Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ перспективных направлений развития теории и техники антенн аппаратуры радиоконтроля стационарного и мобильного базирования 21
2. Разработка и исследование методов аппроксимации пространственного распределения поля вблизи корпуса носителя антенной решетки, не требующих априорного использования информации о геометрии и материальных свойствах рассеивателей 58
2.1. Исследование возможности использования аналитических функций комплексного переменного 2 для восстановления структуры поля, измеренного в конечном числе точек плоского контура вблизи рассеивателя 59
2.2. Исследование возможности описания пространственного распределения поля вблизи антенной системы мобильного радиопеленгатора с помощью ряда Лорана 75
2.3. Разработка и исследование метода учета влияния корпуса носителя на характеристики радиопеленгаторной антенной решетки, основанного на аппроксимации измеряемого поля плоскими или сферическими волнами фиксированных вспомогательных источников 84
2.4. Исследование возможности использования интеграла Кирхгофа для формирования «виртуальной» антенной решетки вблизи произвольного рассеивателя 110
2.5. Разработка и исследование метода синтеза радиопеленгаторной антенной решетки, основанного на аппроксимации поля вблизи корпуса мобильного носителя линейной комбинацией полей вспомогательных точечных источников 122
2.6. Разработка и исследование метода повышения инструментальной точности мобильных радиопеленгаторов, основанного на оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки 135
2.7. Разработка и исследование метода снижения систематической погрешности радиопеленгаторов мобильного базирования, основанного на представлении рассеянного носителем поля системой «блуждающих» «блестящих» точек 151
2.8. Исследование эффективности метода «виртуальной» антенной решетки при изменении геометрии корпуса носителя мобильного радиопеленгатора 167
2.9. Исследование физико-математической модели, описывающей «виртуальную» антенную решетку, сформированную вблизи трехмерного рассеивателя
2.10. Выводы по главе 2
3. Исследование перспективных направлений улучшения технических характеристик мобильных и стационарных радиопеленгаторов, основанных на совершенствовании характеристик используемых антенных решеток 224
3.1. Исследование возможностей совершенствования точностных и энергетических характеристик мобильных комплексов радиоконтроля путем оптимизации структуры и параметров их антенных систем 225
3.2. Разработка и исследование антенной системы мобильного радиопеленгатора с повышенным энергетическим потенциалом и возможностью приема волн с произвольной поляризацией 247
3.3. Разработка и исследование антенных решеток, состоящих из симметричных электрических вибраторов, возбуждаемых с помощью неоднородных щелевых линий с потерями на излучение 270
3.4. Выводы по главе 3 279
4. Разработка и исследование радиопеленгаторных антенных решеток УКВ и СВЧ диапазонов волн, состоящих из направленных элементов 280
4.1. Синтез и анализ кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из несимметричных ТЕМ- рупоров 281
4.2. Разработка и исследование сверхширокополосной антенной системы полноазимутального комплекса пеленгования источников радиоизлучения УКВ и СВЧ диапазонов волн с произвольной поляризацией 298
4.3. Исследование многолитерных излучающих структур, созданных на основе несимметричных ТЕМ- рупоров 309
4.4. Синтез и исследование согласующего полоскового трансформатора для сверхширокополосной антенны СВЧ диапазона с помощью использования генетического алгоритма 325
4.5. Выводы по главе 4 341
5. Исследование функционирования антенн аппаратуры радиоконтроля в многосигнальном режиме 343
5.1. Исследование возможностей совершенствования алгоритмов сверхразрешения некоррелированных источников радиоизлучения путем учета искажений структуры измеряемого поля радиопеленгаторной антенной системой 343
5.2. Исследование алгоритма сверхразрешения коррелированных источников радиоизлучения с компенсацией погрешностей измерения параметров входных сигналов, вызванных дифракционными явлениями 358
5.3. Выводы по главе 5 370
6. Экспериментальные исследования разработанных антенн и формулирование требований к параметрам приемной антенной системы радиопеленгаторного комплекса 371
Заключение 386
Выводы 390
Литература 399
- Исследование возможности использования аналитических функций комплексного переменного 2 для восстановления структуры поля, измеренного в конечном числе точек плоского контура вблизи рассеивателя
- Разработка и исследование метода повышения инструментальной точности мобильных радиопеленгаторов, основанного на оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки
- Разработка и исследование антенной системы мобильного радиопеленгатора с повышенным энергетическим потенциалом и возможностью приема волн с произвольной поляризацией
- Разработка и исследование сверхширокополосной антенной системы полноазимутального комплекса пеленгования источников радиоизлучения УКВ и СВЧ диапазонов волн с произвольной поляризацией
Введение к работе
Актуальность работы. Быстрый прогресс в разработке и производстве средств телекоммуникации и связи обуславливает необходимость постоянного совершенствования аппаратуры и программного обеспечения комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования.
Учитывая жесткие требования по ограничению габаритных размеров антенных систем, диктуемые необходимостью повышения живучести комплексов радиоконтроля и обеспечения возможности их размещения вблизи корпуса мобильного или бортового носителя, а также тенденции расширения полосы рабочих частот современной аппаратуры телекоммуникации и связи, роста ее чувствительности, повышения точности пеленгования источников радиоизлучения, использования поляризационного разделения каналов, одним из радикальных путей совершенствования комплексов радиоконтроля является развитие теории и разработка эффективных методов проектирования их антенных систем, а также методов обработки принимаемых ими сигналов, компенсирующих дифракционные искажения измеряемого электромагнитного поля.
Актуальность темы исследования подчеркивается также рядом следующих факторов: априорной неизвестностью вида и параметров поляризации принимаемых волн; изменяемостью, в процессе эксплуатации, геометрии и материальных свойств корпуса носителя антенной системы (состояния дверей и люков; качества контакта отдельных деталей конструкции носителя; свойств подстилающей поверхности); необходимостью устранения (или минимизации) «мертвых» областей углов зоны действия комплекса радиоконтроля.
