Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Возможности и основные проблемы радиолокационного наблюдения при использовании сверхширокополосных сигналов
1.1. Пути повышения информативности радиолокационных измерений 17
1.2. Терминология сверхширокополосной радиоэлектроники 20
1.3. Энергетические требования к сверх широкополосным радиолокационным системам 29
1.3.1. Уравнение дальности радиолокационного наблюдения при использовании сверхширокополосных сигналов 30
1.3.2. Применение понятия ЭПР локального центра рассеяния цели при использовании сверхкоротких импульсов и сверхширокополосных сигналов 36
1.3.3. Требования к пиковой мощности передатчика сверхширокополосной РЛС 38
1.3.4. Возможности реализации требований по пиковой мощности в сверхширокополосной РЛС 45
1.4. Выводы по Главе 1 56
Глава 2. Особенности представления и обработки сверхширокополосных сигналов
2.1. Возможности обеспечения энергетических требований к сверхширокополосным радиолокационным системам с использованием активных синхронных антенных решеток 58
2.1.1. Активные синхронные антенные решетки 58
2.1.2. Особенности характеристик антенн при использовании сверхширокополосных сигналов 62
2.1.2.1 Возможности использования понятия диаграммы направленности при сверхширокополосных сигналах 63
2.2. Электромагнитная совместимость импульсных сверхширокополосных РЛС с узкополосными радиоэлектронными системами 73
2.3. Согласованная фильтрация простых сверхширокополосных сигналов 83
2.4. Возможности измерения скорости цели и угловых координат 88
2.5. Возможности регистрации и обработки сверхширокополосных импульсных сигналов наносекундной длительности 93
2.5.1. Стробоскопическое преобразование сверхширокополосных импульсных наносекундных сигналов 93
2.5.2. Стробоскопическое преобразование сверхширокополосных радиолокационных сигналов 98
2.5.3. Возможности модернизации метода стробоскопического преобразования для сверхширокополосных радиолокационных сигналов 102
2.6. Выводы по Главе 2 109
Глава 3. Возможности преодоления проблем высоких пиковых мощностей сверхширокополосных радиолокационных станций с использованием сложных импульсных сигналов
3.1. Сложные импульсные сверхширокополосные сигналы с дискретным кодированием временного положения 110
3.2. Законы формирования кода 118
3.2.1. Многозначные коды Кузнецова 120
3.2.2. Коды Хаффмана 124
3.2.3. Последовательность импульсов со случайными значениями временных сдвигов 126
3.2.4. Другие варианты кодирования 126
3.2.4.1 Увеличение длины кодовых последовательностей 135
3.2.5. Формирование кодовой последовательности по закону нониуса 136
3.2.5.1 Выбор величины сдвига импульсов в пачке при формировании нониуса 144
3.2.5.1 Влияние количества импульсов в пачке на рандомизацию спектра нониуса 147
3.2.6. Одновременная работа нескольких сверхширокополосных радио средств в одном диапазоне 147
3.3. Особенности обработки сложных импульсных сверхширокополосных сигналов
3.3.1. Субоптимальная обработка принятого сверхширокополосного сигнала 153
3.3.2. Способ обработки сложного импульсного сверхширокополосного сигнала 155
3.4. Выводы по Главе 3 165
Глава 4
4.1. Экспериментальное определение требований к точности элементов управления активными синхронными антенными решетками . 166
4.1.1. Структурная схема активной синхронной антенной решетки . 166
4.1.2. Результаты математического моделирования характеристик активной синхронной антенной решетки 170
4.1.3. Система сканирования 177
4.1.4. Результаты испытаний и исследования работы 4-х элементной активной синхронной антенной решетки 180
4.2. Экспериментальное исследование воздействия сверхширокополосных импульсных сигналов на прием телевизионных сигналов . 183
4.2.1. Хаотическая последовательность сверхширокополосных импульсов (ХИП) 183
4.2.2. Описание лабораторной установки 187
4.2.3.Описание эксперимента
4.2.3.1 Измерение параметров сверхширокополосного сигнала 193
4.2.3.2 Влияние сверхширокополосного сигнала на прием телевизионного сигнала 195
4.2.4. Результаты эксперимента 196
4.3. Выводы по Главе 4 203
Заключение 204
Используемая литература 206
Приложение 212
- Уравнение дальности радиолокационного наблюдения при использовании сверхширокополосных сигналов
- Возможности использования понятия диаграммы направленности при сверхширокополосных сигналах
- Выбор величины сдвига импульсов в пачке при формировании нониуса
- Результаты математического моделирования характеристик активной синхронной антенной решетки
Введение к работе
Сверхширокополосные (СШП) радиолокационные сигналы появились в результате стремления к улучшению разрешающей способности РЛС по дальности Аг за счет расширения спектра сигнала. Предельное значение ширины спектра Af соизмеримо с его средней частотой / > чт0 и было выбрано определением СШП сигнала [1].
