RU2629015C1 - Method and device of selection of quadrature components of reflected electromagnetic wave in to-and-fro motion or target vibration - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: in the method of isolating the quadrature components of the reflected electromagnetic wave in the to-and-fro motion or vibration, the homodyne reception of the of reflected target signal is performed, and the quadrature components of the obtained low-frequency signal are separated by narrowband low-frequency filters tuned to the neighboring harmonics of the of reflected target signal with the harmonic phase-modulated signal. The method is realized by means of a device for isolating the quadrature components of a reflected electromagnetic wave during to-and-fro motion or target vibration performed in a certain way.

EFFECT: simplification of the way to isolate the quadrature components of the reflected electromagnetic wave in the to-and-fro motion or target vibration, increasing its sensitivity and reducing the cost of its implementation.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиолокационных и лазерных измерений и касается вопросов определения параметров отражения и сигнатур для самолетов, судов и наземных транспортных средств.The invention relates to the field of radar and laser measurements and concerns the determination of reflection parameters and signatures for aircraft, ships and land vehicles.

Исследования доплеровского изменения частоты радиолокационных сигналов, отраженных сложной целью, показывают, что спектры таких сигналов содержат доплеровские спектральные составляющие от вращающихся (колеблющихся) частей цели, лопаток реактивных турбин или винтов самолета. Данное явление подробно исследовано [Слюсарь Н.М. Эффект вторичной модуляции радиолокационных сигналов». Минск: ВА РБ, 2005]. Оно получило название «турбинной» («пропеллерной») модуляции и широко используется для распознавания целей [Небабин в.г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М., Радио и связь, 1984].Studies of the Doppler frequency variation of radar signals reflected by a complex target show that the spectra of such signals contain Doppler spectral components from rotating (oscillating) parts of the target, blades of jet turbines or aircraft propellers. This phenomenon has been investigated in detail [N. Slyusar. The effect of secondary modulation of radar signals. " Minsk: VA RB, 2005]. It is called “turbine” (“propeller”) modulation and is widely used for target recognition [Nebabin V.G., Sergeev V.V. Methods and techniques of radar recognition. M., Radio and communications, 1984].

Лазерная виброметрия возникла в последние два десятилетия как современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность дистанционного бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров; возможность измерений без предварительной подготовки поверхности объекта и оперативное измерение вибраций в различных точках объекта в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т.д.). В настоящее время использование лазерных виброметров позволяет строить «вибрационный портрет» (сигнатуру) исследуемого объекта [патент США N7193720, G01B 9/02, 20.03.2007].Laser vibrometry has emerged in the past two decades as a modern, qualitatively new level of measuring the parameters of mechanical vibrations of objects. The unique physical features of laser methods determine many of their advantages. This is the possibility of remote non-contact measurement of vibration and the absence of influence on the resonance properties of objects, including microscopic sizes; the possibility of measurements without preliminary preparation of the surface of the object and the operational measurement of vibrations at various points of the object in a hazardous area for personnel (chemically aggressive, with high temperature, radiation, etc.). Currently, the use of laser vibrometers allows you to build a "vibrational portrait" (signature) of the studied object [US patent N7193720, G01B 9/02, 03/20/2007].

Недостатком известного технического решения является сложность и техническая насыщенность реализуемой аппаратуры.A disadvantage of the known technical solution is the complexity and technical richness of the equipment sold.

Возвратно-поступательное движении цели для доплеровской селекции отраженного объектом сигнала на фоне мешающих отражений от местных предметов используют радиолокационные измерительные стенды [Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М., Советское радио, 1972].The reciprocating movement of the target for Doppler selection of the signal reflected by the object against the background of interfering reflections from local objects using radar measuring stands [Mayzels EN, Torganov VA Measuring the dispersion characteristics of radar targets. M., Soviet Radio, 1972].

Недостатком известного технического решения является громоздкость реализуемой аппаратуры.A disadvantage of the known technical solution is the bulkiness of the equipment sold.