Исследованием и созданием широкополосных и сверхширокополосных антенн, перспективных для использования в современных комплексах радиоконтроля, занимались Г.В. Анцев, Н.А. Арманд, Л.Ю. Астанин, А.В. Ашихмин, Л.Д. Бахрах, Н.А. Бей, A.M. Бобрешов, А.П. Брызгалов, Д.И. Воскресенский, А.Ю. Гринев, В.И. Гусевский, Г.А. Ерохин, Е.Г. Зелкин, Н.В. Зернов, И.Я. Иммореев, А.Ф. Кардо-Сысосев, В.Я. Кислов, А.А. Костылев, В.Ф. Кравченко, А.П. Курочкин, А.В. Маторин, В.Н. Митрохин, Ю.Б. Нечаев, М.Л. Осипов, Ю.Г. Пастернак, В.А. Пермяков, Л.И. Пономарев, И.В. Попов, Д.М. Сазонов, В.А. Сарычев, Б.В. Сестрорецкий, В.Г. Соколов, В.Н. Скосырев, А.Д. Французов, А.Ф. Чаплин, В.В. Чапурский, В.А. Черепенин, С.Л. Чернышев, B.C. Черняк, А.Б. Шварцбург, Ю.В. Юханов, J.L. Beafore, J. Bergman, Т. Carozzi, Е. Durham, J.-P. Gouin, P. Crane, W.G. Guion, M.D. Fanton, A.J.T. Fry, S. Fujisawa, T. Fukagawa, O. Fumio, S.F. Gorman, G.K. Gothard, M. Gottl, A.E. Heatherwick, M. Hoshino, S.W. His., D.M. Janoschka, A.M. Jones, W.J. Kaminsk, R. Karlsson, Y. Kenichiro, D.D. King, T. Kishigami, G. Lackmeyer, J. Longyear, F.J. Malek, W.J. Mamak, M.I. Marks, A. Melconian, W. Mummert, S. Ortiz, E.L. Ostertag, T.K.Overton, N.D. Paul, A.W. Peavy, N.E. Saucier, S.P. Saulnier, H.G. Schantz, E.D. Sharp, K.D. Scharp, T. Shirosaka, C.N. Smith, R.F. Solberg, W. Staniszewski, J.H. Steinkamp, R. Steven, D. Steward, K.A. Struckman, R.J. Timothy, T. Yoshikatu, Y. Yuda, J.H. Zablotney и др.
Значительный вклад в разработку и исследование алгоритмов обработки сигналов, принимаемых антенными решетками, внесли Ю.И. Абрамович, О.Е. Антонов, О.В. Белавин, В.И. Белов, Б.Ф. Бондаренко, В.А. Вентцель, А.Д. Виноградов, А.Б. Гершман, В.И. Глазьев, Л.С. Гуткин, В.П. Демин, В.П. Денисов, Р.А. Зацерковский, Ю.В. Ильченко, В.В. Караваев, Л.И. Коновалов, А.С. Коновальчик, И.С. Кукес, Д.И. Леховицкий, Е.С. Макаров, В.И. Манжос, В.К. Мезин, И.Д. Меркуленко, Ю.Б. Нечаев, А.А. Поваляев, В.Ф. Писаренко, СЮ. Платонов, В.В. Сазонов, И.Н. Сащук, О.В. Смидович, B.C. Ульянов, СЕ. Фалькович, Ю.А. Федоркин, В.Р. Хачатуров, О.П. Черемисин, В.Н. Шевченко, В.В. Ширков, Я.Д. Ширман, A. Barabell, F. Belloni, J. Bohme, K.M. Buchley, M. Buhren, J.P. Burg, J. Capon, S. Chandran, CD. Crews, B. Friedlander, P.J.D. Gething, A.B. Gershman, M. Haard, K.V.S. Hari, Y.F. Huans, P. Hyberg, D.H. Johnson, T. Kailath, M. Kavech, R.L. Kellogg, V. Koivunen, R. Kumaresan, Zhi-Quan Luo, E.E. Mack, X. Mestre, M.P. Moudi, A. Nehorai, B. Ottersten, M. Pesavento, U. Pillai, R. Poisel, B.D. Rao, D.P. Reilly, A. Richter, D.R. Rods, P. van Rooyen, P. Roux, R. Roy, T. Sarkar, R.O. Schmidt, V.C. Soon, P. Stoica, L. Swindlehurst, H.L. Van Trees, D.W. Tufts, E. Tuncer, M. Viberg, M. Wax, A. Weiss, G. Xu, I. Ziskind, M. Zolotowski и др.
Мировыми лидерами (как по качественному, так и по количественному критериям) в области разработки и производства аппаратно-программных комплексов радиоконтроля являются фирмы Rohde&Schwarz (Германия) и TCI (США). Их каталоги включают в себя обширный ассортимент, как полностью укомплектованных комплексов радиоконтроля (стационарных, мобильных, бортовых, портативных), так и отдельных устройств и систем приема и обработки радиосигналов, антенных устройств и систем для различных диапазонов, а также специального математического и программного обеспечения аппаратуры радиомониторинга и радиопеленгации.
Вместе с тем, в теории и технике приемных антенных систем, и в области разработки методов обработки принимаемых ими сигналов остается нерешенным ряд важных задач, связанных с: - разработкой методов проектирования сверхширокополосных антенн, на габаритные размеры которых накладываются жесткие ограничения, обладающих максимально возможной действующей длиной как в полосе их удовлетворительного согласования с фидерной линией, так и за нижней ее границей; - разработкой методов проектирования малогабаритных радиопеленгаторных антенных систем, функционирующих в KB, УКВ, СВЧ и КВЧ диапазонах волн, характеризующихся отсутствием «мертвой» зоной в зенитной области, позволяющих оценивать угловые координаты источников радиоизлучения с произвольной поляризацией; - разработкой методов проектирования «вложенных» друг в друга подрешеток, функционирующих в различных диапазонах волн; - разработкой методов и моделей аппроксимации поля вблизи антенных систем без использования какой-либо информации о геометрии и материальных свойствах корпуса их носителя (или опорной мачты), а также -свойств подстилающей поверхности; - разработкой методов проектирования сверхширокополосных антенн, в минимальной степени искажающих сверхширокополосные сигналы (в частности - сверхкороткие видеоимпульсы);
- совершенствованием методов и алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения в пространственно-угловой области с точки зрения учета искажений структуры поля, вносимой антенной системой и ее носителем.
