homodyne reception increases with increasing speed and range of the reflectors and is easily calculated for a given function of the FM fragment. According to the invention, the pulse signal (6) is detected by the mixer and the homodyne filter, and the result is a normalized, continuous, amplified and frequency-limited homodyne signal of the n-th fragment of the k-th reflector, existing in the time interval
Figure 00000030
takes the form (indices k and n are also omitted here and below):

Figure 00000031
Figure 00000031

Здесь

Figure 00000032
- время задержки сигнала при максимальной заданной дальности отражателя, а
Figure 00000033
- длительность соответствующего фрагмента. Очевидно, что в идеале сигнал (7) не имеет импульсной модуляции, а переход приемо-передающего устройства радара от режима непрерывного зондирующего сигнала к квазинепрерывному (импульсному) осуществляется простым включением импульсного модулятора. Здесь не рассматриваются вопросы энергетики и другие особенности первичной обработки квазинепрерывных импульсных сигналов (в частности, защита входных цепей приемника), известные из уровня техники.Here
Figure 00000032
- signal delay time at the maximum specified range of the reflector, and
Figure 00000033
- duration of the corresponding fragment. It is obvious that, ideally, signal (7) does not have pulse modulation, and the transition of the radar transceiver from the mode of a continuous probing signal to a quasi-continuous (pulse) one is carried out by simply turning on the pulse modulator. It does not consider energy issues and other features of the primary processing of quasi-continuous pulse signals (in particular, the protection of the input circuits of the receiver), known from the prior art.

Гомодинный сигнал (7) фрагмента представляет собой сложную комбинацию двух некогерентных колебаний: гармонического с частотой допплеровского сдвига

Figure 00000034
и широкополосного модуляционного (частота Δωm((t.τ))=Δϕm(t.τ)/dt). Его удобно представить как сумму двух ортогональных составляющих cos[ωDt-Δϕ0] и sin[ωDt-Δϕ0], модулированных по амплитуде (DSB), соответственно, ортогональными сигналами cos[Δϕm(t.τ)] и sin[Δϕm(t.τ)]:The homodyne signal (7) of a fragment is a complex combination of two incoherent oscillations: a harmonic one with a Doppler shift frequency
Figure 00000034
and broadband modulation (frequency Δω m ((t.τ))=Δϕ m (t.τ)/dt). It is convenient to represent it as the sum of two orthogonal components cos[ω D t-Δϕ 0 ] and sin[ω D t-Δϕ 0 ], modulated in amplitude (DSB), respectively, by orthogonal signals cos[Δϕ m (t.τ)] and sin[Δϕ m (t.τ)]:

Figure 00000035
Figure 00000035

Спектр каждого слагаемого (7а) имеет подавленную несущую с частотой

Figure 00000036
(для частного случая неподвижных отражателей ωD=0) и две боковые полосы, сдвинутые (относительно ωD) по частоте
Figure 00000037
Верхняя частота полезной области гомодинного сигнала
Figure 00000038
равна сумме максимальных частот: модуля частоты допплеровского сдвига
Figure 00000039
и модуляционной составляющей гомодинного сигнала
Figure 00000040
The spectrum of each term (7a) has a suppressed carrier with a frequency
Figure 00000036
(for the particular case of fixed reflectors ω D =0) and two side bands shifted (relative to ω D ) in frequency
Figure 00000037
Upper frequency of the useful region of the homodyne signal
Figure 00000038
is equal to the sum of the maximum frequencies: Doppler shift frequency modulus
Figure 00000039
and the modulation component of the homodyne signal
Figure 00000040

Figure 00000041
Figure 00000041

Эта величина, определяющая требования к частоте дискретизации АЦП, устанавливает в нашем случае соотношение между частотой среза гомодинного фильтра

Figure 00000042
и допустимой частотой повторения импульсов зондирующего сигнала
Figure 00000043
This value, which determines the requirements for the sampling frequency of the ADC, establishes in our case the ratio between the cutoff frequency of the homodyne filter
Figure 00000042
and allowable pulse repetition rate of the probing signal
Figure 00000043

Figure 00000044
Figure 00000044

Выходной сигнал устройства есть последовательность фрагментов (7), полученных фильтрацией гомодинным фильтром и усилителем гомодинного сигнала, имеющими суммарную импульсную характеристику

