Антенна решітка з цифровою обробкою сигналу

Изобретение относится к области локационной техники (звуко-, гидро-, радиолокация) и может найти применение в многоэлементных фазированных антенных решетках с цифровой обработкой сигнала на основе реализации операций дискретного спектрального анализа упорядоченной совокупности дискретных отсчетов квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов элементов антенной решетки для определения углового положения источника сигнала. Известны антенные решетки с цифровой обработкой сигнала (аналоги) на основе реализации операций дискретного преобразования Фурье упорядоченной совокупности дискретных отсчетов комплексных амплитуд выходных сигналов элементов антенной решетки, получаемой после дискретизации (аналого-цифрового преобразования) синфазной и квадратурной компонент последних, с целью определения углового положения источника путем выделения из упорядоченной совокупности фильтровых каналов спектроанализатора, реализующего дискретное преобразование Фурье, канала, модульное значение выходного сигнала которого максимально [1, 2, 3]. Наиболее близкой по технической сущности выполняемых операций над упорядоченной совокупностью дискретных отсчетов синфазных и квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов элементов антенной решетки (прототип) является антенная решетка с цифровой обработкой сигнала на основе дискретного преобразования Фурье [3], содержащая линейную антенную решетку из N упорядоченных приемных элементов, генератор опорного сигнала с подключенным к его выходу фазовращателя на p/2, N упорядоченных устройств синфазной дискретизации, N упорядоченных устройств квадратурной дискретизации, причем все идентичные 2N устройств дискретизации состоят из последовательно включенных синхронного фазового детектора и дискретизатора (аналогоцифрового преобразователя), N упорядоченных блоков формирования отсчетов комплексных амплитуд по соответствующим синфазным и квадратурным дискретам с двумя входами и одним выходом, N-канальный спектроанализатор дискретного преобразования Фурье отсчетов комплексных амплитуд с упорядоченными N входами и N выходами, устройство определения углового положения источника по номеру канала спектроанализатора, модульное значение сигнала которого максимально, с N входами, выход которого является выходом устройства в целом, при этом выход каждого приемного элемента решетки подключен к соответствующему первому входу синхронного фазового детектора одноименного устройства синфазной дискретизации, второй вход детектора которого подключен к выходу генератора опорного сигнала, и одновременно к первому входу синхронного фазового детектора одноименного устройства квадратурной дискретизации, второй вход детектора которого подключен к выходу фазовращателя на p/2, причем входы дискретизаторов одноименных устройств дискретизации объединены соответствующими блоками формирования отсчетов комплексных амплитуд, выходы которых подключены к одноименным входам N-канального спектроанализатора дискретного преобразования Фурье, выходы которого подключены к соответствующим одноименным входам устройства определения углового положения источника по номеру канала спектроанализатора, модульное значение выходного сигнала которого максимально. С выхода i - го (i = 1, 2, .., N) приемного элемента решетки сигнал Si(t) с гармоническим заполнением вида si(t) = a cos[2pf 0t + j1], где a амплитуда, f 0 - средняя (несущая) частота, j1 начальная фаза, величина которой описывается выражением j1 = (2p/l 0)(i - 1)d sin b, i = 1, 2, ..., N, где l 0 - фазная длина волны, i - номер элемента решетки, d - межэлементное расстояние, b угловое положение источника сигнала относительно нормали к решетке, поступает на вход соответствующего i - го синхронного фазового детектора синфазного канала дискретизации, на второй вход которого поступает гармонический сигнал с генератора опорного сигнала вида cos[2pf 0t] и одновременно на вход i го синхронного фазового детектора квадратурного канала дискретизации, на второй вход которого поступает гармонический сигнал sin[2pf 0t] с выхода фазовращателя на p/2. В результате синхронного фазового детектирования с выхода дискретизаторов сигналы a cos (j1) и a sin (j1) после комплексного суммирования отсчетов комплексных амплитуд образуют упорядоченную последовательность комплексных отсчетов которую