Обозначенные выше обстоятельства обуславливают актуальность темы настоящего исследования, выполненного в ходе ряда НИР и ОКР, проводимых в НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), выполняемых в интересах государственных структур, обеспечивающих обороноспособность и безопасность страны.
Объектом исследования являются сверхширокополосные антенные системы для аппаратуры радиопеленгации стационарного и мобильного базирования.
Предметом исследования является подходы и методы создания сверхширокополосных антенных систем для аппаратуры радиопеленгации стационарного и мобильного базирования, учитывающие дифракционные искажения структуры измеряемого электромагнитного поля антенной решеткой и ее носителем (опорной мачтой, корпусом автомобиля и т.д.), использующие или не использующие априорную информацию о геометрии и материальных свойствах рассеивателей.
Целью диссертационной работы является разработка теории и методов проектирования сверхширокополосных антенных систем аппаратуры радиопеленгации стационарного и мобильного базирования, основанных на учете дифракционных искажений измеряемого электромагнитного поля и использовании ряда подходов, позволяющих существенно уменьшить их габаритные размеры, расширить угловой сектор их функционирования, обеспечить возможность эффективного приема и оценки параметров радиоволн с произвольной поляризацией, а также - существенно повысить чувствительность приемных антенных систем и точность оценки угловых координат источников радиоизлучения.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- проведения анализа перспективных направлений развития теории и
техники антенн, пригодных для использования в комплексах радиоконтроля
стационарного и мобильного базирования, а также методов обработки
принимаемых ими сигналов, позволяющих повысить разрешающую
способность и точность пеленгования источников радиоизлучения;
разработки и исследования методов и моделей аппроксимации пространственного распределения поля вблизи корпуса носителя антенной решетки, не требующих априорного использования информации о геометрии и материальных свойствах рассеивателей;
исследования перспективных направлений улучшения технических характеристик мобильных и стационарных радиопеленгаторов, основанных на совершенствовании характеристик используемых антенных решеток;
разработки и исследования радиопеленгаторных антенных решеток СВЧ диапазона волн, состоящих из сверхширокополосных направленных элементов, характеризующихся отсутствием фазового центра;
- разработки и исследования малогабаритных многодиапазонных
антенных элементов, функционирующих в нескольких перекрывающихся или
не перекрывающихся между собой сверхширокополосных диапазонах частот;
- разработки и исследования функционирования антенн комплексов
радиоконтроля в режиме разрешения нескольких некоррелированных и
коррелированных источников;
экспериментального исследования разработанных антенн и формулирования требований к параметрам приемной антенной системы радиопеленгаторного комплекса.
Методы исследования. При проведении исследований использовались классические методы анализа и синтеза антенн, вычислительные методы технической электродинамики, методы математического моделирования, стандартные методы экспериментальных измерений характеристик антенн.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны и исследованы методы и модели аппроксимации пространственного распределения электромагнитного поля внутри и вне контура, на котором лежат элементы радиопеленгаторной антенной решетки полноазимутального обзора пространства, применение которых не требует использования информации о геометрии и материальных свойствах корпуса носителя, опорной мачты и других близлежащих рассеивателей, в основе которых лежит использование теории аналитических функций комплексного переменного (интегралы Коши, ряды Лорана), метода вспомогательных источников поля, метода интеграла Кирхгофа, совокупность которых, наряду с обобщением результатов, полученных с помощью численного анализа и натурного эксперимента, составляет разработанную теорию «виртуальных» антенных решеток, использование которой позволяет существенно уменьшить влияние дифракционных искажений измеряемого поля на точность и разрешающую способность пеленгования;
исследованы подходы и разработаны методы проектирования радиопеленгаторных антенных систем мобильного базирования, отличающиеся возможностью эффективного использования корпуса носителя для существенного повышения чувствительности радиопеленгаторных комплексов в KB и УКВ диапазонах для волн с произвольным видом поляризации; разработан метод обработки принимаемых сигналов, отличающийся использованием опорных сигналов с выходов элементов антенной решетки, являющихся откликами на падающие волны с вертикальной и горизонтальной поляризацией, позволяющий оценивать угловые координаты источника радиоизлучения и вид поляризации волн;
разработан метод проектирования сверхширокополосной радиопеленгаторной кольцевой антенной решетки, отличающийся используемым способом запитки плоских электрических вибраторов с помощью расширяющейся щелевой структуры, параметры которой выбираются таким образом, чтобы в полосе частот функционирования вибратора потери на излучение в щелевой фидерной линии были незначительными, существенно увеличиваясь с ростом частоты и формируя игольчатую диаграмму направленности элемента в составе решетки с коэффициентом усиления более 10 дБ, что позволяет реализовать значения коэффициента частотного перекрытия, превышающие 100 при однозначном измерении пеленга источника радиоизлучения;
разработаны методы проектирования радиопеленгаторных антенных решеток УКВ и СВЧ диапазонов волн, состоящих из сверхширокополосных направленных элементов, характеризующихся отсутствием фазового центра (ТЕМ- рупоры и антенны Вивальди), отличающиеся возможностью оптимизации характеристик симметричных и несимметричных элементов со стандартными номиналами входных сопротивлений 100 Ом и 50 Ом, соответственно, с помощью генетического алгоритма, и позволяющие создавать сверхширокополосные радиопеленгаторные антенные системы с горизонтальной, вертикальной, а также - с двумя ортогональными линейными поляризациями;
исследован и апробирован подход к созданию сверхширокополосных антенных структур на основе вложенных друг в друга несимметричных ТЕМ-рупоров, характеризующихся возможностью функционирования в нескольких частотных диапазонах с коэффициентом перекрытия 3 и более каждый; при этом наличие внутри внешнего антенного устройства даже 4 антенных решеток практически не ухудшает его входные и направленные характеристики, в частности, коэффициент усиления внешнего ТЕМ- рупора уменьшается не более, чем на 1 дБ, а внешние антенные элементы практически не влияют на соответствующие характеристики внутренних элементов;
- разработана методика модификации алгоритмов сверхразрешения
некоррелированных и коррелированных источников радиоизлучения, дающая
возможность существенного повышения разрешающей способности и точности
пеленгования комплексов радиоконтроля, и отличающаяся учетом
взаимодействия элементов антенной решетки и других близлежащих
рассеивателей, проводимым на основе использования опорного сигнала,
сформированного с учетом строгой электродинамической модели антенной
решетки, или формирования автокорреляционной матрицы принимаемых
сигналов с учетом фазовых диаграмм направленности соответствующих
элементов антенной решетки;
- разработан метод синтеза согласующего полоскового трансформатора
для сверхширокополосной антенны, основанный на использовании
эволюционирующего критерия, при котором порядок нормы усреднения, при
вычислении значений целевой функции, увеличивался в ходе нахождения
значений компонент вектора варьируемых параметров - значений ширины
полосков, с целью перехода от выполнения критерия минимума
среднеквадратического значения модуля коэффициента отражения к
минимаксному критерию, использование которого, наряду с генетическим
алгоритмом оптимизации и простой моделью стыка полосков разной ширины,
позволяет гарантировать технологическую реализуемость устройства и
существенно улучшить качество согласования комплексной нагрузки в
сверхширокой полосе частот.