Для когерентных измерений, позволяющих определять положение фазового центра отражения цели, использовалась подобная радиолокационная установка, где возвратно-поступательное движение вместе с целью совершал и калибровочный отражатель, мощность генератора делилась пополам и цель с калибровочными отражателем облучались синхронно (одновременно) в двух раздельных камерах через разные антенны [изобретение СССР, №327417, G01R 25100, 28.01.72].For coherent measurements, allowing to determine the position of the phase center of reflection of the target, a similar radar installation was used, where the reciprocating movement together with the target was made by the calibration reflector, the generator power was divided in half and the target with the calibration reflector was irradiated synchronously (simultaneously) in two separate cameras through different antennas [invention of the USSR, No. 327417, G01R 25100, 01/28/72].

Недостатком известного технического решения является громоздкость и высокая стоимость реализуемой аппаратуры.A disadvantage of the known technical solution is the bulkiness and high cost of the equipment sold.

Для упрощения когерентных измерений (устранения вышеописанных калибровочного отражателя и второго комплекта оборудования) используются установки с высокостабильным генератором, меньшая часть сигнала с которого ответвляется в приемник, делится пополам и одна половина сдвигается по фазе на 90° (опорные сигналы - синфазный и квадратурный). Принятый от цели сигнал также делится пополам и смешивается в квадратурном детекторе с опорными сигналами. В результате на выходе получаются синфазный и квадратурный видеосигналы, несущие информацию как об амплитуде принятого сигнала, так и о положении фазового центра цели [Финкельштейн М.Н. Основы радиолокации. М., Радио и связь, 1983].To simplify coherent measurements (eliminate the above-described calibration reflector and the second set of equipment), devices with a highly stable generator are used, a smaller part of the signal from which branches into the receiver, is divided in half and one half is phase-shifted by 90 ° (reference signals are in-phase and quadrature). The signal received from the target is also halved and mixed in the quadrature detector with the reference signals. As a result, in-phase and quadrature video signals are obtained that carry information both about the amplitude of the received signal and about the position of the phase center of the target [M. Finkelshtein Basics of radar. M., Radio and communications, 1983].

Недостатком известного технического решения является деление принятого сигнала пополам в реализуемой аппаратуре, что приводит к снижению чувствительности.A disadvantage of the known technical solution is the division of the received signal in half in the equipment being sold, which leads to a decrease in sensitivity.

Использование гомодинного приема (когда в качестве гетеродина служит основной генератор излучения, часть мощности которого ответвляется в приемник) позволяет эффективно распознавать свои самолеты, используя комбинированную технологию разделения синфазной и квадратурной компонент для радиоответчиков с модулированным обратным отражением [патент США N5784686, Н03С 1/52, 21.07.1998]. При этом модуляция может быть как электронная, так и механическая (возвратно-поступательное движение специального отражателя, вращение винтов или турбин).The use of homodyne reception (when the main radiation generator is used as the local oscillator, part of the power of which is branched into the receiver) allows you to efficiently recognize your aircraft using the combined separation technology of in-phase and quadrature components for modulated retroreflective radios [US Pat. July 21, 1998]. In this case, the modulation can be either electronic or mechanical (reciprocating movement of a special reflector, rotation of screws or turbines).

Недостатком известного технического решения является деление принятого сигнала пополам в реализуемой аппаратуре, что приводит к снижению чувствительности.A disadvantage of the known technical solution is the division of the received signal in half in the equipment being sold, which leads to a decrease in sensitivity.

Наиболее близким и принятым за прототип к предлагаемому изобретению является процессор обработки данных и устройство сжатия данных для разделения квадратурных компонент для радара с синтезированной апертурой [патент США N3680103, G01S 7/30, 25.07.1972].The closest and adopted as a prototype to the present invention is a data processor and data compression device for separating quadrature components for a synthetic aperture radar [US patent N3680103, G01S 7/30, 07.25.1972].

Принятый когерентный сигнал после высокочастотной части приемника делится пополам и подается на перемножители вместе с опорными сигналами высокостабильного гетеродина частотой f_LO - синфазным COS и квадратурным SIN. После этого видеосигналы выделяются в полосовых фильтрах (настроенных на разностную частоту f₀-f_LO) - в COS-канале и SIN-канале. Затем в сумматорах осуществляется уплотнение полученных данных и выполняется их обработка в корреляторе. Полученные результаты отображаются на дисплее и записываются в запоминающее устройство.The received coherent signal after the high-frequency part of the receiver is divided in half and fed to the multipliers together with the reference signals of a highly stable local oscillator with a frequency f _LO - in-phase COS and quadrature SIN. After that, the video signals are allocated in band-pass filters (tuned to the difference frequency f ₀ -f _LO ) - in the COS channel and SIN channel. Then, in the adders, the obtained data are compressed and processed in the correlator. The results are displayed on the display and recorded in the storage device.

