способ и устройство для измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта

Формула изобретения

1. Способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, заключающийся в том, что излучают на одной несущей частоте на ортогональных поляризациях радиосигналы, измеряют амплитуды и фазы ортогонально поляризованных составляющих отраженных от объекта радиосигналов, используя результаты измерений, соответствующие радиосигналам, излученным на ортогональных поляризациях, получают совокупность результатов измерений, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта, отличающийся тем, что ортогональные по структуре радиосигналы на одной несущей частоте излучают одновременно, принимают одновременно все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, выходные радиосигналы каждого соответствующего по поляризации канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов, измеряют параметры выходного радиосигнала каждого согласованного фильтра, определяющие соответствующие элементы поляризационной матрицы рассеяния объекта.

2. Устройство измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием-передача, два передатчика, синхронизатор, два генератора высокочастотных колебаний, два частотных фильтра, два смесителя, четыре согласованных фильтра, причем первый выход синхронизатора подключен к первым входам передатчиков, выходы которых через переключатели прием-передача подсоединены к соответствующим входам двухканальной по поляризации антенны, вторые выходы переключателей прием-передача через частотные фильтры подключены к первым входам соответствующих смесителей, вторые входы которых подключены к выходу первого генератора высокочастотных колебаний, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь ортогональных сигналов, четыре блока квадратурных фазовых детекторов и аналого-цифровой преобразователь, причем выход первого генератора высокочастотных колебаний подключен ко вторым входам передатчиков, к третьим входам передатчиков подключены соответствующие выходы формирователя ортогональных сигналов, к первому входу которого подключен первый выход синхронизатора, а ко второму входу подсоединен выход второго генератора высокочастотных колебаний, выход первого смесителя подключен ко входам двух согласованных фильтров, а выход второго смесителя подключен ко входам двух других согласованных фильтров, к первым входам блоков квадратурных фазовых детекторов подключен выход второго генератора высокочастотных колебаний, а ко вторым входам каждого блока фазовых детекторов подключен выход соответствующего согласованного фильтра, второй выход синхронизатора и выходы блоков квадратурных фазовых детекторов подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы которого являются выходами устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в оптической локации, а также в оптической и радионавигации.

Известен способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, заключающийся в том, что одновременно излучают на ортогональных поляризациях одинаковые по структуре радиосигналы на разных несущих частотах, принимают соответствующие излученным ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов. Одинаковые по поляризации составляющие отраженных радиосигналов, принятые каждым приемным каналом, разделяют за счет использования фильтров, настроенных на частоты, соответствующие частотам излученных сигналов, измеряют амплитуды и фазы каждой из выделенных ортогонально поляризованных составляющих отраженных сигналов и получают совокупность результатов измерений, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта [1, 2, 3].

Здесь и далее полагается, что структура радиосигнала определяется видом и параметрами его модуляции, т.е. следует понимать, что одинаковые по структуре радиосигналы имеют одинаковые параметры заданного вида модуляции.

К недостаткам известного способа относится методическая погрешность, которая предопределяет низкую точность измерения поляризационных матриц рассеяния объектов. Известно [1, 2, 3], что поляризационные матрицы рассеяния объектов существенно зависят от частоты. Поэтому измерение амплитуд и фаз ортогональных по поляризации составляющих отраженных от объекта радиосигналов, соответствующих элементам одного столбца поляризационной матрицы рассеяния объекта, на одной частоте, а амплитуд и фаз ортогональных по поляризации составляющих отраженных от объекта радиосигналов, соответствующих элементам другого, на другой частоте неизбежно приведет к ошибкам измерения матрицы рассеяния в целом. Покажем это на конкретном примере.

Известно, что нормированная диаграмма обратного вторичного излучения объекта, состоящего из двух "блестящих точек", определяется формулой



где L - расстояние между точками, - угол между направлением на источник излучения и нормалью к линии, соединяющей "блестящие точки".