Практическая ценность работы заключается в повышении чувствительности, точности пеленгования и разрешающей способности по угловым координатам мобильных и стационарных комплексов радиоконтроля, выпускаемых НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), а также - в уменьшении числа литер и габаритных размеров их антенных систем.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы в: НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), ФГУП «НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), ГНИИИ проблем технической защиты информации ФСТЭК РФ (г. Воронеж), филиале ФГУП «Радиочастотный центр Центрального федерального округа» в Воронежской области. Ряд результатов внедрен в учебный процесс Воронежского института правительственной связи (филиал) академии ФСО РФ (г. Воронеж), а также - Воронежского института МВД РФ (г. Воронеж).
Основные положения, выносимые на защиту:
теория «виртуальных» антенных решеток, представляющая собой совокупность предложенных методов и моделей аппроксимации поля вблизи рассеивателей с неизвестной формой и материальными свойствами (корпус мобильного или бортового носителя, опорная мачта) и результатов их исследования, применение которой позволяет, на основе вычисления значений поля в множестве точек, лежащих внутри и вне контура радиопеленгаторной антенной системы (иными словами - формирования «виртуальной» антенной решетки), существенно (до 2-^4 раз) повысить точность пеленгования и разрешающую способность радиопеленгаторных комплексов;
методы проектирования радиопеленгаторных антенных решеток мобильного базирования и метод обработки принимаемых сигналов, основанные на использовании несимметричных электрических вибраторов, представляющих собой вертикальные цилиндры, нагруженные на горизонтально-ориентированные пластины (имеющие форму круга или «флажков»), и формировании базы данных частотно-угловых зависимостей амплитуд и фаз опорных колебаний, наводимых волнами с ортогональными поляризациями, позволяющие, благодаря рациональному использованию токов, протекающих по корпусу носителя, существенно (на 5ч-10 дБ) повысить чувствительность радиопеленгаторного комплекса мобильного базирования, и дающие возможность оценки угловых координат источника радиоизлучения с точностью (1ч-2)0, а также - вида поляризации принимаемых радиоволн;
метод проектирования кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки, основанный на построении ее элементов в виде плоских сверхширокополосных электрических вибраторов, запитываемых неоднородными щелевыми линиями с потерями на излучение, использование которого позволило разработать антенную решетку, функционирующую в полосе частот от 25 до 3000 МГц, соответствующую полосе функционирования двух-трех, расположенных друг над другом, антенных подрешеток с вибраторными элементами, позволяющий повысить чувствительность приемной антенной системы на значения, достигающие 10 дБ;
методы проектирования кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из: несимметричных ТЕМ- рупоров, характеристики которых оптимизируются с помощью процедуры, построенной на использовании генетического алгоритма и модели антенного устройства, основанной на подходах к анализу многокаскадного соединения четырехполюсников; полосковых антенных элементов в печатном исполнении, соседние пары которых функционируют как антенны Вивальди, а
противоположные - как симметричные электрические вибраторы; комбинации вертикальных симметричных ТЕМ- рупоров и полосковой многолепестковой структуры, расположенной внутри рупорных элементов, несущественно искажающих направленные свойства и входные характеристики друг друга; применение которых дает возможность реализовать значения коэффициента усиления элемента в составе решетки от 4 до 16 дБ в полосе частот от 1.5 до 8.5 ГГц;
подход к проектированию многодиапазонных радиопеленгаторных антенных структур, образованных вложенными друг в друга несимметричными ТЕМ- рупорами, основанный на незначительном возмущении структуры электромагнитного поля внутри внешнего антенного элемента помещенными внутрь его подобными ему излучателями меньшего размера, полоски которых ориентированы ортогонально силовым линиям электрической компоненты поля, позволяющий разрабатывать антенные системы полноазимутального обзора, функционирующие в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, и реализовать значения коэффициента подобия вложенных элементов вплоть до 0.5 при изменении коэффициента усиления внешнего элемента, относительно уединенного аналога, не более 0.5 дБ в полосе частот с более, чем пятикратным перекрытием;
методика повышения разрешающей способности и точности оценки угловых координат нескольких некоррелированных или коррелированных источников радиоизлучения в аппаратно-программных комплексах радиоконтроля, в которых реализованы методы пространственно-углового сверхразрешения, основанная на учете искажений структуры наблюдаемого поля антенной системой и ее носителем, путем формирования базы данных эталонных сигналов на выходах элементов антенной решетки, либо на основе использования модифицированной функциональной матрицы, элементы которой образованы на основе автокорреляционной матрицы принимаемых сигналов и комплексных диаграмм направленности вибраторов в составе решетки;
- метод синтеза полоскового трансформатора для согласования
комплексной нагрузки в сверхширокой полосе частот, построенный на основе
использования генетического алгоритма, модели скачка ширины полосковой
линии и возрастающей, от первоначального значения 2, нормы усреднения
значений модуля коэффициента отражения на его входе, позволяющий
обеспечить существенно лучшее качество согласования ТЕМ- рупора с линзой
в полосе частот от 1 до 18 ГГц, чем при использовании экспоненциального
полоскового трансформатора.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
на V Всероссийской НТК «Радиооптические технологии в приборостроении»
(г. Сочи), 2007 г.; International joint conference on e-business and
telecommunications (ICETE), (Barcelona), 2007 г.; 8 и 9 международной НТК
«Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж), 2007-2008 гг.; 13-