Предельно высокая разрешающая способность СШП сигналов и соответственно предельно высокая точность оценки дальности привели с одной стороны к новым свойствам СШП радиолокационных систем в отношении измерения не только дальности, но и скорости и углового положения цели, а также получения некоординатной информации о размерах, форме цели, а с другой стороны потребовали использования новой элементной базы СШП радиоэлектронных средств с нано- и пикосекундными временными характеристиками и соответствующей временной стабильностью. В настоящей работе рассматриваются возникающие при этом проблемы и предлагаются решения некоторых из них.
Использование СШП радиоэлектронных средств началось уже в 70-е годы. Первые космические и авиационные радиолокационные станции (РЛС)
А/' имели невысокий показатель широкополосности /і = ~ < 0,5, при этом обеспе-
^0
чивалась разрешающая способность менее 1 м. Рекордные показатели имеет РЛС AN/FPS-108 "Cobra Dane" с дальностью действия 40000 км и разрешающей способностью около 0,5 м. Эффективное значение пиковой мощности у этой станции составляет 3-Ю МВт [2]. Авиационная РЛС AN/APS-116 продемонстрировала существенное достоинство СШП сигналов, основанное на малом импульсном объеме, - возможность обнаружения перископа подводной лодки на фоне неспокойного моря. РЛС миллиметрового диапазона со средней
частотой 94 ГГц, при ширине спектра 1 ГГц, обеспечивает разрешающую способность около 0,3 м и возможность классификации космических целей [2]. Отечественная РЛС "Неман" при средней частоте 4 ГГц и полосе 500 МГц также позволила опознавать цели в космосе. В целом преимущества использования сверхкоротких импульсов с большой шириной спектра в РЛС, определяющие их интенсивное внедрение, сводится к следующему:
Использование наносекундных импульсов обеспечит хорошее разрешение по дальности (порядка 1 м), что даст возможность обнаруживать и сопровождать движущиеся цели с малой эффективной площадью рассеяния на фоне больших стационарных помех.
При СІЇЇП радиолокационных сигналах, благодаря высокому разрешению по дальности, возможно определение скорости цели по наблюдению ее перемещения по координатам с достаточно высокой скоростью. Это устраняет ряд недостатков, свойственных допплеровским измерителям скорости ("слепые скорости" и др.). При соотношении длительности импульса ти и длительности интервала между импульсами Тп »ти отсутствуют
проблемы "мертвого" времени, когда блокирован приемник РЛС, и невозможно получение информации о целях.
3. Высокое разрешение по дальности позволяет проводить идентификацию
целей по отраженному импульсу. Действительно, все детали объекта с
размерами порядка 1 м (плоскости самолета, винты и т.п.) будут работать как независимые отражатели, создавая "пространственный портрет" цели, что даст возможность классифицировать цели в режиме реального времени по созданным заранее образцам эхо-откликов.
4. При бипозиционной схеме РЛС высокая точность оценки дальности
обеспечивает высокую точность оценки углов, подобно болыпебазовым
интерферометрам.
Важным направлением использования СШП сигналов на начальных этапах было измерение радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов в инте-
ресах их распознавания, построения радиолокационных изображений (РЛИ), снижения радиолокационной заметности и, напротив, разработки методов преодоления технологии "Стэлс". Такие исследования в 80-х годах проводились на полигоне RAT-SCAT на частоте 4 ГГц при достигаемой разрешающей способности в 15 см (при использовании цифровой инверсной фильтрации). В России аналогичные измерения проводились на измерительном комплексе "Цунами" в академии им. А.Ф. Можайского.
Проводившиеся исследования показали, что проблемы развития СШП направления являются достаточно общими для любых приложений и относятся ко всем аспектам радиолокационной техники: к теоретическому описанию сигналов и целей, к процессам формирования излучения и приема сигналов, к алгоритмам и средствам их обработки. Решение возможных проблем во всех этих областях определяется уровнем технологии в первую очередь в области формирования импульсных сигналов нано- и пикосекундной длительности и в области дискретизации таких сигналов с целью их обработки. Успехи, достигнутые в 90-х годах, определили быстрое расширение круга приложений СШП сигналов. На схеме рис.1 показаны основные из них.
Как отмечено выше, СШП радиосигналы определяются соизмеримостью ширины их спектра и его средней частоты. Высокая разрешающая способность СШП сигнала и свойство проникновения его в среду в задачах дистанционного зондирования, в совокупности с появившимися к настоящему времени принципиально новыми аппаратными средствами формирования, излучения, приема и обработки СШП сигналов позволяет говорить о СШП радиолокационных измерителях как о новом, перспективном классе радиолокационных систем. Многими исследователями за это время была положительно оценена возможность использования СШП сигналов в радиолокационных измерителях в широком круге приложений [3-12]. В число решаемых задач входят:
дистанционное зондирование;
картографирование местности;
Охранные системы
Сверхширокополосные системы
Импульсная радиосвязь
Радиолокация
Подповерхностное и
проникающее зондирование (GPR)
Построение
радиолокационных
изображений
Совершенствование РЭА
Авиа
Космическая
FOLPEN
Задачи МЧС
Снижение
радиолокационной
заметности
Измерение РЛХ
Метеорология
Автомобильная
Дороги
Медицинская томография
Инженерные сооружения
Рис.1
Радиоизмерительная
техника во временной
области
Натурные
Полигонные
Лабораторные
обнаружение и распознавание малозаметных радиолокационных целей, контроль радиолокационной заметности объектов вооружения и военной техники;
получение СПШ радиолокационных характеристик ракетных, космических и авиационных объектов с целью их распознавания, определения состояния, ориентации и др.;
прецизионная навигация воздушных и морских судов при проводках в узкостях, в групповых полетах и др.;
проникающее и подповерхностного зондирования (разминирование, обнаружение трубопроводов и других скрытых целей)
и другие задачи оборонного и коммерческого характера.