Figure 00000045
Функция (спектр) выходного сигнала ППУ может быть уточнена вычислением свертки функций
Figure 00000046
и (7), или произведения спектра сигнала (7) на комплексный коэффициент передачи ГФ и УГЧ. Эта дополнительная операция, как и реализация разрешения отражателей по скорости, определяемая длительностью пакета фрагментов, решается в процессе цифровой обработки выходного сигнала ППУ процессором радиолокатора. Импульсная характеристика ГФ и УГЧ может использоваться для выполнения дополнительных операций аналоговой обработки гомодинного сигнала (например, его дифференцирования).The output signal of the device is a sequence of fragments (7) obtained by filtering with a homodyne filter and a homodyne signal amplifier having a total impulse response
Figure 00000045
The function (spectrum) of the PPU output signal can be refined by calculating the convolution of the functions
Figure 00000046
and (7), or the product of the signal spectrum (7) by the complex gain of the GF and UHF. This additional operation, as well as the implementation of the speed resolution of reflectors, determined by the duration of the packet of fragments, is solved in the process of digital processing of the PPU output signal by the radar processor. The impulse response of the GF and UHF can be used to perform additional operations of analog processing of a homodyne signal (for example, its differentiation).

Основной вариант функциональной (структурной) схемы приемо-передающего устройства показан на фигуре. Передающий канал устройства, содержит последовательно включенные генератор ФМ зондирующего сигнала 1, делитель мощности 2, импульсный модулятор 3, соединенный с одним из выходов делителя мощности и способный поддерживать режим непрерывного излучения, и усилитель мощности 4, соединенный с выходом ППУ и (через него) с соответствующим входом антенно-фидерного устройства радара. Каждый из приемных каналов устройства (а, b и т.д.) связан входом с соответствующим выходом антенно-фидерного устройства радара и содержит включенные последовательно, смесители 5 (5a, 5b), соединенные с соответствующими выходами делителя мощности 2, гомодинный фильтр 6 (6a, 6b), усилитель гомодинного сигнала (УГС) 7 (7a, 7b) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 (8a, 8b), связанный с процессором радиолокатора. Процессор-контроллер 9 соединен аналоговыми или цифровыми линиями связи и управления параметрами передающего канала с генератором ФМ сигнала 1, импульсным модулятором 3 и усилителем мощности 4, а входом управления режимами ППУ через цифровой вход-выход с процессором радиолокатора. Если функции процессора-контроллера 9 дополнены, например, управлением параметрами УГС 7 или гомодинного фильтра 6, его связывают с ними дополнительными цепями. Основной вариант структурной схемы обеспечивает работу ППУ в режиме непрерывного излучаемого сигнала и возможность увеличение потенциала радара в импульсном режиме, а также измерение угловой координаты отражателя по разности фаз сигналов в двух приемных каналах. Допустимо, в рамках изобретения и известных решений из уровня техники, объединение функций отдельных узлов устройства (например, усилителя мощности и импульсного модулятора, усилителя гомодинного сигнала и гомодинного фильтра). Целесообразно также включение в приемные каналы входных малошумящих усилителей (либо в виде отдельного узла, либо в составе АФУ или ППУ). При повышенных уровнях мощности излучаемого сигнала состав ППУ может быть дополнен известными из уровня техники средствами защиты приемных каналов (например, ограничители мощности или ключевые устройства). Генератор сигнала 1 может быть выполнен, например, и по простейшей схеме (генератор, управляемый напряжением АЦП процессора-контроллера), и путем прямого цифрового синтеза ФМ сигнала.The main version of the functional (structural) diagram of the transceiver is shown in the figure. The transmitting channel of the device contains a series-connected FM generator of the probing signal 1, a power divider 2, a pulse modulator 3 connected to one of the outputs of the power divider and capable of maintaining continuous radiation, and a power amplifier 4 connected to the PPU output and (through it) to the corresponding input of the antenna-feeder device of the radar. Each of the receiving channels of the device (a, b, etc.) is connected by its input to the corresponding output of the radar antenna-feeder device and contains mixers 5 (5a, 5b) connected in series, connected to the corresponding outputs of the power divider 2, a homodyne filter 6 ( 6a, 6b), a homodyne signal amplifier (UGS) 7 (7a, 7b) and an analog-to-digital converter (ADC) 8 (8a, 8b) associated with the radar processor. The processor-controller 9 is connected by analog or digital lines of communication and control of the parameters of the transmitting channel with the FM signal generator 1, the pulse modulator 3 and the power amplifier 4, and the PPU mode control input through the digital input-output with the radar processor. If the functions of the processor-controller 9 are supplemented, for example, by controlling the parameters of the UGS 7 or the homodyne filter 6, it is connected to them by additional circuits. The main variant of the block diagram ensures the operation of the PPU in the mode of a continuous emitted signal and the possibility of increasing the potential of the radar in the pulsed mode, as well as measuring the angular coordinate of the reflector by the phase difference of the signals in two receiving channels. It is possible, within the scope of the invention and known solutions from the prior art, to combine the functions of individual components of the device (for example, a power amplifier and a pulse modulator, a homodyne signal amplifier and a homodyne filter). It is also advisable to include input low-noise amplifiers in the receiving channels (either as a separate unit or as part of the AFU or PPU). At increased power levels of the emitted signal, the composition of the PPU can be supplemented by means of protecting the receiving channels known from the prior art (for example, power limiters or key devices). The signal generator 1 can be made, for example, according to the simplest scheme (oscillator controlled by the voltage of the ADC of the processor-controller), and by direct digital synthesis of the FM signal.

