Процедурата за получаване на квадратурните компоненти на сигнала
Изображение 1: Представяне на комплексно число във векторна форма
Ако подложим ехосигнала на цифровизация при междинна честота, резултатът ще бъдат стойностите (в цифрова форма) на неговата амплитуда за всяка клетка от обхвата. Ако представянето му в комплексна форма се използва като модел на импулсния сигнал при някаква носеща честота, това означава, че в резултат на такова цифровизиране ще се получи само реалната част на комплексния сигнал. Но къде е въображаемата част на това представяне, която носи информация за фазата на сигнала? Да, при обикновена обработка на сигнала информацията за фазата се губи.
Синхронен детектор
Комплексното число (вижте графичното представяне на Изображение 1) има две компоненти: реална част (показана в зелено) и имагинерна част (показана в синьо). Следователно аналогово-цифровият преобразувател в описания по-горе прост метод на обработка винаги работи само с реалната част на комплексното представяне на сигнала, която лежи на абсцисната ос на Изображениета.
Това не е проблем за по-старите радари. Знакът на целта върху индикатора се генерира от поне 12 … 15 импулса, отразени от целта. Ако един или два от тях са нулеви реални (при максимално фазово изместване), марката върху индикатора все още ще се вижда. По-новите радари често използват така наречената моноимпулсна технология. Всички данни за целта се получават от обработката на отговора на целта само на един сондиращ импулс. В такива случаи се изисква и въображаемата част на ехосигнала!
Използва се синхронен детектор, който представя сигнала на междинна честота, включително амплитудата и фазата, без загуба на информация. Той се състои от два канала - инфазен (I) и квадратурен (Q). Всеки канал използва отделен аналогово-цифров преобразувател за цифровизиране на сигнала. Такъв синхронен детектор се нарича още квадратурен детектор, I/Q детектор или кохерентен детектор.
Ако картината в горната част на Изображение 1 се завърти мислено на 90° …
… тогава предишната въображаема част на сигнала става успоредна на абсцисната ос и по този начин може да бъде дигитализирана, а предишната реална част вече е намалена!
След като имаме реалната и въображаемата част на сигнала, е възможно да се изчисли общият вектор на сигнала (червената стрелка на Изображение 1), като се използва Питагоровата теорема.
Но как можем да извършим завъртане на 90°, за да изолираме въображаемата част на сигнала?
Изображение 2: Блок схема на синхронния детектор
КП2
Изображение 2: Блок схема на синхронния детектор
Изображение 3: Пример за изпълнение на синхронен детектор
О, това е достатъчно просто: фазата на сигнала трябва да бъде изместена на 90° и всъщност трябва да се цифровизират два сигнала - оригиналният и изместеният по фаза. Сега имаме два пъти повече данни за обработка, но цифровата обработка под контрола на процесора позволява да се справим с това.
Получените цифрови данни могат да бъдат обработени с помощта на различни алгоритми за цифрова обработка на сигнали. (Например цифровите филтри имат по-стръмни краища на честотната си характеристика, отколкото аналоговите филтри … Благодарение на цифровото преобразуване няма допълнителен шум, дължащ се на шума по трасето в ранните етапи, който може да изкриви полезния сигнал … и т.н.)
Компонентите I и Q на сигнала могат да се изразят чрез формулите:
| I = A cos(ϕ) Q = A sin(ϕ) |
(1) |
Следователно амплитудата A и фазата на сигнала ϕ могат да се изчислят от квадратурните компоненти, като се използват следните съотношения:
| A2= I2+Q2 ϕ=arctan(Q/I) |
(2) |
Изображение 3: Инфазен сигнал (синьо) и квадратурен сигнал (пурпурно)
Необходимо ли е да се оценят и двете компоненти, I- и Q?
В радарните устройства с директно преобразуване на честотата надолу почти винаги има и двата канала. Може да възникне въпросът: ако потребителят не се нуждае от фазова информация, достатъчно ли е да се използва само един от тях?
Да, такъв подход ще даде известни резултати, но ще бъде крайно неефективен. За да разберем това, нека отново да разгледаме Изображение 1. В зависимост от доплеровата честота червеният вектор ще се върти доста бързо. Съответно стойността на неговите компоненти (зелено и синьо) ще се променя от нула до максимум. Но може да се измери само зелената част на сигнала. Следователно най-ефективното измерване ще се осъществи само когато червеният вектор е насочен по същия начин като зеления вектор. При малки доплерови честоти или в случай на напълно неподвижни цели фазата ще се променя бавно или изобщо няма да се променя. В този случай може да възникне ситуация, при която червеният вектор е перпендикулярен на зеления вектор и няма да има изход от радара. Същото може да се случи и при по-високи доплерови честоти, ако честотата на дискретизация е в определено съотношение към доплеровата честота и се получава своеобразен стробоскопичен ефект.
Така само ако се разглеждат и двете компоненти на сигнала (зеления и синия вектор), може да се изчисли червеният вектор независимо от неговото ъглово положение.