Расчеты по этой формуле показывают, что при расстоянии между "блестящими точками", равном 15 м, ошибка в измерении амплитуды отраженного сигнала за счет разности между частотами облучения f₁=3 ГГц и f₂=3,003 ГГц может достигать (в зависимости от угла ) 100% от измеряемой величины. Аналогично можно показать, что ошибки измерения фаз элементов поляризационной матрицы рассеяния на разных частотах также определяются методом измерения при прочих равных условиях.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, заключающийся в том, что излучают на одной несущей частоте последовательно на ортогональных поляризациях одинаковые по структуре радиосигналы, после каждого излучения принимают обе ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, измеряют их амплитуды и фазы и за два последовательных излучения радиосигналов на разных поляризациях получают совокупность результатов измерений, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта [1, 2].

Недостатком указанного способа является методическая погрешность, обусловливающая низкую точность измерения поляризационных матриц рассеяния объектов с не постоянной в пространстве и во времени отражающей способностью. Непостоянство отражающей поверхности в пространстве характерно для любых форм реальных объектов, кроме сферической. Поэтому отражающая способность объекта может изменяться во времени за счет изменения ориентации объекта относительно радиолокатора, а также за счет изменения формы и размеров объекта или за счет применения специальных мер. При последовательном во времени способе измерения поляризационных матриц рассеяния таких объектов амплитуды и фазы ортогональных по поляризации составляющих отраженных радиосигналов, соответствующие элементам одного столбца этой матрицы, будут измерены в один момент времени, а амплитуды и фазы ортогональных по поляризации составляющих отраженных радиосигналов, соответствующие элементам другого, - в другой. Поскольку отражающая способность объекта изменяется за время между измерениями, то величины ошибок измерений в первом приближении будут пропорциональны интервалу времени между измерениями и скорости изменения отражающей способности объекта. Другим недостатком прототипа является большое время измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, достигающее двух периодов зондирования.

Способ, выбранный в качестве прототипа, может быть осуществлен с помощью устройства измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, включающего: две антенны ортогональных поляризаций, два антенных переключателя, коммутатор каналов, передатчик, гетеродин, два смесителя, два усилителя напряжений промежуточной частоты, два синхронных детектора, коммутатор принятых сигналов, блок измерения разности фаз, четыре линии постоянной задержки, одну линию переменной задержки, схему деления, синхронизатор и оконечное устройство. Причем первый выход синхронизатора непосредственно и через первую линию постоянной задержки подключен к первому входу передатчика и ко второму входу коммутатора каналов, выход передатчика подключен к первому входу коммутатора каналов, первый и второй выходы которого через антенные переключатели подключены к соответствующим антеннам, вторые выходы антенных переключателей подключены к первым входам первого и второго смесителей соответственно, а вторые входы смесителей подключены к соответствующим выходам гетеродина, выходы первого и второго смесителей через усилители напряжений промежуточной частоты подключены к первым входам первого и второго синхронных детекторов, вторые входы которых подключены ко второму выходу синхронизатора через линию переменной задержки, выход которой непосредственно подключен ко второму входу коммутатора принятых сигналов, кроме того, через вторую линию постоянной задержки подключен к третьим входам синхронных детекторов, к первым входам коммутатора принятых сигналов и оконечного устройства, выходы первого и второго синхронных детекторов подключены к третьему и четвертому входам коммутатора принятых сигналов, первый выход которого является первым выходом устройства и подключен ко вторым входам схемы деления и блока измерения разности фаз, а второй выход подключен к первым входам схемы деления и блока измерения разности фаз, выход схемы деления является третьим выходом устройства, а через третью линию постоянной задержки подключен к его второму выходу, выход блока измерения разности фаз является четвертым выходом устройства и через четвертую линию постоянной задержки подключен к пятому выходу устройства [2, 3].

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения поляризационных матриц рассеяния объектов из-за того, что амплитуды и фазы радиосигналов, соответствующих элементам одного столбца этой матрицы, измеряют в один момент времени, а амплитуды и фазы радиосигналов, соответствующие элементам другого столбца, - в другой.