Осуществление изобретения. Функционирование устройства реализуется следующим образом. Процессор-контроллер 9 по программе процессора радара или команде оператора, задает, исходя из заданных значений разрешающей способности по дальности и предельной дальности отражателей, длительность

Figure 00000047
и функцию (1) модуляции фазы
Figure 00000048
и (в импульсном режиме) форму импульсной модуляции каждого (n-го) фрагмента зондирующего сигнала. Закон изменения фазы
Figure 00000049
может быть отрезком линейной, нелинейной (например, гармонической) или случайной функции. Он либо генерируется процессором радиолокатора, либо хранится в его базе данных. Выбор параметров КНИ режима (частота модуляции, форма импульса, скважность) в рамках указанного (9) ограничения определяется техническими требованиями к радиолокатору. При конструировании ППУ радиолокатора на основе выбора
Figure 00000050
фрагмента вычисляют модуляционную составляющую фазы Δϕm(t.τmax)=ϕm(t)-ϕm(τ-τmax), а также частоту модуляционной составляющей ГС
Figure 00000051
где
Figure 00000052
и определяют ее максимум
Figure 00000053
Сумма частот модуляционной и модуля допплеровской составляющих ГС
Figure 00000054
определяет максимальную полезную область спектра ГС и, следовательно, минимальную частоту среза гомодинного фильтра
Figure 00000055
Принципы способа корреляционной обработки гомодинного сигнала системы-прототипа позволяют регулировать в определенных пределах
Figure 00000056
и
Figure 00000057
каждого фрагмента путем выбора
Figure 00000058
и изменения размеров элементов основной матрицы базисных сигналов (ΔL, ΔV), оставляя неизменными (подбором размеров матрицы) заданные значения предельных дальностей и радиальных скоростей отражателей.Implementation of the invention. The operation of the device is implemented as follows. The processor-controller 9, according to the program of the radar processor or the operator's command, sets, based on the given values of the resolution in range and the maximum range of the reflectors, the duration
Figure 00000047
and function (1) of phase modulation
Figure 00000048
and (in the pulse mode) the shape of the pulse modulation of each (n-th) fragment of the probing signal. The law of phase change
Figure 00000049
can be a segment of a linear, non-linear (for example, harmonic) or random function. It is either generated by the radar processor or stored in its database. The choice of SOI mode parameters (modulation frequency, pulse shape, duty cycle) within the specified (9) limitation is determined by the technical requirements for the radar. When designing a PPU radar based on the choice
Figure 00000050
fragment calculate the modulation component of the phase Δϕ m (t.τ max )=ϕ m (t)-ϕ m (τ-τ max ), as well as the frequency of the modulation component of the GS
Figure 00000051
where
Figure 00000052
and determine its maximum
Figure 00000053
The sum of the frequencies of the modulation and the module of the Doppler components of the HS
Figure 00000054
determines the maximum useful region of the HS spectrum and, consequently, the minimum cutoff frequency of the homodyne filter
Figure 00000055
The principles of the method of correlation processing of the homodyne signal of the prototype system allow you to adjust within certain limits
Figure 00000056
and
Figure 00000057
each fragment by selecting
Figure 00000058
and changing the dimensions of the elements of the main matrix of basic signals (ΔL, ΔV), leaving unchanged (by selecting the dimensions of the matrix) the specified values of the maximum ranges and radial velocities of the reflectors.

