ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ КОРРЕЛЯТОР

Название	ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ КОРРЕЛЯТОР
Разработчик (Авторы)	Гелесев А.И., Гурский С.М., Ювченко И.В., Чесноков Ю.С.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2133077
Дата регистрации	10.07.1997
Правообладатель	Московское высшее училище радиоэлектроники ПВО
Область применения (класс МПК)	H04B 1/06 (1995.01) H04B 1/10 (1995.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области пространственно-временной обработки сигналов в радиотехнических устройствах и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС).

Известен пространственно-временной коррелятора [1, рис. 1.2], который для одной координаты содержит n управляемых линий задержки (ЛЗ), (n+1) преобразователей частоты, где n - количество приемных каналов, сумматор и интегратор, вход которого соединен с выходом (n+1)-го преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом опорного сигнала пространственно-временного коррелятора, а второй - с выходом сумматора, i-й вход которого соединен с выходом i-го  преобразователя частоты, первый вход которого соединен с i-м входом весовой функции ω_i(t) пространственно-временного коррелятора, а второй вход - с выходом i-й управляемой ЛЗ, вход которой соединен с i-м входом пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора.

Основным недостатком такого коррелятора является то, что при широкоугольном сканировании управляемые ЛЗ в каждом канале невозможно использовать из-за недопустимого удорожания антенны и конструктивных неудобств, связанных с большой общей длиной переключаемых кабелей. Например, при сканировании в секторе углов θ = 60^o максимальная длина переключаемых кабелей лишь незначительно отличается от размера раскрыва антенны [2, с. 68].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится пространственно-временной коррелятор [3, рис. 1.2], который для одной координаты содержит n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ - угол, характеризующий направлении прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, сумматор, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого  соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, второй вход преобразователя частоты соединен с выходом сумматора, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го смесителя, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное направление приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя.

Недостатком данного пространственно-временного коррелятора является то, что при обработке широкополосного сигнала не выполняются условия факторизации его пространственно-временной структуры [4, с. 25-26] и происходит улучшение отношения сигнал-шум на его выходе.

Целью изобретения является повышение отношения сигнал-шум на выходе пространственно-временного коррелятора при обработке широкополосных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в пространственно-временной коррелятора, содержащий n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ - угол, характеризующий направление прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого  соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное напряжение приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя, введены n дисперсионных фазовращателей и блок сумматоров, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты, i-я группа входов блока сумматоров по m входов в каждой группу, где m - количество интервалов спектра, на которые разбивается широкополосный сигнал, соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей, причем каждый блок дисперсионных фазовращателей содержит m фазовращателей и m фильтров, входы которых объединены и соединены с входом блока, j-й выход которого  соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра, причем блок сумматоров содержит n m -входовых сумматоров и один n - входовой сумматор, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m - входового сумматора, m входов каждого из которых соединены с соответствующими входами блока всех n - групп входов, выход которого соединен с выходом n-входового сумматора.

Введение в пространственно-временной коррелятор n дисперсионных фазовращателей и блока сумматоров позволяет повысить на его выходе отношение сигнал-шум при обработке широкополосного сигнала. В других технических решениях отсутствуют подобные существенные признаки в их общей совокупности, приводящие к достижению обеспечиваемого технического результата.

На фиг. 1 представлена схема пространственно-временного коррелятора, на фиг. 2 - схема блока фазовращателей, на фиг. 3 - схема блока дисперсионных фазовращателей, на фиг. 4 - схема блока сумматоров.

Пространственно-временной коррелятор фиг. 1 содержит n смесителей 1, n дисперсионных фазовращателей 2, n регулируемых усилителей 3, блок 4 фазовращателей, блок 5 сумматоров, преобразователь 6 частоты и интегратор 7, вход которого соединен с выходом преобразователя 6 частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого соединен с первым входом i-го смесителя 1_i соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя 3_i, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока 4 фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, выход блока 5 сумматоров соединен с вторым входом преобразователя 6 частоты, i-я группа входов блока 5 сумматоров по m входов в каждой группе соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей 2_i, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей 1_i.

Блок 1 фазовращателей (фиг. 2) содержит n фазовращателей 8, входы которых объединены и соединены с входом блока 4, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя 8_i.

