Пространственно-временной адаптивный когерентно-импульсный накопитель сигналов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гриднев Юрий Васильевич Пальцев Виталий Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Пространственно-временной адаптивный когерентно-импульсный накопитель сигналов,характеризующийся тем, что содержит пространственный автокогерентный накопитель,содержащий первую антенну, через первый приемник соединенную с первым входом первого сумматора, и вторую антенну, через второй приемник и первый перемножитель соединенную со вторым входом первого сумматора и первым входом первой схемы разности, причем вторые входы приемников соединены с соответствующими выходами опорного гетеродина цепь пространственной адаптации в виде второго перемножителя,первый вход которого соединен с выходом второго приемника, а второй вход соединен с выходом схемы разности, выход второго перемножителя через первый фильтр соединен со вторым входом первого перемножителя временной автокогерентный накопитель, содержащий второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен со входом первой линии задержки, выход которой через третий перемножитель соединен со вторым входом второго сумматора и вторым входом второй схемы разности, первый вход которой соединен с выходом первого сумматора и вторым входом первой схемы разности цепь временной адаптации в виде четвертого перемножителя, первый вход которого соединен с выходом второй схемы разности, а второй вход соединен с выходом первой линии задержки, выход четвертого перемножителя через 17536 1 2013.10.30 второй фильтр соединен со вторым входом третьего перемножителя пространственновременной автокогерентный накопитель, содержащий третий сумматор, первый вход которого соединен с выходом второго сумматора, а его выход соединен со входом второй линии задержки и входом схемы индикации результатов обработки сигнала, выход второй линии задержки через пятый перемножитель соединен со вторым входом третьего сумматора и цепь адаптации в виде шестого перемножителя, первый вход которого соединен с выходом первой схемы разности, а второй вход соединен с выходом второго сумматора,причем выход шестого перемножителя через третий фильтр соединен со вторым входом пятого перемножителя. Изобретение относится к радиолокации, а именно к устройствам автоматического когерентного накопления полезных сигналов по углу (пространству) и по дальности на фоне шумов. Известно, что отраженный от подвижной воздушной цели когерентно-импульсный сигнал (пакет импульсов по направлению-углу и дальности) имеет корреляцию амплитудных флуктуации по дальности, углу (пространству) и по дальности-углу (пространственно-временную корреляцию). При обработке в радиолокационной станции (РЛС) такого сигнала в антенной системе с фазированной антенной решеткой используется пространственная корреляция сигнала, что позволяет на выходе антенны получить максимально накопленный сигнал по пространству с учетом межканального веса накопления. Учитывая изменения в пространстве амплитуды и фазы отраженного сигнала, для пространственной оптимальной обработки такого сигнала параметры антенны (межканальный вес и фазы) должны подстраиваться под пространственные характеристики отраженного сигнала, т.е. антенная система РЛС должна представлять собой адаптивный пространственный фильтр накопления сигнала. Известен адаптивный пространственный фильтр накопления (пространственный автокогерентный накопитель) сигнала 1, который состоит из двух и более параллельных антенн с приемниками (каналов приема сигнала) и общего сумматора для всех каналов приема. Каждый канал приема имеет управляемый вес пространственной обработки сигнала, который формируется в схеме управления весов и представляет собой напряжение на выходе системы автоматического управления пространственным весом. Недостатком указанного аналога является отсутствие технического решения, которое использует пространственно-временную корреляцию сигнала для повышения эффективности накопления полезного сигнала по пространству. После пространственной обработки сигнала начинается этап временной обработки за счет наличия в отраженном импульсном сигнале его корреляция по дальности (междупериодной корреляции). Учитывая междупериодные изменения по дальности амплитуды и фазы отраженного сигнала, для оптимальной обработки сигнала по дальности параметры фильтра накопления-рециркулятора должны подстраиваться под временные характеристики отраженного сигнала, т.е. рециркулятор должен представлять собой адаптивный временной фильтр накопления сигнала. Известен адаптивный временной фильтр накопления (временной автокогерентный накопитель) сигнала 2, который состоит из рециркулятора-накопителя с управляемым временным весом в цепи задержанного канала. Данное устройство имеет автоматическую систему автоподстройки временного комплексного веса рециркулятора под комплексный временной коэффициент корреляции сигнала. Система автоподстройки включает в цифровой форме перемножитель для формирования сигнала ошибки, фильтр и временной весовой множитель. Недостатком указанного аналога является отсутствие технического решения, которое использует пространственно-временную корреляцию сигнала для повышения эффективности накопления сигнала по дальности. 