Недостатками известного технического решения является наличие дополнительного высокостабильного гетеродина, усложняющего реализуемую аппаратуру, а также деление принятого сигнала пополам, что приводит к снижению чувствительности.The disadvantages of the known technical solution is the presence of an additional highly stable local oscillator, complicating the equipment sold, as well as dividing the received signal in half, which leads to a decrease in sensitivity.

В случае вибрации или возвратно-поступательного движения исследуемого объекта появляется возможность существенно упростить схему построения COS- и SIN-каналов для получения квадратурных компонент отраженного радиолокационного или лазерного сигналов.In case of vibration or reciprocating movement of the object under study, it becomes possible to significantly simplify the construction of COS and SIN channels to obtain quadrature components of the reflected radar or laser signals.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение способа выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, а также повышение его чувствительности и снижение стоимости его реализации.The objective of the proposed technical solution is to simplify the method of selecting quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target, as well as increasing its sensitivity and reducing the cost of its implementation.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели осуществляется гомодинный прием отраженного целью сигнала и имеются следующие отличия: разделение квадратурных компонент полученного низкочастотного сигнала осуществляется узкополосными низкочастотными фильтрами, настроенными на соседние спектральные составляющие отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for isolating the quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target, the signal reflected by the target is homodyne and there are the following differences: the quadrature components of the obtained low-frequency signal are separated by narrow-band low-pass filters tuned to adjacent spectral components harmonic phase modulated signal reflected by the target.

Заявляемый способ реализуется при помощи заявляемого устройства для выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, включающего антенну, подключенную к приемопередатчику, и два полосовых фильтра с подключенными к их выходам регистрирующими устройствами, имеющего следующие отличия: сигнал с выхода приемопередатчика поступает на перемножитель и на него же в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной с передатчика энергии, а с выхода перемножителя разностный сигнал подается на настроенные на соседние гармоники отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией узкополосные низкочастотные фильтры.The inventive method is implemented using the inventive device for highlighting the quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target, including the antenna connected to the transceiver, and two band-pass filters with recording devices connected to their outputs, having the following differences: signal from the output of the transceiver arrives at the multiplier and part of the energy branched from the transmitter is supplied to it as a reference signal, and from the output of the multiplier the difference signal is applied to the narrow-band low-pass filters tuned to the adjacent harmonics of the target-reflected signal with harmonic phase modulation.

А также в заявляемом устройстве вместо полосовых фильтров к выходу перемножителя подключено сразу устройство регистрации, а полосовая фильтрация соседних гармоник отраженного целью сигнала выполняется цифровыми методами.And also in the inventive device, instead of band-pass filters, a recording device is connected immediately to the output of the multiplier, and band-pass filtering of neighboring harmonics of the reflected signal from the target is performed by digital methods.