Широкое применение СШП технологии нашли в средствах связи для систем беспроволочных коммуникаций:
полнодуплексные цифровые радиостанции, а также "подземные" радиостанции, обеспечивающие подповерхностную радиосвязь и позволяющие работать не только под землей, но и под водой там, где обычные радиостанции бессильны;
высокоскоростные СШП радиоканалы для дистанционного управления роботами, манипуляторами и другими техническими объектами. Помимо стандартной передачи команд управления такие системы позволяют принимать видеоизображения, что значительно облегчает управление объектами.
Американская фирма Time Domain Corp. разработала систему с импульсными СШП сигналами наносекундной длительности (Impulse Radio) и рассматривает это как этапный шаг в создании связных систем будущего [13,14]. Одним из существенных достоинств импульсного радио является отсутствие интерференции между зондирующим сигналом с его отражениями от различных объектов, что обеспечивает хорошую связь внутри помещений и в условиях
сложного рельефа, где неудовлетворительна или невозможна работа традиционных связных и локационных технологий.
На основе СШП технологий разрабатываются датчики движения и определения местоположения объектов, а также системы построения изображений на основе информации, получаемой с этих датчиков. Лидером в таких разработках на сегодняшний день является американская компания "Multi Spectral Solution Inc" (MSSI) [2]. Знание текущего местоположения объектов имеет огромное значение во многих военных задачах и гражданских службах.
На сегодняшний день существуют различные типы электронных устройств решающих задачу позиционирования. Большинство не СШП датчиков такого типа можно разделить на три вида:
микроволновые датчики - использующие электромагнитное излучение высо
кой частоты. Схема такого датчика основана на генераторе с "открытым
контуром". Любой объект, попадающий в зону действия генератора (поля)
вызывает изменение рабочих параметров генератора. Схема контроля реаги
рует на эти изменения и выдает соответствующие сигналы.
Ультразвуковые датчики - используют звуковые волны высокой частоты.
Принцип действия таких датчиков аналогичен сонарам на подводных лодках.
Инфракрасные датчики, использующие излучение света в инфракрасном
диапазоне. Пассивные датчики используют тепловое излучение объектов.
Активные датчики построены по принципу радаров.
Область применения этих датчиков ограничена, вследствие ряда недостатков. Ультразвуковые и микроволновые датчики чувствительны к изменению температуры и влажности окружающей среды. В пассивных инфракрасных датчиках может возникать триггерный эффект при воздействии стороннего мощного источника света или тепла. Даже простой лист бумаги может полностью блокировать действие ультразвукового датчика. Микроволновые доплеровские датчики интерферируют с другими датчиками, расположенными поблизости или с другими радио-
средствами, работающими в этом диапазоне. Область применения ограничивают также физические свойства распространения и отражения электромагнитных волн.
Многие из этих недостатков устраняются при работе с датчиками, использующими в качестве зондирующих сигналов СШП импульсы. Как известно, обычные узкополосные сигналы, отражаясь от цели, не изменяют свою форму, а диаграммы отражения имеют изрезанную, лепестковую структуру. СШП сигнал отражается от каждого элемента цели, в результате чего, отраженный сигнал представляет собой сложный портрет цели. Таким образом, СШП РЛС может получать большее количество информации о цели.
СШП датчики движения могут быть использованы для широкого круга приложений. Они используются в охранных системах с высокой разрешающей способностью и помехоустойчивостью. Для автотранспорта существует несколько вариантов применения: датчик может устанавливаться внутри салона и использоваться совместно с охранной системой автомобиля и/или устанавливаться на бамперы, что позволяет расширить возможности бортового компьютера автомобиля: парковка автомобиля, круиз-контроль, управление подушкой безопасности, оценка качества дороги (обледенение, мокрый асфальт и т.п.).
Использование СШП датчиков в системе обзора взлетно-посадочной полосы, является новым словом в системах обзора летного поля. Традиционно системы обзора летного поля основаны на службах визуального контроля. В аэропортах с высоким графиком движения на помощь людям приходят сложные электронные системы, ядром которых является мощный радар, работающий в радиусе всего аэропорта. Ввиду высокой стоимости, такие системы эффективны только в больших аэропортах, где наземные службы контроля не способны круглосуточно следить за всей территорией аэропорта. Вместо использования одного радара целесообразно использовать многопозиционную радарную систему, представляющую собой массив СШП датчиков. Низкая мощность отдельных радаров позволяет снизить загруженность эфира в аэропорте.