2 17536 1 2013.10.30 Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом, является контур управления адаптивной антенной, который состоит из многоканальной приемной антенны с управляемой весовой обработкой сигнала 3. Каждый приемный канал включает антенну, приемник с общим гетеродином и управляемый вес обработки сигнала. Выходы всех каналов соединены с общим входом сумматора накопления сигнала. Контур управления адаптивной антенны включает схемы формирования напряжений (цепи автоподстройки) для автоматического управления всех весов каналов когерентно-импульсного накопителя по пространству. Недостатком данного прототипа является отсутствие технического решения, которое использует пространственно-временную связь (корреляцию) сигнала для повышения эффективности его накопления. Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности накопления полезного сигнала на фоне шума за счет увеличения коэффициента накопления и соответственно отношения сигнал/шум. Поставленная задача решается тем, что в пространственно-временном адаптивном когерентно-импульсном накопителе сигналов, содержащем последовательно соединенные пространственный автокогерентный накопитель и временной автокогерентный накопитель, причем пространственный автокогерентный накопитель содержит первую антенну,которая через первый приемник соединена с одним входом сумматора, и вторую антенну,которая через второй приемник и первый перемножитель веса соединена со вторым входом сумматора и схемой разности, вторые входы приемников соединены с выходами опорного гетеродина, цепь пространственной адаптации, состоящую из второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом второго приемника, а второй вход соединен с выходом схемы разности, выход второго перемножителя через фильтр соединен со вторым входом первого перемножителя, временной автокогерентный накопитель содержит второй сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен со входом линии задержки, выход которой через третий перемножитель временного веса соединен со вторым входом второго сумматора и вторым входом второй схемы разности, первый вход которой соединен с выходом первого сумматора, цепь временной адаптации, состоящую из четвертого перемножителя, первый вход которого соединен с выходом второй схемы разности, а второй вход соединен с выходом линии задержки, выход четвертого перемножителя через фильтр соединен со вторым входом третьего перемножителя временного веса, к выходу временного автокогерентного накопителя подключены пространственно-временной автокогерентный накопитель, вход которого через третий сумматор подключен к выходу второго сумматора, а его выход соединен со входами линии задержки и схемы индикации, выход схемы задержки через пятый перемножитель соединен со вторым входом третьего сумматора, и цепь адаптации, включающая шестой перемножитель, первый вход которого соединен с выходом первой схемы разности, второй вход соединен с выходом второго сумматора, причем, выход шестого перемножителя через фильтр подключен ко второму входу пятого перемножителя пространственно-временного веса. Сущностью заявляемого технического решения является использование пространственно-временной составляющей сигнала для повышения эффективности его накопления. Структура заявляемого фильтра определяется пространственно-временной корреляционной матрицей обработки сигнала 2,(1) где- временная матрица сигнала для ,1, 2 импульсов дальности, - пространственная матрица сигнала для ,1, 2 М межканальных импульсов, - пространственно-временная матрица для ,1, 2/ импульсов дальности и угла. Квадрат амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) всего адаптивного фильтра накопления с учетом пространственно-временной (ПВ) корреляции сигнала определяется 3 17536 1 2013.10.30 произведением квадрата АЧХ временного фильтра 2 Вф(П), квадрата АЧХ пространственного фильтра 2 Пф и квадрата АЧХ пространственно-временного фильтра 2 ПВф(П, ), т.е. 2 где- несущая частота сигнала, - угловая частота сигнала, - расстояние между антеннами,п - период повторения импульса (по времени). Сущность изобретения видна из уравнения (2), которое показывает, что предлагаемый ПВ адаптивный фильтр накопления состоит из последовательно включенных известного пространственного фильтра с АЧХ 2 Пф, известного временного фильтра с АЧХ 2 Вф(П) и предлагаемого ПВ фильтра с АЧХ 2 ПВф(П, ). Параметры каждого из фильтров подстраиваются под соответствующие характеристики сигнала, чтобы обеспечить оптимальное накопление сигнала по дальности, углу (пространству), углу-дальности. Применение дополнительного адаптивного ПВ фильтра накопления повышает эффективность ПВ накопления сигнала на фоне шума. Количественно увеличение эффективности ПВ накопления можно оценить по коэффициенту накопления сигнала предлагаемого устройства, который определяется видомПВПВ,(3) 2 1 П- идеальный пространственный коэффициент накопления сигнала с П гдеП 2 1 П пространственным коэффициентом корреляции,2 1 В- идеальный временной коэффициент накопления сигнала с ВвременВ 2 1 В ным коэффициентом корреляции,1 П В 12- идеальный ПВ коэффициент накопления сигнала сПВП 1 П В 12 пространственно-временным коэффициентом корреляции. Например, при П 0,95, В 0,95 получимПВ 361 - коэффициент накопления без ПВ рециркулятора.