Цифрова антенна решітка з кореляційною обробкою сигналу

Изобретение относится к области локационной техники (звуко-, гидро-, радиолокации) и может найти применение в многоэлемлентных антенных решетках с цифровой обработкой сигнала на основе реализации операций дискретного спектрального анализа упорядоченной совокупности дискретных отсчетов квадратурных составляющих комплексных амплитуд выходных сигналов корреляторов, производящих корреляционную обработку выходных сигналов основных элементов антенной решетки с выходным сигналом дополнительного элемента 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 амплитудных выходных сигналов корреляторов, производящих корреляционную обработку выходных сигналов основных элементов антенной решетки с выходным сигналом дополнительного элемента решетки, получаемой после дискретизации (аналого-цифрового преобразования) синфазных и квадратурных компонент последних, с целью определения углового положения источника путем выделения из упорядоченной совокупности фильтровых каналов спектроанализатора, реализующее дискретное преобразование Фурье, канала, модульное значение выходного сигнала которого максимально [1,2,3]. Наиболее близкой по технической сущности выполняемых операций при упорядоченной совокупностью дискретных отсчетов синфазных и квадратурных составляющих комплексных амплитуд корреляторов взаимно-корреляционной обработки выходных сигналов основных элементов антенной решетки и выходного сигнала дополнительного элемента антенной решетки (прототип) является антенная решетка с цифровой обработкой на основе дискретного преобразователя Фурье [3], содержащая линейную антенную решетку из N упорядоченных основных приемных элементов, дополнительный элемент антенной решетки с подключенным к его выходу фазовращателем на p/2, N упорядоченных устройств синфазной дискретизации, N упорядоченных устройств квадратурной дискретизации, причем все 2N устройств дискретизации состоят из последовательно включенных корреляторов и дискретизатора (аналого-цифрового преобразователя), N упорядоченных блоков формирования отсчетов комплексных амплитуд по соответствующим синфазным и квадратурным дискретам с двумя входами и одним выходом, N-канальный спектроанализатср дискретного преобразования Фурье отсчетов комплексных амплитуд с упорядоченными N входами и N выходами, 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 выход каждого основного приемного элемента решетки подключен к соответствующему первому входу коррелятора одноименного устройства синфазной дискретизации, второй вход коррелятора которого подключен ж выходу дополнительного приемного элемента антенной решетки, и одновременно к первому входу коррелятора одноименного устройства квадратурной дискретизации, второй вход коррелятора которого подключен к выходу фазовращателя на p/2, причем выходы 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) основного приемного элемента решетки сигнал si(t) с гармоническим заполнением вида s1(t) = а cos(2p f ot + j1), где а - амплитуда, f 0 -средняя (несущая) частота, j1 - начальная фаза, величина которой описывается выражением j1= (p/2/l 0) i d sinb + j0, i = *1,2.....N, где l 0 - средняя длина волны, i - номер элемента решетки, d - межэлементное расстояние, b - угловое положение источника сигнала относительно нормали к решетке, j0 - начальная фаза выходного сигнала дополнительного элемента решетки, выходной сигнал которого имеет вид s0(t) = а соs(2p f ot + j0), поступает на вход соответствующего 1го коррелятора синфазного канала дискретизации, на второй вход которого поступает сигнал s0(t) с выхода дополнительного элемента решетки и одновременно на вход i-го коррелятора квадратурного канала дискретизации, на второй вход которого поступает гармонический сигнал s0*(t) =а sin(2p f ot + j1), с выхода фазовращателя на p/2. В результате корреляционной обработки с выхода дискретизатора сигналы a cos(j1— j0) и а sin(j1— j0) после комплексного суммирования в блоке формирования отсчетов комплексных амплитуд образуют упорядоченную последовательность комплексных отсчетов Таким образом, последовательность представляет последовательность v[i] отсчетов комплексной гармонической функции exp[i (2 p/N)if] частоты f = (Nd/ l 0)sinb. 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 канала спектроанализатора Фурье имеет значение k=entier[f] = entire[(Nd/l 0)sinb], где entire[*] - функция целой части [*]. Таким образом, по номеру фильтрового канала спектроанализатора Фурье, модульное значение i V[k] i выходного сигнала которого максимально, определяют угловое положение источника . Основной причиной снижения точности определения углового положения источника сигнала является необходимость восстановления N отсчетов (дискрет) комплексных амплитуд по значениям 2N отсчетов синфазных и квадратурных составляющих выходных сигналов корреляторов, 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. Цель изобретения - уменьшение числа составляющих инструментальных ошибок дискретизации и квантования при аналого-цифровом преобразовании сигналов корреляторов путем перехода от двухканальной (синфазной и квадратурной) дискретизации к одноканальной для обеспечения повышения точности определения углового положения