17 международной НТК «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж), 2007-
2011 гг.; III Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь»
(г. Москва), 2009 г.; VI международном семинаре
«Физико-математическое моделирование систем» (г. Воронеж), 2009г.; семинаре по прикладным проблемам электродинамики Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (г. Москва), 2009 г., а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «ВГТУ» (г. Воронеж), 2005-2011 гг., ГОУВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана» (г. Москва), 2011 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 77 печатных работах, в том числе: 56 статьях - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций, 20 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, а также - в 1 патенте РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: постановка решаемых задач; разработка и исследование методов и моделей аппроксимации поля внутри и вне контура расположения элементов антенной решетки, не требующих использования информации о геометрии и материальных свойствах корпуса ее носителя; разработка методов проектирования радиопеленгаторных антенных систем стационарного и мобильного базирования и перспективных сверхширокополосных антенных элементов с существенно улучшенными характеристиками; разработка методов реально-временной обработки сигналов, принимаемых радиопеленгаторными антенными системами стационарного и мобильного базирования, позволяющих существенно повысить точность пеленгования и разрешающую способность аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, а также - получать оценку параметров, характеризующих вид поляризации принимаемых электромагнитных волн; участие в обсуждении полученных результатов; получение базы данных опорных сигналов с помощью численного моделирования разработанных антенных систем, проводимого в пространственно-временной области; участие в натурных исследованиях разработанных радиопеленгаторных антенных систем.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Работа содержит 425 страниц основного машинописного текста, 155 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 348 наименований использованных источников.
Исследование возможности использования аналитических функций комплексного переменного 2 для восстановления структуры поля, измеренного в конечном числе точек плоского контура вблизи рассеивателя
На основе проведенного анализа современного состояния и перспектив развития теории и техники антенн, используемых в комплексах радиомониторинга и радиопеленгации, а также анализа перспективных направлений развития методов и алгоритмов оценки угловых координат источников радиоизлучения [179-181], в главе 1 была выяснена и обоснована актуальность разработки и исследования методов аппроксимации пространственного распределения поля вблизи корпуса носителя антенной решетки, не требующих априорного использования информации о геометрии и материальных свойствах рассеивателей.
Практическое применение разработанных и исследованных в настоящей диссертации методов аппроксимации поля [182-207, 337-340] состоит в том, чтобы, используя данные о пространственном распределении суммарного (падающих и рассеянных волн) поля, измеренного физически существующей ра-диопеленгаторной антенной системой, сформировать «виртуальную» антенную решетку, с помощью которой можно, вычисляя соответствующую пеленгаци-онную характеристику, существенно улучшить инструментальную точность оценки угловых координат источников радиоизлучения и разрешающую способность по угловым координатам комплексов радиоконтроля мобильного, бортового и стационарного базирования.
В настоящей главе рассмотрены методы формирования «виртуальных» антенных решеток, основанные на: - использовании аппарата интеграла Коши для аппроксимации пространственного распределения поля, измеренного в конечном числе точек плоского контура вблизи трехмерного рассеивателя; - описании пространственного распределения поля вблизи антенной системы радиопеленгатора (в кольце, внутри которого лежит замкнутый контур, на котором расположены элементы антенной решетки) с помощью ряда Лорана и, на основании использования вычисленных коэффициентов ряда, аппроксимации поля в радиальных направлениях с помощью ряда Тейлора; - аппроксимации измеряемого поля плоскими или сферическими волнами фиксированных вспомогательных источников; - использовании интеграла Кирхгофа для нахождения поля внутри замкнутого контура, на котором известна измеряемая его компонента и ее нормальная производная; - оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки, минимизирующем целевую функцию, отражающую степень различия предварительно измеренных данных (фаз колебаний) и модельных результатов; - использовании метода синтеза радиопеленгаторной антенной решетки, основанного на аппроксимации поля вблизи корпуса мобильного носителя линейной комбинацией полей вспомогательных точечных источников или плоских волн; - представлении рассеянного носителем поля системой полей «блуждающих» «блестящих» точек. В подразделе 2.1 рассмотрен метод формирования «виртуальных» антенных решеток, основанный на представлении измеренного амплитудно-фазового распределения поля в виде комбинации конечного числа аналитических функций комплексного переменного z и использовании аппарата интеграла Коши для аппроксимации поля внутри и вне контура физически существующей антенной решетки. комплексного переменного z для восстановления структуры поля, измеренного в конечном числе точек плоского контура вблизи рассеивателя
Ключевым моментом предложенного метода аппроксимации поля является допущение о возможности представления амплитудно-фазового распределения скалярного поля на плоскости вблизи трехмерного рассеивателя произвольной формы и размеров (в качестве скалярного поля может рассматриваться проекция вектора электрической составляющей электромагнитного поля на ось координат, определяющую пространственную ориентацию элементов кольцевой антенной решетки, размещенной вблизи мобильного носителя или опорной мачты с растяжками) как аналитической функции комплексного переменного на плоскости z = х + і у.