Зондирующий непрерывный микроволновый сигнал фрагмента (1), фаза которого модулирована по закону

Figure 00000059
формируемый в передающем канале ППУ генератором 1, направляется на вход делителя мощности 2, который подает часть мощности ЗС на вход двухрежимного (импульсный или непрерывный выходной сигнал) модулятора 3. Сигналы управления режимом ППУ модулятор получает от процессора-контроллера ППУ 9, который изменяет соответственно режимы генератора ФМ 1, импульсного модулятора 3 и усилителя мощности 4. Импульсный (2) или непрерывный (1) сигнал с выхода модулятора 3 поступает на вход усилителя мощности 4. Выходной сигнал с выхода усилителя 4 ППУ, средняя мощность которого, управляемая процессором-контроллером, в импульсном режиме может быть больше, чем в непрерывном, подается на вход антенно-фидерного устройства (АФУ) и излучается в пространство. Принятые отраженные сигналы с выходов АФУ поступают на входы смесителей приемных каналов 5 ППУ. Поскольку число их, как правило больше единицы, они обозначены индексами (5а, 5b). Смесители получают на вторые входы непрерывный гетеродинный сигнал (1а) с соответствующих выходов делителя мощности 2 передающего канала. Из полученного в результате преобразования выходного колебания (6) смесителя 5 каждого канала гетеродинный фильтр 6, выделяет гомодинный сигнал (7, 7a). Частота среза
Figure 00000060
гомодинного фильтра должна соответствовать условиям (9) и (8), что гарантирует подавление лишних, превышающих
Figure 00000061
высокочастотных составляющих ГС. Он поступает далее на вход усилителя ГС 7, а с его выхода - на аналого-цифровой преобразователь 8. Процессор-контроллер 9 получает сигналы процессора радара и передает генератору ФМ, импульсному генератору, усилителю мощности команды на выбор режимов. АЦП 8 доставляют процессору радара выходные фрагменты ГС каналов в цифровом формате. Для реализации требуемых значений разрешения отражателей по скорости длительность одного фрагмента, как правило, недостаточна, процессор радара использует последовательность фрагментов.Probing continuous microwave signal of fragment (1), the phase of which is modulated according to the law
Figure 00000059
generated in the transmitting channel by the PPU by the generator 1, is sent to the input of the power divider 2, which supplies part of the power of the ES to the input of the dual-mode (pulse or continuous output signal) modulator 3. The modulator receives the PPU mode control signals from the PPU 9 processor-controller, which changes the modes accordingly FM generator 1, pulse modulator 3 and power amplifier 4. A pulse (2) or continuous (1) signal from the output of modulator 3 is fed to the input of power amplifier 4. The output signal from the output of amplifier 4 is the PPU, the average power of which, controlled by the processor-controller, in the pulsed mode, it can be more than in the continuous one, it is fed to the input of the antenna-feeder device (AFD) and radiated into space. The received reflected signals from the outputs of the AFU are fed to the inputs of the mixers of the receiving channels 5 PPU. Since their number is usually greater than one, they are designated by indices (5a, 5b). The mixers receive on the second inputs a continuous heterodyne signal (1a) from the corresponding outputs of the power divider 2 of the transmitting channel. From the resulting conversion of the output waveform (6) of the mixer 5 of each channel, the heterodyne filter 6 selects the homodyne signal (7, 7a). Cutoff frequency
Figure 00000060
of the homodyne filter must comply with conditions (9) and (8), which guarantees the suppression of excess values exceeding
Figure 00000061
high-frequency components of the HS. It goes further to the input of the amplifier GS 7, and from its output to the analog-to-digital converter 8. The processor-controller 9 receives signals from the radar processor and transmits commands to select modes to the FM generator, pulse generator, power amplifier. The ADC 8 delivers to the radar processor the output fragments of the GS channels in digital format. As a rule, the duration of one fragment is not sufficient to implement the required values of reflector resolution in terms of speed; the radar processor uses a sequence of fragments.