можно представить в виде Таким образом, последовательность v[i] представляет последовательность отсчетов гармонической функции exp[j(2p/N) (i - 1)f] частоты f = (Nd/l 0)sin b. Эта последовательность дискретных комплексных отсчетов совпадает с ядром базисной функции дискретного преобразования Фурье, поэтому после дискретного преобразования Фурье этой последовательности совокупность значений обладает тем свойством, что модульное значение |V[k]| достигает максимума, если номер k канала спектроанализатора Фурье имеет значение где eniter[*] - функция целой части [*]. Таким образом, по номеру k фильтрового канала спектроанализатора Фурье, модульное значение |V[k]| выходного сигнала которого максимально, определяют угловое положение источника b. Основной причиной снижения точности определения углового положения источника сигнала является необходимость восстановления N отсчетов (дискрет) комплексных амплитуд выходных сигналов N элементов антенной решетки по значениям 2N отсчетов синфазных и квадратурных составляющих последних, когда инструментальные ошибки дискретизации и квантования операций аналого-цифрового преобразования, выполняемых в устройствах дискретизации, непосредственно влияют на качество спектрального анализа упорядоченной совокупности восстановленных отсчетов комплексных амплитуд, выполняемого N канальным спектроанализатором дискретного преобразования Фурье. В основу изобретения "Антенная решетка с цифровой обработкой сигнала" поставлена задача уменьшения числа составляющих инструментальных ошибок дискретизации и квантования при аналого-цифровом преобразовании сигналов путем перехода от двухканальной (синфазной и квадратурной) дискретизации выходных сигналов элементов антенной решетки к одноканальной для обеспечения повышения точности определения углового положения источника сигнала. Решение поставленной задачи достигается тем, что в антенную решетку с цифровой обработкой сигнала, содержащую линейную антенную решетку из N упорядоченных приемных элементов, генератор опорного сигнала с подключенным к его выходу фазовращателем p/2, N упорядоченных устройств синфазной дискретизации, состоящих из синхронного фазового детектора и дискретизатора (аналогоцифрового преобразователя), устройство определения углового положения источника по номеру канала спектроанализатора, модульное значение выходного сигнала которого максимально, с N входами, выход которого является выходом устройства в целом, при этом выходы каждого из N приемных элементов решетки подключены к соответствующему первому входу синхронного фазового детектора упорядоченных устройств дискретизации; дополнительно введены сумматор с прямым и инверсным входами и одним выходом, Nканальный спектроанализатор дискретного преобразования Хартли упорядоченной совокупности отсчетов входных сигналов спектроанализатора с упорядоченными N входами и N выходами, причем вторые входы всех синхронных фазовых детекторов подключены к выходу сумматора, прямой вход которого подключен к выходу генератора опорного сигнала, а инверсный вход подключен к выходу фазовращателя на p/2, а выходы дискретизатора подключены к одноименным входам каналов Nканального спектроанализатора дискретного преобразования Хартли, выходы которого подключены к одноименным соответствующим входам устройства определения углового положения источника по номеру канала спектроанализатора, модульное значение выходного сигнала которого максимально. На чертеже (фиг.) приведена структурная схема заявляемого объекта, где обозначено А - приемный элемент решетки; 1 - синхронный фазовый детектор; 2 дискретизатор (аналого-цифровой преобразователь); 3 - генератор опорного сигнала; 4 - фазовращатель на p/2; 5 - сумматор с прямым (+) и инверсным (-) выходами; 6 N-канальный спектроанализатор дискретного преобразования Хартли упорядоченных выходных сигналов дискретизаторов 2 с N входами и N выходами; 7 - устройство определения углового положения источника по номеру канала спектроанализатора 6 (номеру выхода), модульное значение выходного сигнала которого максимально. Выход каждого из N-приемных элементов А антенной решетки подключен к первому входу соответствующего синхронного фазового детектора 1, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 5, а выход детектора через соответствующий дискретизатор 2 подключен к соответствующему одноименному входу