Заявляемое техническое решение основано на выделении полосовыми фильтрами низкочастотных компонент сигнала, сдвинутых на 90 градусов. Спектр электромагнитного сигнала, рассеянного вибрирующим объектом или объектом, совершающим возвратно-поступательного движение, представляет собой совокупность гармоник частоты вибрации (на Фиг. 1 период возвратно-поступательного движения равен 1-й секунде). Число линий в спектре определяется соотношением амплитуды движения и длины волны электромагнитного излучения колебаний (на Фиг. 1 амплитуда вибрации равна длине волны). При этом начальные фазы соседних гармоник отличаются на 90 градусов [Кобак В.О. К вопросу о спектре колебания с гармонической фазовой модуляцией. Электросвязь, 1969, №7]. Для увеличения соотношения сигнал/шум выделяются максимальные соседние гармоники; как следует из Фиг. 1, при равенстве амплитуды вибрации и длины волны, это 10-я и 11-я гармоники. Для их разделения по частоте достаточно применения полосовых фильтров с шириной полосы не более 5%.The claimed technical solution is based on the allocation of band-pass filters of the low-frequency components of the signal shifted by 90 degrees. The spectrum of an electromagnetic signal scattered by a vibrating object or an object making a reciprocating motion is a set of harmonics of the vibration frequency (in Fig. 1, the period of the reciprocating motion is equal to 1 second). The number of lines in the spectrum is determined by the ratio of the amplitude of motion and the wavelength of the electromagnetic radiation of the vibrations (in Fig. 1, the vibration amplitude is equal to the wavelength). In this case, the initial phases of neighboring harmonics differ by 90 degrees [Kobak V.O. On the question of the spectrum of oscillations with harmonic phase modulation. Telecommunications, 1969, No. 7]. To increase the signal-to-noise ratio, maximum neighboring harmonics are allocated; as follows from FIG. 1, with equal vibration amplitudes and wavelengths, these are the 10th and 11th harmonics. For their separation by frequency, it is sufficient to use bandpass filters with a bandwidth of not more than 5%.

В устройство для выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели (Фиг. 2) входит антенна, подключенная к приемопередатчику, и два полосовых фильтра с подключенными к их выходам регистрирующими устройствами. Сигнал с выхода приемопередатчика поступает на перемножитель и на него же в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной с передатчика энергии, а с выхода перемножителя разностный сигнал подается на настроенные на соседние гармоники отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией узкополосные низкочастотные фильтры.The device for isolating the quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target (Fig. 2) includes an antenna connected to a transceiver and two band-pass filters with recording devices connected to their outputs. The signal from the output of the transceiver is fed to the multiplier and part of the energy branched from the transmitter is supplied to it as the reference signal, and from the output of the multiplier the difference signal is fed to the narrow-band low-pass filters tuned to the neighboring harmonics of the target-reflected signal with harmonic phase modulation.

На фиг. 2 и фиг. 3 указаны следующие элементы схем:In FIG. 2 and FIG. 3 shows the following circuit elements:

1 - радио(оптико)локационный приемопередатчик;1 - radio (optical) location transceiver;

2А - COS-канал;2A - COS channel;

2В - SIN-канал;2B - SIN channel;

3 - перемножитель;3 - multiplier;

4а - полосовой фильтр нижней гармоники;4a - bandpass filter of the lower harmonic;

4b - полосовой фильтр верхней гармоники;4b is a band pass filter of the upper harmonic;

5, 5а, 5b - АЦП;5, 5a, 5b - ADC;

6 - модуль сжатия данных (контроллер);6 - data compression module (controller);

7 - компьютер.7 - computer.

Предлагаемый способ реализуется с помощью предлагаемого устройства следующим образом.The proposed method is implemented using the proposed device as follows.

Заявляемое изобретение устройство имеет радио(оптико)локационный приемопередатчик 1 (фиг. 2), сигнал с которого поступает на единственный перемножитель 3, на который в качестве опорного сигнала подается часть ответвленной несущей с приемопередатчика 1 (гомодинный прием) частотой f₀. Разностный сигнал с перемножителя 3 подается на узкополосные низкочастотные полосовые фильтры нижней и верхней гармоник 4а и 4b соответственно (для случая, приведенного на фиг. 1, центральные частоты равны 10 Гц и 11 Гц соответственно, а полоса 5%). К выходам полосовых фильтров 4а и 4b подключены цифровые средства регистрации АЦП 5а и 5b, формирующие вместе с фильтрами COS-канал 2А и SIN-канал 2В соответственно. Сигналы из этих каналов (2А и 2В) обрабатываются модулем сжатия данных (контроллером) 6 для передачи в компьютер 7. При низкочастотных вибрациях или возвратно-поступательном движении полосовые фильтры 4а и 4b настраиваются на частоты не более 20 кГц, а в качестве АЦП 5а и 5b и модуля сжатия данных 6 может быть использована звуковая карта персонального компьютера 7.The claimed invention, the device has a radio (optical) location transceiver 1 (Fig. 2), the signal from which is fed to a single multiplier 3, to which, as a reference signal, a portion of the branch carrier from the transceiver 1 (homodyne reception) with a frequency of f ₀ is supplied. The difference signal from the multiplier 3 is fed to the narrow-band low-pass bandpass filters of the lower and upper harmonics 4a and 4b, respectively (for the case shown in Fig. 1, the center frequencies are 10 Hz and 11 Hz, respectively, and the band is 5%). To the outputs of the bandpass filters 4a and 4b, digital ADC registration means 5a and 5b are connected, which together with the filters form the COS channel 2A and SIN channel 2B, respectively. The signals from these channels (2A and 2B) are processed by the data compression module (controller) 6 for transmission to computer 7. With low-frequency vibrations or reciprocating motion, bandpass filters 4a and 4b are tuned to frequencies of no more than 20 kHz, and as an ADC, 5a and 5b and data compression module 6, a sound card of a personal computer 7 can be used.