Технические решения, предлагаемые настоящим изобретением, реализуют в ППУ с непрерывным и импульсным (КНИ) излучаемым сигналом первый этап согласованной фильтрации (оптимальной обработки) отраженного принятого сигнала в любом диапазоне радиочастот, в том числе субмиллиметровом. Набор функциональных узлов ППУ, представленного на фигуре, есть актуальный вариант устройства, который в радарах различного назначения обеспечивает измерение дальности, скорости и одной угловой координаты отражателя. Расширение задач радара может потребовать увеличения числа узлов ППУ при сохранении структурных решений. Естественно, что предложенная структура и алгоритмы ППУ могут быть применены и в чисто импульсных радарах, если работа в «ближней зоне» не предусматривается.The technical solutions proposed by the present invention implement the first stage of matched filtering (optimal processing) of the reflected received signal in any radio frequency range, including submillimeter, in a PPU with a continuous and pulsed (SOI) emitted signal. The set of functional units of the PPU, shown in the figure, is the current version of the device, which in radars for various purposes provides measurement of range, speed and one angular coordinate of the reflector. The expansion of radar tasks may require an increase in the number of PPU nodes while maintaining structural solutions. Naturally, the proposed structure and algorithms of the PPU can also be applied in purely pulsed radars, if operation in the "near zone" is not provided.

Группы приемо-передающих устройств могут входить в состав сложных радиолокационных комплексов. Это, например, моноимпульсные радары, радары MIMO и т.д. При этом функции некоторых узлов ППУ, например, процессора-контроллера, могут передаваться узлам радара. Функция выходных сигналов гомодинных фильтров, и, следовательно, выходных сигналов ППУ существенно не изменяется при переходе от непрерывного режима излучения к импульсному, что и является задачей изобретения.Groups of transceivers can be part of complex radar systems. These are, for example, monopulse radars, MIMO radars, etc. At the same time, the functions of some PPU nodes, for example, the processor-controller, can be transferred to the radar nodes. The function of the output signals of the homodyne filters, and, consequently, the output signals of the PPA does not change significantly when switching from continuous to pulsed radiation, which is the object of the invention.

Claims (1)

Приемо-передающее устройство гомодинного радиолокатора, содержащее передающий и приемные каналы, соединенные микроволновыми выходом и входами с антенно-фидерным устройством радиолокатора, причем передающий канал, подключенный к микроволновому выходу устройства, содержит задающий генератор микроволнового зондирующего сигнала в виде последовательности модулированных по фазе фрагментов зондирующего сигнала (генератор ФМ зондирующего сигнала), процессор-контроллер, связанный с входом управления фазой генератора ФМ зондирующего сигнала и с процессором радиолокатора, и делитель мощности, подключенный входом к выходу генератора ФМ зондирующего сигнала, а одним из выходов - к микроволновому выходу устройства, причем каждый приемный канал, связанный с одним из микроволновых входов устройства, содержит последовательно включенные смеситель, соединенный входами с микроволновым входом устройства и выходом делителя мощности, усилитель гомодинного сигнала и аналого-цифровой преобразователь, связанный с цифровым выходом устройства, связанным с процессором радиолокатора, отличающееся тем, что в передающий канал между одним из выходов делителя мощности и микроволновым выходом устройства включены дополнительно импульсный модулятор и усилитель мощности, связанные цепями регулирования режима импульсной модуляции и уровня выходной мощности с процессором-контроллером, а в каждый приемный канал между выходом смесителя и усилителем гомодинного сигнала включен дополнительно гомодинный фильтр, подавляющий спектральные составляющие сигнала смесителя, превышающие частоту среза фильтра, которая устанавливается меньшей частоты импульсной модуляции, но большей максимальной частоты гомодинного сигнала фрагмента зондирующего сигнала, рассчитанной для отражателей с максимальными заданными значениями дальностей и радиальных скоростей.A transceiver device of a homodyne radar, containing transmitting and receiving channels connected by a microwave output and inputs to the antenna-feeder device of the radar, and the transmitting channel connected to the microwave output of the device contains a master generator of a microwave probing signal in the form of a sequence of phase-modulated fragments of the probing signal (FM probing signal generator), a processor-controller connected to the phase control input of the probing signal FM generator and to the radar processor, and a power divider connected by the input to the output of the FM probing signal generator, and by one of the outputs to the microwave output of the device, each the receiving channel connected to one of the microwave inputs of the device contains a mixer connected in series with the microwave input of the device and the output of the power divider, a homodyne signal amplifier and an analog-to-digital converter connected with a digital output of the device connected to the processor of the radar, characterized in that the transmitting channel between one of the outputs of the power divider and the microwave output of the device includes an additional pulse modulator and a power amplifier connected by control circuits for the pulse modulation mode and the output power level with the processor-controller, and an additional homodyne filter is included in each receiving channel between the mixer output and the homodyne signal amplifier, which suppresses the spectral components of the mixer signal exceeding the filter cutoff frequency, which is set to a lower pulse modulation frequency, but greater than the maximum frequency of the homodyne signal of the probing signal fragment, calculated for reflectors with maximum given ranges and radial velocities.
RU2021130494A 2021-10-19 2021-10-19 Transceiver apparatus of a homodyne radar RU2787976C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/050330 WO2023068970A1 (en) 2021-10-19 2022-10-17 Transceiving device for a homodyne radar