Также предполагалось, что измеренное в конечном числе точек (в фазовых центрах элементов антенной решетки, расположенных на замкнутом плоском контуре, который вовсе не обязательно должен быть окружностью - данный плоский контур может описывать как окружность, так и эллипс, так и другие замкнутые кривые) скалярное поле может быть интерполировано во всех точках контура каким-либо удобным полиномом, являющимся аналитической функцией: с одной стороны - достаточно простой формы, с другой - описание поля на контуре должно быть достаточно физичным.
При подтверждении гипотезы о возможности описания наблюдаемого в конечном числе точек плоского замкнутого контура скалярного поля с помощью аналитической функции комплексного переменного (что предполагает восстановление значений данного поля во всех точках, расположенных внутри данного контура с помощью интеграла Коши) предполагалось распространить данный метод и на внешнюю область данного контура: окружив контур, на котором значения скалярного поля известны, другим контуром больших размеров (и также произвольной возможной формы, как и внутреннего контура), можно констатировать, что известные значения скалярного поля на внутреннем контуре определяются интегралом Коши по внешнему контуру от функции, определенной на внешнем контуре.
Таким образом, задача восстановления скалярного поля внутри контура, на котором расположены элементы антенной решетки, сводится просто к вычислению значения интеграла Коши от функции, определенной на данном контуре; восстановление структуры поля вне контура наблюдения связано с необходимостью решения интегрального уравнения 1 -го рода (под знаком интеграла в числителе находится функция, описывающее поле на внешнем контуре). Далее будут приведены аналитические выражения, иллюстрирующие вышеприведенные рассуждения.
Отметим также, что для восстановления скалярного поля как внутри, так и вне замкнутого контура L с помощью предложенного в настоящей работе метода требуется знать только значение поля на контуре; в то время как принцип Гюйгенса-Кирхгофа [208, 209] позволяет вычислить значение поля лишь внутри замкнутой поверхности S при известном значении поля и его производной по нормали на данной поверхности.
В каких же практических задачах предложенный метод может быть полезен? В тех случаях, когда в радиотехнических системах приема и обработки информации электромагнитные волны принимаются с помощью однолитерной антенной решетки ограниченных габаритных размеров, а для повышения разрешающей способности по угловым координатам необходимо было бы иметь антенную решетку существенно больших размеров и с существенно большим числом элементов. Немаловажным является следующий аспект - восстановление структуры поля внутри контура антенной решетки позволяет повысить однозначность пеленгования, а также существенно расширить полосу рабочих частот всей радиотехнической системы - имея в наличии одну антенную решетку, можно осуществлять прием как бы с помощью нескольких вложенных друг в друга «виртуальных» антенных решеток, имеющих габаритные размеры как меньше, так и больше реально существующей антенной системы.
Разработка и исследование метода повышения инструментальной точности мобильных радиопеленгаторов, основанного на оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки
В подразделе 2.1 показана возможность использования аналитических функций комплексного переменного z-x + iy для описания распределения электромагнитного поля на плоскости. Приведенные в них результаты свидетельствуют о том, что использование теории аналитических функций позволяет создавать эффективные процедуры компенсации дифракционных искажений наблюдаемого с помощью антенной решетки пространственного амплитудно-фазового распределения поля, основанные на формировании «виртуальных» антенных решеток - аппроксимации распределения поля как внутри контура приемной антенной системы, так и вне ее, проводимой без учета (в явном виде, путем построения имитационной модели рассеяния электромагнитных волн на электродинамическом объекте «антенная система - опорная мачта - корпус носителя - подстилающая поверхность») геометрии и материальных свойств рассеивающего объекта. При этом оказывается весьма эффективным использование различных методов аппарата теории функций комплексного переменного, в частности - интеграла Коши (а также - интеграла Пуассона для контуров, имеющих форму окружности).
Так как измерение комплексных амплитуд напряжений на выходах элементов антенной решетки U-l,U2,U3,...,UN сопровождается неизбежными погрешностями, возникающими в результате действия шумов и неидентичности каналов приемной антенной системы (антенная решетка - высокочастотные усилители - многоканальный коммутатор (из N каналов выбирающий любые 2 канала) - двухканальный аналоговый приемник), при реализации данной процедуры, позволяющей сформировать «виртуальную» антенную решетку на окружности радиуса r R, приходится искать непростой компромисс между устойчивостью и точностью решения исходного уравнения (2.3).
В настоящем подразделе была поставлена цель создания процедуры формирования «виртуальной» антенной решетки с помощью аппарата теории аналитических функций комплексного переменного z-x + iy, не требующей использования регуляризации уравнений 1 -го рода, решение которых относится к классу некорректных задач (при наличии погрешностей в измерении величин U„U2,U3,...,UN). Учитывая, что измеренные значения напряжений Ul,U2,U-i,...,UN можно трактовать как отсчеты Un =U((pn) {(рп = 2к(п-\)1 N, n-l,2,...,N) периодической функции U\cp) с периодом 2/г, описывающей непрерывное распределение поля по окружности радиуса R, взятые через промежутки 1/(2F) (где F = 1/(4тг/N))t функцию U( p) можно представить в виде ряда Котельникова [209], принимая во внимание при этом, что расстояние между соседними эле ментами решетки d = лЦхп - хп_х) +{уп- уп_\) « Л0, а также то обстоятельство, что антенная система расположена вблизи относительно гладкой поверхности (крыша автомобиля, днище летательного аппарата) и поле, в соответствии с условиями Мейкснера [217] на типовых острых ребрах, достаточно удаленных от вибраторов антенной системы, изменяется достаточно медленно: Азимутальные зависимости напряжений на выходах семи элементов антенной решетки с радиусом R = 0.54 м, расположенной на крыше микроавтобуса «Газель» (исследуемый мобильный радиопеленгатор разработан и изготовлен в НЛП ЗАО «ИРКОС», г. Москва), были аппроксимированы с помощью ряда Котельникова. В соответствии с теоремой Котельникова, максимально допустимый интервал между отсчетами, при описании синусоиды с частотой /0 =1/Т0, равен Г0/2, то есть минимальное число отсчетов, учитывая, что U(0) = U(27r), равняется четырем. Используемое же число вибраторов антенной решетки равно семи, что, в соответствии с допущением о возможности вышеприведенной аналогии, вполне достаточно для адекватного описания на окружности. Учитывая, что длина дуги между двумя соседними вибраторами в рассматриваемой антенной решетке становится равной половине длины волны лишь на частоте / « 309.27 МГц, в анализируемом ниже диапазоне частот от 40 до 170 МГц, в котором лежат частоты наиболее выраженных резонансов корпуса носителя, вполне достаточно использовать семиэлементную антенную решетку выбранного радиуса R = 0.54 м. Как уже говорилось ранее, в результате действия шумов и несовершенства приемной аппаратуры, использующейся для измерения амплитуд и фаз колебаний на выходах активных элементов антенной решетки, неизбежно появление погрешностей, величина которых может достигать до ± (4 ч- 5) для измеренных значений фаз и ± (і ч-1.5) дБ - для измеренных значений амплитуд.