Новые интересные применения СІЇЇП технологии нашли в медицине. СШП датчик способен реагировать на биение сердца, т.е. его можно использовать как электрокардиологический прибор (ЭКП). В отличие от обычных ЭКП, СШП датчик способен снимать кардиограмму дистанционно. Эта особенность позволяет снимать электрокардиограмму в тяжелых случаях, когда использование обычных ЭКП не возможно (сильные ожоги, травмы и т.п.).
В последние годы значительно вырос интерес к подповерхностной радиолокации (Ground Penetrating Radar). Цель подповерхностной радиолокации состоит в дистанционном обнаружении, определении координат и идентификации скрытых объектов. В 70-ых годах с использованием достижений в антенной технике и разработок ряда университетов и научно-исследовательских институтов фирмой Geophysical Surveys Systems Inc. (США) был разработан и испытан первый бортовой СШП радар подповерхностного зондирования [2,15,16]. Первый коммерческий проект с применением подобного радара, работающего в полосе частот 200 - 400 МГц, был осуществлен в 1979 году компанией SRI International (США), когда в течение 7 лет картографировались области центрального Калимантана (Борнео) покрытые тропическим лесом. Данные того периода показали, что бортовой радар такого типа мог проникать не только сквозь толщу леса, но и под почву. Стало ясно, что ту же методику, но с другой геометрией антенны, можно использовать в антеннах с синтезируемой апертурой (САР) с боковым обзором и тем самым улучшить разрешающую способность по азимуту [2]. РЛС подповерхностного зондирования широко применяются на практике при рещении следующих задач:
обнаружение пластиковых и металлических мин и других боеприпасов под землей и в жидкостях;
измерение толщин, местоположения подповерхностных слоев, инородных включений, канализационных труб и коммуникационных сетей;
контроль за состоянием полотна дорог;
разведка полезных ископаемых
обнаружение жертв под завалами зданий и сооружений, возникших в результате катастроф
и др. Подповерхностная радиолокация существенно отличается от традиционной радиолокации для наблюдения за самолетами, кораблями, земной поверхностью и т. д. Системы подповерхностного зондирования должны соответствовать противоречивым требованиям при выборе длины волны. Для минимальных энергетических потерь при распространении в грунте необходимо использовать низкочастотный, а для обеспечения предельной разрешающей способности при зондировании объектов с размерами порядка длины волны - высокочастотный диапазон с должной полосой частот. Это приводит к непригодности для применения в подповерхностном зондировании широко используемого в радиолокации сантиметрового диапазона радиоволн. Поэтому в СШП РЛС подповерхностного зондирования используются метровые и частично дециметровые волны.
Переход в низкочастотный диапазон волн повышает глубину зондирования, но в тоже время ухудшает разрешающую способность по дальности и приводит к ухудшению направленных свойств антенн, т. е. к снижению углового разрешения.
Решить проблему разрешения по дальности, а также существенно увеличить информативность радаров, удается с использованием СШП сигналов. На сегодняшний день существует несколько СШП САР-радаров дистанционного зондирования, среди которых можно выделить радар дециметрового диапазона FOLPEN (Foliage Penetration VHF Impulse SAR), разработанный кампанией SRI International (США) для обнаружения целей, скрытых под листвой и радар CARABAS (Coherent All Radio Band Sensing) шведской кампании FOA, способный обнаруживать искусственные объекты, скрытые под землей или листвой. Отметим использование в разработках компании SRI уникальных полупроводниковых приборов российской организации ООО "Импульсные системы".
Среди известных отечественных радаров можно выделить авиационный локатор на базе широкополосного низкочастотного георадара для комплекса системы подорбитального мониторинга "Сорока". Назначение локатора заключается в зондировании подстилающей поверхности земли, позволяющее исследовать структуру поверхностного слоя грунта на глубины от единиц метров до нескольких сот метров в зависимости от свойств грунта в интересах геологии, мелиорации, экологии, строительства, археологии, коммунального хозяйства.
Расширение круга приложений СШП сигналов не изменило общность проблем, требующих новых решений. В первую очередь представляет интерес анализ методов формирования СШП сигналов и их обработки, имеющих существенные особенности по сравнению с традиционными РЛС. Исследованию этих вопросов посвящена настоящая диссертация.
Уравнение дальности радиолокационного наблюдения при использовании сверхширокополосных сигналов
Отметим также, что приемник в описываемой РЛС построен по классической схеме с преобразованием частоты и детектированием, при этом дальнейшее уменьшение длительности импульса по сравнению с ти = 5 не весьма затруднено. Альтернативные способы построения приемных устройств СШП РЛС рассматриваются в Главе 2. Другим средством формирования СШП радиоимпульсов наносекундной длительности с гигаваттной мощностью является использование газовых разрядников [32]. При этом для формирования импульсов с пиковой мощностью 1,3 ГВт необходимо напряжение 200 кВ. Газовые разрядники с азотом под дав 7 лением 60 атмосфер требуют очистки после 10 импульсов. Антенна также помещается в элегаз. Частота повторения 100 Гц, частота запуска - доли наносекунды. Передатчик имеет массу 100 кг и стоимость около 1 млн. долларов США.