источника сигнала. Поставленная цель достигается тем, что в цифровую антенную решетку, содержащую линейную антенную решетку из N упорядоченных основных приемных элементов, дополнительный приемный элемент к подключенным к его входу фазовращателем на p/2, N упорядоченных устройств синфазной дискретизации, состоящих из последовательно включенных коррелятора и дисретизатора (аналого-цифрового 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 выход каждого из основных приемных элементов решетки подключен к соответствующему первому входу коррелятора упорядоченных устройств дисретизации; дополнительно введен сумматор с прямым и инверсным входами и одним выходом, N-канальный спектроанализатор дискретного преобразования Хартли упорядоченной совокупности входных сигналов спектроанализатора с упорядоченными N входами и N выходами, причем вторые входы всех корреляторов подключены к выходу сумматора, прямой вход которого подключен к выходу дополнительного приемного элемента антенной решетки, а инверсный вход подключен к выходу фазовращателя на, и выходы дискретизаторов подключены к одноименным входам каналов N-канального 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 приведена структурная схема заявляемого объекта, где обозначено: А - основной приемный элемент решетки; Ао -дополнительный приемный элемент решетки; 1 - корреллятор; 2 - дискретизатор (аналого-цифровой преобразователь); 3 - фазовращатель на p/2; 4 - сумматор с прямым (+) и инверсным (-) входами; 5 - N-канальный спехтроанализатор дискретного преобразования Хартли упорядоченных выходных сигналов дисретизаторов 2 с N входами и N выходами; 6 - устройства определения углового положения по номеру канала спектроанализатора 5 (номеру выхода), модульное значение выходного сигнала которого максимально. Выход каждого из N основных приемных элементов А антенной решетки подключен к первому входу соответствующего коррелятора 1, вторые входы которых подключены к выходу сумматора 4, а выход коррелятора через соответствующий дискретизатор 2 подключен ксоответствующему одноименному входу слектроанализатора 5, выходы каналов которого подключены к соответствующим одноименным входам устройства определения углового положения источника 6, при этом прямой вход сумматора 4 и вход фазовращателя 3 подключены к выходу дополнительного элемента А0 антенной решетки, а выход фазовращателя 3 подключен к инверсному входу сумматора 4. Выход устройства определения углового положения источника 6 является выходом устройства в целом. С выхода i-го основного приемного элемента А (I=1,2,....N) антенной решетки сигнала s i(t) с гармоническим заполнителем вида si(t)= a cos[2pf ot + j1+ j0], где а -амплитуда, f 0 - средняя (несущая) частота; j1- начальная фаза, величина которой описывается выражением j1(2p/j0) і d sinb, i = 1, 2,...N, j0- начальная фаза сигнала so(t)= а соs [2p f ot + j0] с выхода дополнительного элемента А0 решетки, l 0 - средняя длина волны, d - межэлементное расстояние, b-угловое положение источника сигнала; поступает на вход соответствующего 1-го коррелятора 1, на второй вход которого поступает гаомонический сигнал вида с выхода сумматора 4, получаемый в результате вычитания выходного сигнала a cos[2pf ot + j1+ j0] s0(t) дополнительного элемента А0 решетки и выходного сигнала a sin[2pf ot + j0] фазовращателя на p/2, где cas t =cos t + sin t - функция Хартли, cas*t = cos t - sin t -дополнительная функция Хартли. В результате корреляционной обработки низкочастотный видеосигнал с выхода i-го коррелятора описывается выражением ui(t)= cas[j1]. После дискретизации в устройстве 2 упорядоченная совокупность V[i], I= 1,2...,n значений отсчетов сигналов корреляторов представляет совокупность упорядоченных отсчетов функции Хартли cas[2 p/N(if] частоты f = (Nd/l 0 ) sinb=sinb/Db 0.5, где Db 0.5 = l 0/(Nd) - ширина диаграммы направленности антенной решетки из N основных приемных элементов. Эта совокупность дискретных отсчетов совпадает с ядром базисной функции дискретного преобразования Хартли, поэтому эта упорядоченная совокупность отсчетов подвергается дискретному преобразованию Хартли в спектроанализаторе 5, и выходной сигнал Z[k] k-ro (k = 1,2,...,N) канала спектроанализатора 5 описывается выражением и модульное значение сигнала Z[k] достигает максимального значения в том случае, если номер сигнала к спектроанализатора 5 имеет значение где entire[f] - функция целой части. Таким образом, по номеру к фильтрового канала спектроанализатора 5, реализующего операцию дискретного преобразования 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 сигнала в заявля* емом объекте, в отличие от прототипа, реализуется при значительном (в два раза) сокращении числа каналов корреляционной обработки и дискретизации (аналогоцифрового преобразования). Заявляемое устройство - цифровая антенная решетка с обработкой сигналов 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 корреляционной обработки, 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 операцию дискретного преобразования Хартли, и вещественный характер коэффициентов преобразования (усиления) значений входных сигналов в спектроанализаторе при его реализации в виде специализированного процессора упрощает его структуру.