Блок 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3) содержит m фазовращателей 10 и m фильтров 9, входы которых объединены и соединены с входом блока 2, j-й выход которого соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя 10_j, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра 9_j.

Блок 5 сумматоров содержит n m-входовых сумматоров 11 и один n-входовой сумматор 12, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m-входового сумматора 11_i, m входов которого соединены с соответствующими m входами блока 2 каждого из n m-входовых сумматоров, выход блока 2 соединен с выходом n-входового сумматора 12.

Пространственно-временной коррелятор работает следующим образом.

Большинство тактико-технических характеристик РЛС количественно определяется величиной отношения сигнал-шум на входе приемника. Чем больше это отношение, тем выше вероятность правильного обнаружения, точность оценки параметров при измерении и разрешающая способность РЛС [5]. Для улучшения соотношения сигнал-шум необходимо увеличить энергию излучаемого сигнала и применить оптимальную пространственно-временную обработку. При этом наиболее простой является раздельная обработка принимаемых сигналов, выполняемая в два независимых этапа: на первом этапе - пространственная, а на втором - временная обработка. В результате пространственной обработки происходит переход от многих пространственных каналов к одному пространственному каналу, формирование диаграммы направленности антенны с максимумом в направлении, совпадающем к ожидаемому направлению прихода отраженного сигнала. Пространственная обработка позволяет максимизировать отношение сигнал-шум на выходе коррелятора по угловым координатам α и β, а временная обработка - по параметрам τ и f_D, где τ - соответствует задержке сигнала, а f_D - допплеровская частота. Однако раздельная пространственно-временная обработка возможна только при выполнении условия разделимости [3]
L•Δf_c/c ≪ 1, (1)
где L - максимальный размер антенны;
Δf_c - ширина спектра принимаемого сигнала;
c - скорость распространения электромагнитных колебаний.

И, если соотношение

можно представить в виде произведения двух функций, одна из которых зависит от α и β а другая - от τ и f_D, где n - количество приемных каналов;
 сигнал на i-м входе коррелятора;
S_oi(t) - опорный (ожидаемый полезный) сигнал, подаваемый на коррелятор;
Δα, Δβ - угловая расстройка опорного сигнала по отношению направления прихода отраженного сигнала.

Пространственная обработка в пространственно-временном корреляторе (фиг. 1) заключается в выравнивании фаз сигналов r_i, принимаемых с заданного направления и поступающих на первый вход соответствующих смесителей 1. При обработке узкополосных сигналов временным сдвигом между наиболее удаленными излучателями можно пренебречь, так как время запаздывания сигнала τ_зап намного меньше величины, обратной ширине спектра Δf_c, т.е.

А выравнивание фаз в этом случае осуществляет путем умножения принимаемого сигнала r_i в каждом канале РЛС на соответствующий фазовый множитель Exp{ji, Δϕ(α,β)}. Эта операция выполняется в каждом смесителе 1, на вторые входы которых подаются опорные напряжения управляемого местного гетеродина, предварительно пропущенного через фазовращатели 8 (фиг. 2) блока 4 фазовращателей и регулируемые усилители 3 (фиг. 1). Сфазированные входные сигналы можно когерентно суммировать.

При обработке широкополосного сигнала условие (3) не выполняется, а

За счет неодинакового набега фаз Δϕ_i для различных спектральных составляющих произвольные участки спектра пронимаемого сигнала суммировать когерентно уже невозможно, а набег фаз определяется выражением
Δϕ_i = 2π(f₀+Δf_i)τ_зап,
где f_o - несущая частота сигнала;
Δf_i - участок ширины спектра сигнала, для которого выполняется условие узкополосности.

При обработке узкополосного сигнала Δf_i стремится к нулю, Δϕ_i = 2πf₀τ_запi одинаковые для всех излучателей, а принимаемые сигналы суммируются когерентно.

Однако, если широкополосный сигнал, принимаемый от каждого излучателя, разделить на m участков

где  участок ширины спектра сигнала, для которого выполняется условие (3) узкополосности (для узкополосного сигнала m=1),
то можно сфазированные на каждом участке сигналы когерентно суммировать.