В качестве прототипа выбрано наиболее близкое к предлагаемому техническому решению устройство измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, включающее двухканальную по поляризации антенну, два переключателя прием-передача, два передатчика, работающих на достаточно близких частотах, два генератора высокочастотных колебаний, четыре приемных канала, каждый из которых включает последовательно соединенные частотный фильтр, смеситель, усилитель напряжения промежуточной частоты (согласованный фильтр) и амплитудный детектор, два блока измерения разности фаз, три сумматора и синхронизатор. Причем выход синхронизатора подключен ко входам передатчиков, выходы которых через переключатели прием-передача подключены к соответствующим входам двухканальной по поляризации антенны, второй выход одного переключателя прием-передача подключен ко входам частотных фильтров первого и третьего приемных каналов, а другого переключателя прием-передача - ко входам частотных фильтров второго и четвертого приемных каналов, выход первого генератора высокочастотных колебаний подключен ко входам смесителей первого и второго приемных каналов, а выход второго генератора высокочастотных колебаний подключен ко входам смесителей третьего и четвертого приемных каналов, выходы согласованных фильтров первого и второго приемных каналов подключены к соответствующим входам первого блока измерения разности фаз, а выходы согласованных фильтров третьего и четвертого приемных каналов подключены ко входам второго блока измерения разности фаз, выход согласованного фильтра каждого из приемных каналов подключен ко входу соответствующего амплитудного детектора, выходы амплитудных детекторов первого и второго приемных каналов подключены через первый сумматор, а выходы амплитудных детекторов третьего и четвертого через второй сумматор подключены ко входам третьего сумматора, выходы первого и второго блоков измерения разности фаз, амплитудных детекторов четырех приемных каналов и третьего сумматора являются выходами устройства [2, 3]. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения поляризационных матриц рассеяния объектов, т. к. амплитуды и фазы ортогонально поляризованных компонентов отраженных от объектов радиосигналов, соответствующие элементам одного столбца поляризационной матрицы рассеяния, измеряют на одной частоте, а другого - на другой частоте.

В основу изобретений положена задача создать способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, который путем одновременного излучения на ортогональных поляризациях соответствующих ортогональных по структуре радиосигналов на одной несущей частоте позволил бы устранить методическую погрешность известных способов и тем самым повысить точность измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, а также сократить время ее измерения до значений, равных длительности зондирующего импульса.

Для решения поставленной задачи в способе измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, выбранном за прототип, заключающемся в том, что излучают на одной несущей частоте последовательно на ортогональных поляризациях одинаковые по структуре радиосигналы, после каждого излучения принимают обе ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, измеряют их амплитуды и фазы и за два последовательных излучения радиосигналов на разных поляризациях получают совокупность результатов измерений, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта, вместо последовательного излучения на ортогональных поляризациях одинаковых по структуре радиосигналов на одной несущей частоте производят одновременное излучение на ортогональных поляризациях соответствующих ортогональных по структуре радиосигналов на одной несущей частоте, одновременно принимают все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, выходные радиосигналы каждого, соответствующего по поляризации, канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов, измеряют параметры выходного радиосигнала каждого согласованного фильтра, определяющие соответствующий элемент поляризационной матрицы рассеяния объекта, и получают совокупность результатов измерений, которая определяет ее измеренное значение.

Характеристики согласованных фильтров могут быть описаны с помощью частотной либо временной функции отклика, которые связаны между собой преобразованием Фурье. В пространстве частот переходная функция согласованного фильтра Н() есть комплексно-сопряженная функция спектра сигнала, который должен быть обработан оптимальным образом. Соответствующая зависимость во временной области между сигналом, который должен быть обработан, и характеристикой согласованного фильтра получается в результате обратного преобразования Фурье Н(). Это приводит к тому, что импульсный отклик фильтра представляет собой обращенную во времени копию известной временной функции, описывающей сигнал [4].