спектроанализатора 6, выходы каналов которого подключены к соответствующим одноименным входам устройства определения углового положения источника 7, при этом прямой вход сумматора 5 и вход фазовращателя 4 подключен к выходу генератора опорного сигнала 3, а выход фазовращателя 4 подключен к инверсному входу сумматора 5. Выход устройства определения углового положения источника 7 является выходом устройства в целом. С выхода i - го приемного элемента (i = 1, 2, ..., N) антенной решетки сигнал si(t) с гармоническим заполнением вида где: a - амплитуда; f 0 - средняя (несущая) частота; j1 - начальная фаза, величина которой описывается выражением где l 0 - средняя длина волны, i - номер упорядоченного элемента антенной решетки, d межэлементное расстояние, b угловое положение источника сигнала относительно нормали к решетке; поступает на вход соответствующего i - го (1 = 1, 2, ..., N) синхронного фазового детектора, на второй вход которого поступает гармонический сигнал вида с выхода сумматора 5, получаемый в результате вычитания выходного гармонического сигнала соз[2pf 0t + j0] генератора опорного сигнала 3 и выходного гармонического сигнала sin[2pf 0 + j0] фазовращателя на p/2, где cas t = cos t + sin t функция Хартли, cas*t = cos t - sin t дополнительная функция Хартли, j0 - начальная фаза опорного сигнала. В результате синхронного фазового детектирования низкочастотный видеосигнал с выхода i - го фазового детектора описывается выражением После дискретизации в устройстве 2 упорядоченная совокупность V[i], i = 1, 2, ..., N значений отсчетов сигналов фазовых детекторов представляет совокупность упорядоченных отсчетов функции Хартли cas[(2p/N) (i - 1)f] частоты где Db 0,5 = l 0/d - ширина диаграммы направленности антенной решетки из N приемных элементов по уровню половинной мощности. Эта совокупность дискретных отсчетов совпадает с ядром базисной функции дискретного преобразования Хартли, поэтому эта упорядоченная совокупность отсчетов подвергается дискретному преобразованию Хартли в спектроанализаторе 6 и выходной сигнал Z[k] k - го (k = 1, 2, ..., N) канале спектроанализатора 6 описывается выражением и модульное значение сигнала Z[k] достигает максимального значения в том случае, если номер канала спектроанализатора 6 имеет значение где entier[f*] - функция целой части. Таким образом, по номеру k фильтрового канала спектроанализатора 6, реализующего дискретное преобразование Хартли, модульное значение выходного сигнала которого максимально, определяется угловое положение b источника сигнала, т.е. реализуется основная цель устройства-прототипа. Вместе с тем эта цель устройства-прототипа определение углового положения источника сигнала - в заявляемом объекте, в отличие от прототипа, реализуется при значительном (в 2 раза) сокращении числа каналов фазового детектирования и дискретизации (аналогоцифрового преобразования). Заявляемое устройство - антенная решетка с цифровой обработкой сигнала на основе дискретного преобразования Хартли - выгодно отличается от прототипа тем, что при высокой идентичности технических решений и характеристик устройств дискретного спектрального анализа на основе дискретного преобразования Фурье и дискретного преобразования Хартли в два раза сокращается число каналов дискретизации (аналого-цифрового преобразования), что существенно сказывается на экономических показателях эффективности использования заявляемого устройства. В свою очередь, сокращение в два раза объема аппаратуры дискретизации (аналого-цифрового преобразования) приводит к снижению в два раза числа составляющих инструментальных ошибок дискретизации и синхронного фазового детектирования, что в конечном итоге приводит к увеличению качества спектрального анализа и повышению точности определения углового положения источника сигнала. Кроме того, вещественный характер значений входных и выходных сигналов спектроанализатора, реализующего дискретное преобразование Хартли, и вещественный характер коэффициентов преобразования (усиления) значений входных сигналов в спектроанализаторе при его реализации в виде специализированного процессора упрощает его структуру. Источники информации 1. Патент России №2035097, кл. H01Q21/00, 1996. 2. Авторское свидетельство СССР №1327026, кл. G01S3/80, 1989. 3. Применение цифровой обработки сигналов / Под ред. Э. Оппенгейма. - М.: Мир, 1980. Рис.6.27, с.443.