Оригинальный способ формирования СШП радиоимпульсов с мощностью до 1 ГВт разработан в НИИ ЯФ г.Томска [33]. Способ заключается во временной компрессии энергии магнетрона, накопленной в резонаторе, при пробое электрического разрядника. Частота повторения импульсов достигает 400 Гц, но временная нестабильность разрядника (джиттер) затрудняет когерентную обработку сигналов. Масса генератора около 200 кг.
В лаборатории LANL (США) был разработан формирователь сверхмощных СШП радиоимпульсов [15]. В качестве генератора используется так называемый Blumlein-формирователь, заряжаемый напряжением 7,5 MB, а в качестве переключателя используется арсенидгалиевыи стимулируемый лазерным излучением ключ. Антенна представляет собой усеченный конус диаметром лучением ключ. Антенна представляет собой усеченный конус диаметром 73м и высотой 40 м. На расстоянии 264 м и высоте 152 м пиковое значение напряженности электрического поля составляет 8 кВ/м.
Таким образом, прямые методы формирования импульсных сигналов на-носекундной длительности с гигаваттными уровнями мощности реализуются с применением специальных электронных приборов с уникальными техническими показателями. Такие приборы имеют сложные конструктивные решения, низкие эксплуатационные характеристики, создают существенные экологические проблемы и в то же время обладают невысокой средней мощностью. Так при длительности импульса ти = 2 не и пиковой мощности 1 ГВт энергия импульса составляет 1 Дж, что при достижимой частоте повторения 100 Гц составляет среднюю мощность 100 Вт. Сравнительно низкая стабильность параметров формирователей на ионных и электронных приборах препятствует накоплению энергии путем когерентной обработки. По-видимому, молено считать потенциальные возможности этого класса приборов исчерпанными.
Использование полупроводниковых переключателей с пикосекундными скоростями не позволяет рассчитывать на формирование СШП импульсов ги-гаваттного уровня. Однако вследствие возможности прецизионного управления временным положением импульсов открывается возможность когерентного суммирования СШП сигналов, что значительно расширяет круг доступных по энергетике задач формирования СШП сигналов. Исследование этих вопросов составляет главный предмет настоящей диссертации.
Охарактеризуем возможности формирования СШП импульсных сигналов для радаров с дальностью действия до 20-30 км. В ФТИ им. А.Ф.Иоффе и в ООО "Импульсные Системы" разработаны генераторы с использованием дрейфовых транзисторов, диодов с резким восстановлением и диодов на задержанной ионизации, обладающие уникальными техническими показателями, некоторые из которых приведены в таблице 1.1. Эти приборы обладают малой величиной джиттера (дрожания фронта), составляющей 20-30 пс в мощных и менее пс в маломощных генераторах. Это свойство составляет основу возможностей любой когерентной обработки используемых импульсов [34,35]. Кроме того, ресурс наработки приборов практически неограничен, что определяет высокие эксплуатационные качества формирователей. В табл. 1.1 приведены значения пиковой мощности Рт одиночных импульсов при различном питающем напряжении Um. Предусматривается получение увеличенной пиковой мощности Рэ за счет накопления N импульсов в посылке. Длительность посылки в единицах импульсов N определена из условий возможного накопления энергии в течение интервала Т = 1 мс, за который цель со скоростью 300 м/с не выйдет из интервала разрешения при длительности импульса в 1 не. Из табл. 1.1 следует, что использование единичных приборов обеспечивает максимальную мощность до единиц мегаватт с использованием умеренных напряжений до 10 кВ, что не вызывает существенных проблем при построении и эксплуатации аппаратуры. Для получения мощности в 10 МВт требуется напряжение в 30 кВ, и проблемы электрической прочности элементов передатчика возрастают многократно. Возникающее при этом рентгеновское излучение создает экологические проблемы. Поэтому при конструировании СШП радара наибольший интерес представляет возможность обеспечения требуемого для заданной дальности энергетического потенциала при использовании переключателей с минимальным напряжением. Это возможно, во-первых, при накоплении энергии последовательности излучаемых импульсов. В табл. 1.1 показано увеличение эффективной мощности при накоплении энергии N импульсов. При этом напряжения отсчетов СШП импульсов складываются когерентно, а отсчеты шума - стохастически, в результате чего достигается выигрыш в отношении сигнал/шум в N раз, что отображено в табл. 1.1 величиной эффективной мощности Рэ. Решение энергетической проблемы путем использования сложных сигналов с большой величиной базы В - произведения длительности сигнала Тс на ширину его спектра Af хорошо известно в радиолокации. При этом СШП сигналы могут быть сформированы любым известным традиционным способом: - как ЛЧМ сигнал; - как сигнал со ступенчатым изменением частоты; - как импульсный сигнал и др. Традиционные электронные приборы, в первую очередь ЛБВ, ЛОВ для формирования СШП ЛЧМ сигналов или сигналов со ступенчатым изменением частоты требуют больших энергетических и экономических затрат и обладают большими массо-габаритными параметрами. Так, например, стоимость формирователя на основе ЛБВ мощностью 120 Вт составляет свыше 50000$. При ис пользовании формирователей на основе таких электронных приборов, как ЛБВ существенно затруднена работа на частотах ниже 1 ГГц. Аналогично низкими техническими, эксплуатационными и экономическими показателями обладают схемы формирования сигналов со ступенчатым изменением частоты. Поэтому наибольшее распространение в качестве СШП сигналов приобретают импульсные СШП сигналы. Задача формирования сложного импульсного СШП сигнала с хорошими корреляционными свойствами может быть решена при возможности управления временным положением импульсов с пикосекундной точностью. Исследование таких возможностей составляет один из основных вопросов настоящей диссертации.