ПВВП 6859 - коэффициент накопления с ПВ рециркулятором. Пример показывает, что ПВ рециркулятор дает увеличение коэффициента накопления на 13 дБ. На фигуре изображена структурная электрическая схема заявляемого пространственно-временного адаптивного когерентно-импульсного накопителя сигналов. Пространственно-временной адаптивный когерентно-импульсный накопитель сигналов содержит последовательно соединенные пространственный адаптивный накопитель,включающий минимум две приемные антенны 1, 2, опорный гетеродин 3, межканальные приемники 4, 5, сумматор 6, пространственную цепь адаптации со схемой перемножения 7, фильтром 8 и перемножителем 9 с комплектным пространственным весом, известный временной адаптивный накопитель, включающий сумматор 10, линию задержки на период повторения импульсов 11, перемножитель 12 с комплексным междупериодным весом В , временную цепь адаптации со схемой перемножения 13, схемой разности 14, фильтром 15 и перемножителем 12, и предлагаемый пространственно-временной адаптивный накопитель, включающий сумматор 16, линию задержки на период повторения импульсов 17, перемножитель 18 с комплексным ПВ весом,, ПВ цепь адаптации со схемой разности 19, схемой перемножения 20, фильтром 21 и перемножителем 18 с протранственно-временным весом, схему индикации результатов обработки сигнала 22. 4 17536 1 2013.10.30 Заявляемый пространственно-временной адаптивный когерентно-импульсный накопитель сигналов работает следующим образом. Принятые амплитуды когерентно-импульсных сигналов с пространственной, временной и пространственно-временной корреляцией на выходах приемников первого и второго каналов на промежуточной частоте определяется где 4, 5 - доплеровский набег фазы по дальности и углу. Межканальный пространственный адаптивный накопитель во втором канале имеет управляемый вескор 1 с коррекцией фазы кор 1, который обеспечивает в сумматоре 6 синфазное суммирование с межканальной компенсацией амплитуды сигнала. Пространственная цепь адаптации включает перемножитель и фильтр с передаточной характеристикой 1. Сигнал ошибки на выходе перемножителя 7 определяется П гдессП - пространственный комплексный коэффициент корреляции сигнала,-1 - сигнал на входе (-1) антенны, - сигнал на входеантенны, - коэффициент преобразования сигнала ошибки перемножителя 7,с 2 - мощность сигнала,сП - пространственный коэффициент корреляции сигнала,кор 1 - корректирующий набег фазы по пространству. Фильтр 8 определяет динамику (динамические и флуктуационные ошибки) автопод стройки межканального весакор 1 под пространственный комплексный коэффициП П ент корреляции сигналассП , т.е. импульсный сигнал ошибки запоминается на время межканальной разности прихода сигнала. На выходе фильтра будет напряжение, которое пропорционально межканальному комплексному весу. С выхода сумматора 6 пространственно-суммированный сигнал 1 поступает на временной адаптивный накопитель-рециркулятор. Для оптимального накопления (фильтрации) по дальности полезного сигнала на фоне шума комплексный временной вес накопленияВВ должен соответствовать комплексному временному весу корП В реляции сигналассВ . Поэтому на выходе дискриминатора временной цепи автоподстройки (на выходе перемножителя 13) формируется сигнал ошибки вида гдеВВ кор 2 - комплексный временной вес накопления. То есть определяется разностью между комплексным временным коэффициентом корреляции и комплексным временным весом накопления. Для полного использования свойств пространственно-временного сигнала с пространственно-временной корреляцией к выходу временного адаптивного накопителя подключается пространственно-временной накопитель-рециркулятор с пространственно-временнымвесом, который должен соответствовать комплексному пространственно-вреВ ПВ менному коэффициенту корреляцииссПВ . Для формирования соответствующего сигнала ошибки необходимо пространственную междуканальную разность сигналов с выхода схемы разности 19 умножить на сумму междупериодных сигналов с выхода временногорециркулятора, что позволяет получить требуемый сигнал ошибки ПВ- пространственно-временной вес для второго рециркулятора. где Полученный импульсный сигнал ошибки (7) фильтруется в схеме 21, на выходе которой напряжение пропорционально пространственно-временному весу корреляции сигнала. Проверка работоспособности (функционирования) заявляемого накопителя сигналов проведена путем компьютерного моделирования в программе -. Компьютерная модель состоит из последовательно включенных трех блоков блока пространственного адаптивного фильтра накопления, блока временного адаптивного фильтра накопления и блока пространственно-временного фильтра накопления. Полученный коэффициент накопления при моделировании адаптивной системы оказался ниже на 3 дБ по сравнению с идеальной системой без адаптации и превышает на 10 дБ коэффициент накопления прототипа. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность накопления полезного сигнала на фоне шума. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.