Максимально возможное значение сдвига фаз напряжений на выходах соседних элементов антенной решетки (при игнорировании дифракционных эффектов и распространении падающей волны вдоль прямой линии, соединяющей центры вибраторов) на частоте 40 МГц составляет, приблизительно, 22.49 , а на частоте 170 МГц - 95.59 . Даже в случае продольного падения волны значение погрешностей измерения фазы, особенно на нижних частотах, может приводить к существенным погрешностям измерения пеленгов источников радиоизлучения, так как отношение погрешности измерения фазы к ее истинному значению может достигать (18 ч- 22)%.
При поперечном же падении волны, когда ее фазовый фронт параллелен линии, соединяющей вибраторы (в любом случае для каких-то пар вибраторов это условие будет весьма близко), подобные погрешности тем более недопустимы. Поэтому для уменьшения величины погрешностей измерения амплитуд и фаз принимаемых сигналов используется фильтрация высших гармоник спектра величины U( p) (так как погрешности измерений являются случайными величинами, которые могут быстро изменяться от одного вибратора к другому), основанная на представлении ее в виде следующего ряда Фурье:
Разработка и исследование антенной системы мобильного радиопеленгатора с повышенным энергетическим потенциалом и возможностью приема волн с произвольной поляризацией
Несмотря на имеющиеся различия между зависимостями, показанными на рис. 2.23 (для построения карт использовалась модель корпуса носителя антенной решетки, показанная на рис. 2.22) и рис. 2.26 (использовались натурные экспериментальные данные), на качественном уровне они обладают рядом похожих свойств: заостренности, в сторону расположения лобового стекла, центральных эквиуровневых линий; их сплющенности с боковых направлений; расположения областей, соответствующих максимальным искажениям фазы наблюдаемого поля, в передней и задней частях корпуса носителя.
Очевидно, что выбранная модель корпуса носителя (рис. 2.22) лишь при самом грубом рассмотрении может напоминать реальный микроавтобус - она сплошная, выполнена из идеально проводящего материала, лишена каких-либо скруглений, в ней отсутствуют элементы, моделирующие наличие окон, дверей, щелей, выступов и т.д.
Тем не менее, форма и размеры области с минимальными усредненными искажениями фазы наблюдаемого поля весьма похожи: для «реальной» антенной решетки эллиптической формы оптимальное расположение элементов «виртуальной» АР соответствует линиям, скорее похожими на сильно деформированную окружность с диаметром около 2 м.
В настоящей работе предложена методика оптимального расположения элементов «виртуальной» антенной решетки, основанная на построении карты поверхностей одинакового, усредненного по частоте и азимутальной координате, уровня искажений фазы наблюдаемого поля. При этом в качестве исходных данных могут использоваться значения, полученные в ходе натурных полевых измерений, или данные численного моделирования, полученные для отдельных азимутальных направлений и частот. Приведенная методика может быть полезной и при синтезе «реальных» антенных решеток мобильного базирования, так как позволяет оценить их оптимальную, по критерию минимальных искажений фазы наблюдаемого поля, усредненных по совокупностям отсчетов азимутальных углов и частот рабочего диапазона.
В заключение отметим, что применение указанной методики позволяет: - оптимальным образом расположить элементы радиопеленгаторной антенной решетки, предназначенной для функционирования в заданном диапазоне частот, не учитывая при этом, в явным виде, геометрию и материальные особенности корпуса носителя антенной решетки; - существенно улучшить точностные показатели мобильных радиопе-ленгаторных комплексов. В следующем подразделе рассмотрена методика повышения инструментальной точности мобильных радиопеленгаторов, основанная на оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки. Разработанная методика базируется на оригинальном способе аппроксимации данных натурных измерений (или - соответствующих данных численного моделирования) зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, для конечного множества углов падения электромагнитной волны в исследуемой полосе частот. Показано, что возможен оптимальный выбор координат элементов вспомогательной (физически не существующей, «виртуальной») антенной решетки, позволяющий существенно уменьшить систематическую погрешность пеленгования источников радиоизлучения.
В подразделах 2.1-2.5 показано, что существуют различные подходы, позволяющие значительно повысить точность оценки угловых координат источников радиоизлучения с помощью аппроксимации электромагнитного поля, измеренного в конечном множестве точек с помощью вибраторной антенной решетки мобильного или стационарного базирования. При этом можно не пользоваться никакой информацией о геометрических и материальных свойствах корпуса носителя антенной системы, а также - других близлежащих рассеива-телей. Использование подобных подходов может давать весьма эффективные результаты в случаях, когда геометрия или материальные свойства носителя могут изменяться неконтролируемым образом, а также - в случае сложности проведения большой серии натурных измерений, результаты которых используются для коррекции систематических погрешностей пеленгования.