Возможности использования понятия диаграммы направленности при сверхширокополосных сигналах
Проблема регистрации, наблюдения и обработки наносекундных импульсов является одной из основных с самого начала развития этой техники. Прямое электронно-лучевое осциллографирование ограничено верхними частотами около 5 ГГц, при этом чувствительность к отклонению не велика и составляет около 1 В на клетку экрана (отечественный осциллоскоп С1-70). До середины 90-х годов не существовало и аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) с частотами дискретизации более 100-200 МГц. Поэтому главным методом наблюдения и регистрации, обеспечившим по существу не только развитие нано-и пикосекундной техники, но и вообще создание быстродействующей полупроводниковой элементной базы для радиоэлектроники, в том числе вычислительной техники, оказалось стробоскопическое преобразование [1,24,47]. Уже в середине 70-х годов стробоскопические осциллографы ведущих фирм (Hewlett Packard, Tektronix, Jwatsu, "Кварц") имели полосу частот в 12,4 ГГц, в настоящее время этот показатель достиг величины в 50 ГГц. Рассмотрим возможности применения стробоскопических преобразователей для регистрации СПШ импульсных наносекундных сигналов.
Суть стробоскопического преобразования в радиоэлектронике вполне совпадает с известным в кинематографии эффектом, когда период повторения кадров немного не совпадает с периодом, например вращения колеса. Изображение вращающегося колеса может остановиться, вращаться медленно и даже в другую сторону. На рис.2.30 представлен принцип стробоскопического преобразования периодической последовательности импульсов, осуществляющий изменение временной шкалы преобразованного сигнала, т.е. его масштабно-временное преобразование. Такой вид преобразования сигнала рассматривался в Главе 2 в связи с радиолокационным наблюдением движущихся целей. Применительно к схемному выполнению стробоскопического преобразования подчеркнем как принципиальную необходимость периодичность преобразуемого сигнала. Некоторое ослабление этого требования будет рассмотрено ниже. Для ясности изображения на рис.2.30 рассматриваются треугольные видеоимпульсы. Для СШП радиоимпульсов все соотношения сохраняются.
Стробоскопическое преобразование осуществляется путем выборки отсчетов сигнала s(t) с помощью коротких стробимпульсов c(t), период следования которых Тс отличается от Тп на величину At - шаг считывания. В результате преобразованный сигнал s (t) представляется отсчетами сигнала s(t) с интервалами Т -Т + At , т.е. временной масштаб преобразованного сигнала изменяется в
Полученные отсчеты сигнала (Samples) сохраняются в цифровой форме в устройстве памяти (Hold). Такие устройства известны в составе АЦП и называются схемами выборки-хранения (СВХ или S&H). Поскольку процесс выборки отсчетов сигнала s(t) эквивалентно вычислению произведения мгновенных значений сигнала s(t + iT ) и стробирующих импульсов c(t + i(T + At )), то аналоговое описание стробоскопического преобразования выражается При этом коэффициент масштабно-временного преобразования Кс определяется как отношение скорости задержанного г и реального времени При этом форма стробирующего импульса не имеет значения, достаточно лишь, чтобы спектральная плотность стробирующего импульса S (/") была достаточно равномерной в пределах, занимаемых спектром сигнала S(f). Это следует из того, что спектр свертки определяется спектром ее сомножителей [29]. Поэтому можно, например, в качестве стробимпульсов использовать СШП радиоимпульсы с длительностью, соответствующей условию (2.16). Основные ограничения метода стробоскопического преобразования связаны, как отмечалось, с требованиями периодичности преобразуемого сигнала. Во-первых, практические требования к периодичности импульсного сигнала выражаются в требованиях к стабильности частоты их повторения F =1/Г , которая должна сопоставляться с величиной шага считывания At . При наносе-кундных импульсах величина At выражается в единицах пикосекунд, а в современных моделях стробоскопических осциллографов даже в десятках фемто-секунд. Чтобы обеспечить долговременную стабильность временного положения импульсов сигнала, незначительную по сравнению с этой величиной, требуется относительная нестабильность частоты повторения сигнала порядка 3F —-10 . Реализация такой долговременной стабильности представляет ственные затруднения даже при использовании современных средств стабилизации частоты повторения. Поэтому при осуществлении стробоскопического преобразования запуск генератора сигналов s{i) и генератора стробимпульсов c(t) осуществляется от общего достаточно стабильного генератора (системных часов), а функция стробпреобразователя состоит в выработке необходимого временного сдвига і-At с соответствующими требованиями к кратковременной точности определения временного положения. Такая схема совпадает с известной схемой внешней синхронизации осциллоскопа и легко реализуется в лабораторных условиях. Затруднений не возникает и при монопозиционном радиолокационном зондировании, когда передатчик и приемник находятся вместе, хотя выравнивание задержек различных электронных устройств при передаче наносекундных импульсов может вылиться в специальную задачу. Типовой характер отмеченной проблемы определяет наличие в каталогах ведущих фирм специальных приборов управляемой задержки наносекундных импульсов, например, HP 8005.