Разделение соседних гармоник отраженного целью сигнала по частоте может быть выполнено и в цифровой форме, как показано на фиг. 3. В этом случае сигнал с перемножителя 3 сразу поступает на цифровое средство регистрации 5 (АЦП) и через модуль сжатия данных 6 передается в компьютер 7 с последующей цифровой фильтрацией (4а и 4b) сдвинутых на 90 градусов соседних гармоник. В результате квадратурные компоненты сигнала выделяются прямо в компьютере 7 и могут быть, при необходимости, выведены из него в цифровом виде (COS-канал 2А и SIN-канал 2В).Separation of the neighboring harmonics of the reflected signal by the frequency can also be done digitally, as shown in FIG. 3. In this case, the signal from the multiplier 3 immediately goes to the digital recording means 5 (ADC) and is transmitted through the data compression module 6 to the computer 7 with the subsequent digital filtering (4a and 4b) of the neighboring harmonics shifted by 90 degrees. As a result, the quadrature components of the signal are extracted directly in the computer 7 and can be, if necessary, digitally output from it (COS channel 2A and SIN channel 2B).

Таким образом, указанный технический результат достигается за счет того, что при гомодинном приеме отраженного вибрирующей целью сигнала разделение квадратурных компонент полученной низкочастотной компоненты осуществляется узкополосными низкочастотными фильтрами, настроенными на соседние гармоники отклика с гармонической фазовой модуляцией, которые сдвинуты одна относительно другой на 90 градусов.Thus, the indicated technical result is achieved due to the fact that when the signal reflected by the vibrating target is received homodyneously, the quadrature components of the obtained low-frequency component are separated by narrow-band low-pass filters tuned to neighboring harmonics of the response with harmonic phase modulation, which are 90 degrees shifted relative to one another.

Claims (2)

1. Способ выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, при котором осуществляется гомодинный прием отраженного целью сигнала, отличающийся тем, что разделение квадратурных компонент полученного низкочастотного сигнала осуществляется узкополосными низкочастотными фильтрами, настроенными на соседние спектральные составляющие отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией.1. The method of extraction of the quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target, in which the signal reflected by the target is homogenously received, characterized in that the quadrature components of the received low-frequency signal are separated by narrow-band low-pass filters tuned to adjacent spectral components of the reflected signal with harmonic phase modulation. 2. Устройство для выделения квадратурных компонент отраженной электромагнитной волны при возвратно-поступательном движении или вибрации цели, включающее антенну, подключенную к приемопередатчику, отличающееся тем, что сигнал с выхода приемопередатчика поступает на перемножитель и на него же, в качестве опорного сигнала, подается часть ответвленной с передатчика энергии, затем с выхода перемножителя разностный сигнал подается на настроенные на соседние гармоники отраженного целью сигнала с гармонической фазовой модуляцией узкополосные низкочастотные фильтры с подключенными к их выходам аналого-цифровыми преобразователями.2. A device for isolating the quadrature components of the reflected electromagnetic wave during reciprocating motion or vibration of the target, including an antenna connected to the transceiver, characterized in that the signal from the output of the transceiver is fed to the multiplier and to it, as a reference signal, part of the branch from the energy transmitter, then from the output of the multiplier, the difference signal is fed to the narrow-band harmonic phase modulated signal, tuned to the neighboring harmonics of the target reflected s low-pass filters with their outputs connected to the analog-to-digital converters.

Images