В ряде случаев возможно использовать данные зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, при конечном множестве углов падения электромагнитной волны в исследуемой полосе частот, для формирования методики реально-временной коррекции инструментальной точности радиопеленгаторов мобильного базирования. Отличием последней является отсутствие необходимости хранения в памяти и использования зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, от азимутального угла для каждого дискретного значения частоты рабочего диапазона. Поэтому применение предлагаемой методики позволяет существенно повысить инструментальную точность мобильных радиопеленгаторов без ощутимого снижения их пропускной способности. Ниже описана сущность предлагаемой методики.
При оценке пеленга источника радиоизлучения с помощью антенной решетки, состоящей из N вертикальных вибраторных элементов, часто используется фазовый корреляционный метод [147], основанный на поиске максимума коэффициента корреляции D между измеренным фазовым распределением наблюдаемого электромагнитного поля Фп, n-l,2,...,N и расчетным фазовым распределением Р , n = l,2,...,N, к -1,2,...,К, где К - число разбиений углового пространства наблюдения (при оценке азимута, например, часто выбирают К - 360, что соответствует шагу изменения оценки азимута Sep, равному 1):
Разработка и исследование сверхширокополосной антенной системы полноазимутального комплекса пеленгования источников радиоизлучения УКВ и СВЧ диапазонов волн с произвольной поляризацией
Несмотря на имеющиеся различия между зависимостями, показанными на рис. 2.23 (для построения карт использовалась модель корпуса носителя антенной решетки, показанная на рис. 2.22) и рис. 2.26 (использовались натурные экспериментальные данные), на качественном уровне они обладают рядом похожих свойств: заостренности, в сторону расположения лобового стекла, центральных эквиуровневых линий; их сплющенности с боковых направлений; расположения областей, соответствующих максимальным искажениям фазы наблюдаемого поля, в передней и задней частях корпуса носителя.
Очевидно, что выбранная модель корпуса носителя (рис. 2.22) лишь при самом грубом рассмотрении может напоминать реальный микроавтобус - она сплошная, выполнена из идеально проводящего материала, лишена каких-либо скруглений, в ней отсутствуют элементы, моделирующие наличие окон, дверей, щелей, выступов и т.д.
Тем не менее, форма и размеры области с минимальными усредненными искажениями фазы наблюдаемого поля весьма похожи: для «реальной» антенной решетки эллиптической формы оптимальное расположение элементов «виртуальной» АР соответствует линиям, скорее похожими на сильно деформированную окружность с диаметром около 2 м.
В настоящей работе предложена методика оптимального расположения элементов «виртуальной» антенной решетки, основанная на построении карты поверхностей одинакового, усредненного по частоте и азимутальной координате, уровня искажений фазы наблюдаемого поля. При этом в качестве исходных данных могут использоваться значения, полученные в ходе натурных полевых измерений, или данные численного моделирования, полученные для отдельных азимутальных направлений и частот. Приведенная методика может быть полезной и при синтезе «реальных» антенных решеток мобильного базирования, так как позволяет оценить их оптимальную, по критерию минимальных искажений фазы наблюдаемого поля, усредненных по совокупностям отсчетов азимутальных углов и частот рабочего диапазона.
В заключение отметим, что применение указанной методики позволяет: - оптимальным образом расположить элементы радиопеленгаторной антенной решетки, предназначенной для функционирования в заданном диапазоне частот, не учитывая при этом, в явным виде, геометрию и материальные особенности корпуса носителя антенной решетки; - существенно улучшить точностные показатели мобильных радиопе-ленгаторных комплексов.
В следующем подразделе рассмотрена методика повышения инструментальной точности мобильных радиопеленгаторов, основанная на оптимальном выборе координат элементов «виртуальной» антенной решетки. Разработанная методика базируется на оригинальном способе аппроксимации данных натурных измерений (или - соответствующих данных численного моделирования) зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, для конечного множества углов падения электромагнитной волны в исследуемой полосе частот. Показано, что возможен оптимальный выбор координат элементов вспомогательной (физически не существующей, «виртуальной») антенной решетки, позволяющий существенно уменьшить систематическую погрешность пеленгования источников радиоизлучения.
В подразделах 2.1-2.5 показано, что существуют различные подходы, позволяющие значительно повысить точность оценки угловых координат источников радиоизлучения с помощью аппроксимации электромагнитного поля, измеренного в конечном множестве точек с помощью вибраторной антенной решетки мобильного или стационарного базирования. При этом можно не пользоваться никакой информацией о геометрических и материальных свойствах корпуса носителя антенной системы, а также - других близлежащих рассеива-телей. Использование подобных подходов может давать весьма эффективные результаты в случаях, когда геометрия или материальные свойства носителя могут изменяться неконтролируемым образом, а также - в случае сложности проведения большой серии натурных измерений, результаты которых используются для коррекции систематических погрешностей пеленгования.
В ряде случаев возможно использовать данные зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, при конечном множестве углов падения электромагнитной волны в исследуемой полосе частот, для формирования методики реально-временной коррекции инструментальной точности радиопеленгаторов мобильного базирования. Отличием последней является отсутствие необходимости хранения в памяти и использования зависимостей фаз напряжений, наведенных на нагрузках вибраторов антенной решетки, от азимутального угла для каждого дискретного значения частоты рабочего диапазона. Поэтому применение предлагаемой методики позволяет существенно повысить инструментальную точность мобильных радиопеленгаторов без ощутимого снижения их пропускной способности. Ниже описана сущность предлагаемой методики.
При оценке пеленга источника радиоизлучения с помощью антенной решетки, состоящей из N вертикальных вибраторных элементов, часто используется фазовый корреляционный метод [147], основанный на поиске максимума коэффициента корреляции D между измеренным фазовым распределением наблюдаемого электромагнитного поля Фп, n-l,2,...,N и расчетным фазовым распределением Р , n = l,2,...,N, к -1,2,...,К, где К - число разбиений углового пространства наблюдения (при оценке азимута, например, часто выбирают К - 360, что соответствует шагу изменения оценки азимута Sep, равному 1).