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что производят одновременное излучение на ортогональных поляризациях соответствующих ортогональных по структуре радиосигналов на одной несущей частоте, одновременно принимают все четыре ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов, выходные радиосигналы каждого, соответствующего по поляризации, канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов, измеряют параметры выходного радиосигнала каждого согласованного фильтра, например, в виде его квадратурной составляющей, что позволяет устранить методическую погрешность известных способов и тем самым повысить точность измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта, а также сократить время ее измерения до значений, равных длительности зондирующего импульса.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. Объект одновременно облучают ортогональными по структуре радиосигналами на соответствующих ортогональных поляризациях на одной несущей частоте. Одновременно принимают все (четыре) ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов двумя, соответствующими по поляризации, каналами приемника. Для разделения ортогональных по структуре одинаково поляризованных составляющих отраженных радиосигналов, принятых соответствующим по поляризации каналом приемника, выходной радиосигнал каждого канала приемника подают на два фильтра, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов. Измеряют параметры выходного радиосигнала каждого согласованного фильтра, определяющие соответствующий элемент поляризационной матрицы рассеяния объекта. Одновременно в течение времени, равного длительности зондирующего радиосигнала, получают совокупность измерений параметров выходных радиосигналов четырех согласованных фильтров, которая определяет измеренное значение поляризационной матрицы рассеяния объекта.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на чертеже.

Предлагаемое устройство содержит: двухканальную по поляризации антенну 1, два переключателя прием-передача 2 и 3, два передатчика 4 и 5, формирователь ортогональных сигналов (ФОС) 6, генераторы высокочастотных колебаний 7 и 8, синхронизатор 9, два частотных фильтра 10 и 11, два смесителя 12 и 13, согласованные фильтры (СФ) 14, 15, 16, 17, блоки квадратурных фазовых детекторов (БКФД) 18, 19, 20, 21 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 22.

Каждый блок квадратурных фазовых детекторов состоит из двух фазовых детекторов, на сигнальные входы которых подается один и тот же радиосигнал, а опорное напряжение подается на вход одного непосредственно, а на вход другого со сдвигом фаз на 90 градусов относительно первого. Такой блок выдает два напряжения в квадратуре: пропорциональные произведениям амплитуд на косинус и на синус разности фаз между сигнальным и опорным напряжениями, поступающими на его входы. Остальные элементы, входящие в устройство, являются известными.

Первый выход синхронизатора 9 подключен к первым входам передатчиков 4 и 5 и к первому входу ФОС 6. Ко вторым входам передатчиков 4 и 5 подключен выход генератора высочастотных колебаний 7. К третьим входам передатчиков 4 и 5 подключены первый и второй выходы ФОС 6 соответственно. Выходы передатчиков 4 и 5 через соответствующие переключатели прием-передача 2 и 3 подключены к первому и второму входам двухканальной по поляризации антенны 1. Вторые выходы переключателей прием-передача 2 и 3 через соответствующие частотные фильтры 10 и 11 подключены к первым входам смесителей 12 и 13 соответственно, ко вторым входам которых подключен выход генератора высокочастотных колебаний 7. Выход смесителя 12 через СФ 14 подключен ко второму входу БКФД 18, а через СФ 15 - ко второму входу БКФД 19. Выход смесителя 13 через СФ 16 подключен ко второму входу БКФД 20, а через СФ 17 - ко второму входу БКФД 21. Выход генератора высокочастотных колебаний 8 подключен ко второму входу ФОС 6 и к первым входам БКФД 18, 19, 20, 21. Второй выход синхронизатора 9, а также выходы БКФД 18, 19, 20, 21 подключены к соответствующим входам АЦП 22, выходы которого является выходами устройства.

Отличительными признаками заявляемого устройства является то, что дополнительно введены формирователь ортогональных сигналов, четыре блока квадратурных фазовых детекторов и аналого-цифровой преобразователь, причем выход первого генератора высокочастотных колебаний подключен ко вторым входам передатчиков, к третьим входам которых подключены соответствующие выходы формирователя ортогональных сигналов, к первому входу которого подключен первый выход синхронизатора, а ко второму входу подсоединен выход второго генератора высокочастотных колебаний, выход первого смесителя подключен к двум согласованным фильтрам с ортогональными переходными функциями, а выход второго смесителя - к двум другим согласованным фильтрам с ортогональными переходными функциями, к первым входам блоков квадратурных фазовых детекторов подключен выход второго генератора высокочастотных колебаний, а ко вторым входам каждого блока фазовых детекторов подключен выход соответствующего согласованного фильтра; второй выход синхронизатора и выходы блоков квадратурных фазовых детекторов подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, выходы которого являются выходами устройства.