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787976C1 true RU2787976C1 (en) 2023-01-13

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4360810A (en) * 1981-01-19 1982-11-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multichannel homodyne receiver
US5872537A (en) * 1996-03-19 1999-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Monostatic homodyne radar system
RU2239845C2 (en) * 2002-07-22 2004-11-10 Кошуринов Евгений Иванович Method and system for radar measurement of speeds and co-ordinates of objects (modifications)
RU2255352C2 (en) * 2003-07-07 2005-06-27 Кошуринов Евгений Иванович Method and system for radar measurement of object speeds and coordinates (modifications)
WO2008048318A2 (en) * 2006-01-05 2008-04-24 M/A-Com, Inc. Time duplex apparatus and method for radar sensor front-ends
RU186880U1 (en) * 2018-02-20 2019-02-07 Общество с ограниченной ответственностью "Микрорадар" (ООО "Микрорадар") RADAR
RU2689397C1 (en) * 2018-08-03 2019-05-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Interferometric homodyne radar

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4360810A (en) * 1981-01-19 1982-11-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Multichannel homodyne receiver
US5872537A (en) * 1996-03-19 1999-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Monostatic homodyne radar system
RU2239845C2 (en) * 2002-07-22 2004-11-10 Кошуринов Евгений Иванович Method and system for radar measurement of speeds and co-ordinates of objects (modifications)
RU2255352C2 (en) * 2003-07-07 2005-06-27 Кошуринов Евгений Иванович Method and system for radar measurement of object speeds and coordinates (modifications)
WO2008048318A2 (en) * 2006-01-05 2008-04-24 M/A-Com, Inc. Time duplex apparatus and method for radar sensor front-ends
RU186880U1 (en) * 2018-02-20 2019-02-07 Общество с ограниченной ответственностью "Микрорадар" (ООО "Микрорадар") RADAR
RU2689397C1 (en) * 2018-08-03 2019-05-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Interferometric homodyne radar

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4724694B2 (en) Radio radar equipment
KR100722750B1 (en) Radar apparatus, radar apparatus controlling method
US11215705B2 (en) Radar device
US20080088499A1 (en) Methods and apparatus for hyperview automotive radar
US8031106B2 (en) Object ranging
US8866668B2 (en) Radar apparatus with different operation modes
JP2001509896A (en) Multiple access dual signal Doppler radar.
WO2018198453A1 (en) Radar circuit, radar system, and radar program
US20100097263A1 (en) Microwave and millimeterwave radar sensors
JPH04259874A (en) Fm radar
JP2002372580A (en) Fm-cw radar device
US10763783B2 (en) Bandwidth adjustment in a phase-locked loop of a local oscillator
WO2018029954A1 (en) Radar transceiver
JP2004069693A (en) Radio wave radar system and inter-vehicle distance controller
Serafino et al. Photonic approach for on‐board and ground radars in automotive applications
US20050156779A1 (en) Pulse radar device and method for registering, detecting and/or evaluating at least one object
CN112505672A (en) Detection of interference-related interference in FMCW radar systems
Welp et al. K-band MIMO FMCW radar using CDMA for TX-separation based on an ultra-wideband SiGe BiCMOS radar chipset
EP1462818A1 (en) Gain control for single antenna FM-CW radar
RU2787976C1 (en) Transceiver apparatus of a homodyne radar
US11808894B2 (en) LiDAR device using time delayed local oscillator light and operating method thereof
JP2008286696A (en) Radar device
EP1460452A1 (en) FM-CW radar
RU2083998C1 (en) Doppler sensor of components of velocity vector, altitude and local vertical for helicopters and vertical landing space vehicles
WO2023068970A1 (en) Transceiving device for a homodyne radar