Выбор величины сдвига импульсов в пачке при формировании нониуса
На вход этого устройства от источника входных сигналов подают последовательность импульсов с дискретным кодированием временного положения ATj (рис.3.296), соответствующей используемому коду, хранящемуся в запоминающем устройстве кода. Полученные в устройстве стробирования и хранения выборки подвергают преобразованию в цифровую форму в АЦП. Моменты выборки относительно начала парциального импульса одинаковы для всех N импульсов каждой пачки (рис.3.29в,г) и отличаются для каждой предыдущей и последующей пачки вследствие изменения содержимого счётчика числа пачек и соответственно выходного кода сумматора на +1, что определяет изменение задержки таймера на один интервал дискретизации Atc (если не выбрано иначе). На рис.3.29в показаны выборки входного сигнала для m-ой пачки со сдвигом по времени на Atc по отношению к началу каждого парциального импульса. На рис.3.29г показаны выборки входного сигнала для (/ю+1)-ой пачки из N импульсов, имеющие запаздывания 2 At . Коды выборок с выхода АЦП подают в накапливающий сумматор и по сигналу переноса счётчика импульсов, соответствующему N-му импульсу пачки, записывают в запоминающее устройство выходного цифрового сигнала. Этим же сигналом переноса с необходимой аппаратной задержкой устанавливают в ноль накапливающий сумматор для работы со следующей пачкой импульсов. На шину адреса запоминающего устройства выходного сигнала подают двоичный код с выхода счётчика пачек для определения адреса используемой ячейки памяти запоминающего устройства выходного сигнала. На рис.3.30 показаны отсчеты выходного сигнала в эквивалентном времени 11 NT. Они представляют собой результаты суммирования жёстко коррелированных выборок парциальных импульсов в каждой пачке и в соответствии с рис.3.29в,г составляютNA/2 при т = 1 и NA при w=2. Таким образом, стробоскопическое преобразование формы парциального импульса при соответствующем выборе величины шага дискретизации А/с обеспечивает метрологически точное воспроизведение формы (тонкой структуры) парциального импульса, как показано штриховой линией на рис.3.30, с сохранением заключенной в радиолокационном сигнале информации. В то же время при наличии в составе входного сигнала аддитивного шума отсчёты шумовой составляющей разнесены на интервалы Г + АГ. (рис.3.29а), поэтому они некоррелиро ваны и суммируются как средний квадрат из суммы парциальных дисперсий. Следовательно, реализация способа стробоскопической обработки импульсных сверхширокополосных сигналов с дискретным кодированием временного положения импульсов по структурной схеме рис.3.28 осуществляет стробоскопическое масштабно-временное преобразование с точным воспроизведением формы (сохранение информации) радиолокационных сигналов и одновременно оптимальную обработку пачки импульсов, что обеспечивает потенциально возможное улучшение отношения сигнал/шум в -JN раз в соответствии с соотношениями, полученными в этой главе. Возможность оптимальной обработки пачки импульсов отсутствует во всех известных способах стробоскопического преобразования радиолокационных сигналов.
Существенным преимуществом предлагаемого способа цифровой обработки радиолокационных сигналов с дискретным кодированием временного положения импульсов является наличие в составе структурной схемы рис.3.28 в основном традиционных схемотехнических элементов цифровых устройств: запоминающего устройства кода, счётчиков импульсов и числа пачек и цифрового сумматора, представляющих традиционные схемотехнические элементы цифровых устройств. Поэтому влияние наличия этих элементов на общую стоимость, габариты и энергопотребление устройства по структурной схеме рис.3.28 по сравнению с существующими стробоскопическими преобразователями проявляется в минимальной мере.
Стробоскопическое преобразование радиолокационных сигналов в наибольшей степени применяется в отношении сигналов с шириной спектра в несколько гигагерц, или при длительностях импульсов в единицы и доли наносекунд, когда другие способы обработки неприемлемы. В составе структурной электрической схемы рис.3.28 для реализации способа стробоскопической обработки импульсных сверхширокополосных сигналов с дискретным кодированием временного положения требования в отношении широкой полосы частот, необходимой для преобразования сверхширокополосных сигналов, предъявляются только к генератору импульсов стабильной частоты повторения, таймеру, генератору стробирующих импульсов и устройству стробирования и хранения выборки. Все эти элементы входят в состав существующих стробоскопических преобразователей. В качестве таймера могут быть использованы любые устройства задержки, управляемые цифровым кодом, например микросхема AD 9500, но наиболее эффективны, как отмечалось, специальные микросхемы, изготавливаемые по современной Si/SiGe технологии, например, компанией Time Domain Corp [14].
Таким образом, предложенный способ может реализовывать алгоритм обработки сложных импульсных СІІШ сигналов с дискретной модуляцией временного положения при использовании современной быстродействующей элементной базы.
Сложные импульсные сигналы с дискретным кодированием временного положения парциальных импульсов являются средством преодоления проблем высоких пиковых мощностей в СШП радиолокации. Использование в разработанной модели СШП сигнала предложенного правила формирования кода позволяет достичь идеальных корреляционных свойств импульсного сигнала. Предложенный субоптимальный алгоритм обработки СШП сигнала, осуществляющий одновременное сжатие сложного сигнала с целью реализации его энергетического потенциала и метрологически точное воспроизведение тонкой структуры парциального импульса с целью сохранения информации, доставляемой СШП радиолокационным сигналом, и разработанный способ его осуществления обеспечивают решение задачи обработки с использованием существующей быстродействующей элементной базы.
Результаты математического моделирования характеристик активной синхронной антенной решетки
Влияние сверхширокополосного сигнала на прием телевизионного сигнала Сигнал с выхода одного из задающих перестраиваемых по частоте генераторов РПИ или ХИП (рис.4.19) подается, через усилитель-формирователь, на входы маломощных генераторов СШП сигналов (выбор генератора осуществляется переключателем П2). В случае генератора ХИП перестраивается средняя частота следования импульсов, выбор конкретного задающего генератора осуществляется переключателем П1.
Одновременно этот сигнал поступает на вход частотомера для контроля частот следования импульсов запуска. Выходной сигнал СШП генератора через имитатор СШП антенны и аттенюатор поступает на один из входов ВЧ сумматора, на другой вход которого, также через аттенюатор, подается сигнал с выхода имитатора телевизионного сигнала. С выхода ВЧ сумматора СШП смесь сигналов подается на вход телевизионного приемника.
Аттенюаторы позволяют изменять отношение сигнал/помеха и общий уровень смеси. Влияние СШП сигнала на качество изображения оценивается визуально. Точная оценка влияния помех на характеристики изображения затруднена из-за субъективности оценки качества изображения, обычно эту оценку получают на основе статистических измерений с привлечением большого числа наблюдателей. Визуально помеха в зависимости от ее вида может появиться на экране в виде точек, линий, полос вплоть до полного срыва изображения.
Сравнивалось влияние на качество телевизионного изображения второго телевизионного канала (58-66 МГц) двух типов мешающих СШП сигналов (РПИ и ХИП) при различной частоте следования импульсов от 15 кГц до 1,2 МГц. Длительность СШП импульсов т„ = 4 не и т„ = 0,6 не, интенсивность СШП сигналов на выходах генераторов Uri = 300 мВ и Ur2 = 1,2 В, интенсивность телевизионного сигнала на выходе имитатора UTVHM = 28 мВ, интенсивность телевизионного сигнала на входе приемника UTV = 1,4 мВ (выбрано в соответствии с ГОСТ 11261-83 для минимального уровня сигнала на выходе абонентской телевизионной розетки 57 дБ/мкВ). Уровни помех, поступающие с имитаторов СШП сигналов 1 и 2 ослаблялись с помощью аттенюаторов до уровней Uni = иП2 ЮО мВ в соответствии с расчетами п.2.1. Главы 2. При этом отношение сигнал/помеха по напряжению на входе приемника составляло h «0,1. На рис.4.20 представлена фотография, сделанная с экрана телевизора при отсутствии СШП помехи. СШП сигнал в виде РПИ проявлялся в виде хаотически перемещающихся линий, полос, и неподвижных при кратности частоты следования импульсов последовательности и частоты строчной развертки. На рис.4.21 показано телевизионное изображение при воздействии РПИ помехи с частотой F =15,625кГц - синхронная помеха с частотой строчной развертки / Помеха проявляется в виде полосы в вертикальной плоскости экрана, перемещающейся с разностной частотой f = F - f .На рис.4.22 показано те рази п стр.р г левизионное изображение при воздействии РПИ помехи с частотой незначительно отличающейся от частоты строчной развертки - несинхронная помеха. Помеха проявляется в виде хаотично перемещающихся с частотой расстройки наклонных полос. При совпадении во времени мешающих СШП импульсов последовательности с импульсами строчной развертки наблюдался сбой строчной развертки. При увеличении частоты повторения импульсов F наблюдался сбой в канале изображения, по строчной и по кадровой разверткам (рис.4.23), а при ряде частот следования импульсов РПИ (например, при частоте F -1,1 МГц) наблюдался полный срыв всех видов синхронизации и полной потерей изображения, т.е. сбой в системе АПЧГ (рис.4.24). Действие ХИП при малых частотах повторения импульсов проявлялось в виде "снега" на экране телевизионного приемника (рис.4.25). При увеличении частоты повторения импульсов F до 1,2 МГц наблюдалось увеличение степени поражения канала яркости (большая интенсивность "снега"), но сбоев в системе АПЧГ не было (рис.4.26).