Устройство работает следующим образом. Генератор высокочастотных колебаний 8 вырабатывает гармоническое напряжение промежуточной частоты, которое поступает на второй вход ФОС 6. ФОС по синхронизирующему импульсу, поступающему на его первый вход с первого выхода синхронизатора 9, вырабатывает два сложномодулированных радиосигнала S₁ и S₂ и таких, что их взаимная временная корреляционная функция равна нулю (практически достаточно мала). В частности, в качестве таких ортогональных радиосигналов могут быть использованы две М-последовательности, сдвинутые относительно друг друга на половину периода. При соответствующем подборе сдвига фаз заполнения в соседних парциальных импульсах М-последовательности можно добиться практически нулевой взаимной корреляции. Сформированные на промежуточной частоте ортогональные радиосигналы S₁ и S₂ поступают на третьи входы соответствующих передатчиков 4 и 5, на вторые входы которых подаются высокочастотные колебания от генератора 7. В передатчиках осуществляется перенос поступающих колебаний на несущую частоту и усиление полученных радиосигналов по мощности. Импульсы синхронизатора 9, поступающие на первые входы передатчиков 4 и 5, обеспечивают их синхронную работу. Выходные радиосигналы передатчиков 4 и 5 через переключатели прием-передача 2 и 3 подводятся к соответствующим ортогональным по поляризации каналам двухканальной по поляризации антенны 1, которая одновременно излучает их в направлении объекта.

При приеме каждым каналом антенны принимается сумма двух ортогональных по структуре составляющих отраженных сигналов: основного по поляризации компонента для данного канала и перекрестного по поляризации компонента для канала, ортогонального первому. Эти суммы сигналов через переключатели прием-передача 2 и 3 и соответствующие частотные фильтры 10 и 11 подаются на входы смесителей 12 и 13 соответственно. Поскольку в смесителях в качестве напряжений гетеродина используются колебания высокочастотного генератора 7, то частота радиосигнала на выходе каждого из них, с точностью до частоты Доплера, будет равна частоте, вырабатываемой генератором высокочастотных колебаний 8. Выход каждого смесителя подключен ко входам двух фильтров, каждый из которых согласован с соответствующим радиосигналом, вырабатываемым ФОС 6. Это позволяет на выходах согласованных фильтров 14, 15, 16, 17 одновременно получить четыре радиосигнала, соответствующих четырем ортогонально поляризованным составляющим отраженных от объекта радиосигналов, которые определяют поляризационную матрицу рассеяния объекта. Выходные напряжения каждого из согласованных фильтров подаются на вторые входы соответствующих БКФД 18, 19, 20, 21, на первые входы которых в качестве опорного подается напряжение промежуточной частоты, вырабатываемое генератором высокочастотных колебаний 8. Последнее позволяет учесть случайные начальные фазы передатчиков. Каждый БКФД имеет два выхода. По первому выходу выдается напряжение, пропорциональное произведениям амплитуд на косинус, а по второму - на синус разности фаз колебаний, поступающих на входы БКФД. Аналого-цифровой преобразователь 22 производит измерение напряжений сигналов, поступающих с выходов БКФД, осуществляя оцифровку их значений. По сигналам со второго выхода синхронизатора 9 измеренные значения амплитуд квадратурных составляющих, определяющих измеренные значения элементов поляризационной матрицы рассеяния объекта, выдаются потребителю, которым, в частности, может быть спецвычислитель.

Использование предлагаемых изобретений позволяет повысить точность измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта и одновременно сократить время ее измерения до значений, равных длительности зондирующего импульса.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Хойнен. Измерение матрицы рассеяния цели. ТИИЭР, т. 53, 8, 1965, с. 1074-1084.

2. Д. Б. Канарейкин, М.В. Павлов, В.А. Потехин. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. Радио, 1966, с. 118-124, 282-293.

3. Д.Б. Канарейкин, В.А. Потехин, И.Ф. Шишкин. Морская поляриметрия. Ленинград: изд-во Судостроение, 1968, с. 78-85.

4. Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. М.: Сов. радио, 1971, с. 15.