Разделение широкополосного сигнала на m участков осуществляется с помощью введенных блоков 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3), сигналы на входы которых поступают с соответствующих смесителей 1 (фиг. 1). В блоках 2 дисперсионных фазовращателей фаза ϕ(t) сигнала изменяется в зависимости от частоты принимаемого сигнала по следующему закону
ϕ(t) = 2πfτ_зап,
где f - спектральная составляющая принимаемого сигнала.

Для разделения широкополосного сигнала на m участков полоса пропускания каждого из m фильтров блока 2 дисперсионных фазовращателей (фиг. 3) определяется условием (3) узкополосности каждого участка. На выходе каждого блока 2 дисперсионных фазовращателей фаза принимаемого сигнала изменяется таким образом, что все спектральные составляющие широкополосного сигнала, поступающие на n групп входов m входов в каждой группе блока 5 сумматоров, суммируются когерентно.

С выходов блока 5 сумматоров (фиг. 1) сигнал поступает на второй вход преобразователя 6 частоты, на первый вход которого поступает ожидаемый полезный сигнал, а с его выхода - на вход интегратора 7. С помощью преобразователя частоты 6 и интегратора 7 производится временная обработка принимаемых сигналов, которая заключается в вычислении корреляционного интегратора произведения сумма сфазированного входного сигнала и ожидаемого полезного сигнала. При этом в предлагаемом пространственно-временном корреляторе осуществлена оптимальная обработка сигналов, а, следовательно, повышается отношение сигнал-шум на его выходе.

Для независимого управления по обеим угловым координатам к каждому смесителю коррелятора нужно подвести гетеродинное напряжение, прошедшее через две секции фазовращателей. Однако можно ставить один фазовращатель, но закон управления им усложняется.

Таким образом, за счет введения в пространственно-временной коррелятор m блоков дисперсионных фазовращателей и блока сумматоров производится дополнительное выравнивание фаз широкополосного сигнала и, как следствие, значительно повышается отношение сигнал-шум при обработке принимаемых широкополосных сигналов.

Формула изобретения

1. Пространственно-временной коррелятор, содержащий n регулируемых усилителей с коэффициентом передачи f_i(ϕ), где ϕ -угол, характеризующий направление прихода фронта волны полезного сигнала в угломестной или азимутальной плоскости, n смесителей, где n - количество приемных каналов, блок фазовращателей, преобразователь частоты и интегратор, вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, первый вход которого соединен с входом ожидаемого полезного сигнала пространственно-временного коррелятора, i-й вход принимаемого сигнала которого  соединен с первым входом i-го смесителя соответственно, второй вход которого соединен с выходом соответствующего i-го регулируемого усилителя, вход которого соединен с соответствующим i-м выходом блока фазовращателей, вход которого соединен с входом управляемых местных гетеродинных напряжений пространственно-временного коррелятора, выход которого соединен с выходом интегратора, причем блок фазовращателей содержит n фазовращателей для настройки на заданное направление приема, входы которых объединены и соединены с входом блока, i-й выход которого соединен с выходом соответствующего i-го фазовращателя, отличающийся тем, что в него введены n дисперсионных фазовращателей и блок сумматоров, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты, i-я группа входов блока сумматоров по m входов в каждой группе, где m - количество интервалов спектра, на которые разбивается широкополосный сигнал, соединена с соответствующими выходами соответствующих i-х дисперсионных фазовращателей, входы которых соединены с выходами соответствующих i-х смесителей.

2. Коррелятор по п.1, отличающийся тем, что каждый блок дисперсионных фазовращателей содержит m фазовращателей и m фильтров, входы которых объединены и соединены с входом блока, j-й выход которого  соединен с выходом соответствующего j-го фазовращателя, вход которого соединен с выходом соответствующего j-го фильтра.

3. Коррелятор по п.1, отличающийся тем, что блок сумматоров содержит n m-входовых сумматоров и один n-входовой сумматор, i-й вход которого соединен с выходом соответствующего i-го m-входового сумматора, m входов каждого из которых соединены с соответствующими входами блока всех n групп входов, выход которого соединен с выходом n-входового сумматора.

Изобретение "ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ КОРРЕЛЯТОР" (Гелесев А.И., Гурский С.М., Ювченко И.В., Чесноков Ю.С.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога