Введение к работе
Актуальность проблемы.
Эффективность радиолокационных комплексов и их устойчивость к воздействию средств радиоэлектронного противодействия в значительной степени определяется характеристиками антенных систем. Последним обусловлены особые требования к точности определения внешних электромагнитных полей (ЭМП) при антенных измерениях. Решение задач обнаружения и сопровождения нескольких объектов слежения (как в свободном пространстве, так и на фоне земной поверхности), картографирования и коррекции радиолокационными комплексами связана с необходимостью формирования многолучевых диаграмм направленности (ДН), а также ДН специальной формы в заданной области пространства.
Методы восстановления полей излучения антенн по измерениям в ближней зоне стали развиваться с середины 60-х годов прошлого века. Первые работы Д. Кернса были связаны с восстановлением полей излучения антенн по результатам планарного зондирования в ближней зоне. Позднее были освоены методы восстановления полей излучения антенн по измерениям на цилиндрической (В. Лич, Д. Пэрис) и сферической (А. Людвиг, Дж. Хансен) поверхностях. В нашей стране подобные методы развивались под руководством Л.Д. Бахраха, А.П. Курочкина, П.М. Геруни и др. Во всех случаях антенна рассматривалась как уединенный источник ЭМП. Вместе с тем, даже в безэховых камерах, присутствует поле, отраженное от стен и расположенной вокруг аппаратуры, что заставляет искать пути, позволяющие выделить излученное поле на фоне отраженного. Впервые решение подобной задачи в декартовой и цилиндрической системах координат было получено в работах Б.Г. Беляева. Однако эти решения не учитывают направленных свойств зонда и не содержат рекомендаций относительно взаимного расположения поверхностей, на которых измеряется амплитудно- фазовое распределение ближнего поля. В трудах Е.П. Воронина, Е.Е. Нечаева и др., предлагается подход к решению этой задачи: по измерениям определяются распределения токов как на исследуемом, так и на помехонесущем источнике, а затем раздельно определяются их поля. Такой подход может быть полезным в задачах СВЧ-дефектоскопии излучающих систем, а для определения внешних полей реальных источников он может представляться неоправданно усложненным. На кафедре ТОЭ ЛИАП по руководством В.Я. Лаврова разрабатывалась идеология численно-аналитического пути построения математических моделей полей сложных источников в широком диапазоне частот (включая квазистационарный) на основе минимальной экспериментальной информации на поверхности, охватывающей источники поля. Следует заметить, что немалая часть материалов диссертации была получена автором за длительный период работы в составе научного коллектива, руководимого В.Я. Лавровым.
В настоящее время существуют методы, позволяющие за счет возбуждения антенны сверхкороткими импульсами (единицы пс) и последующего стробирования определить сигнал отклика антенны на фоне отраженного. Этим методам присущи свои недостатки: необходимость применения дорогой измерительной техники; нарушение принципа взаимности при возбуждении антенны сверхкороткими импульсами; сложность организации измерений при исследовании АФАР и антенн с большими апертурами; сложности с подавлением мешающих отражений за счет стробирования при исследовании широкополосных антенн с длительностью импульсов 50 и более нс в условиях компактного полигона. Применительно к узкополосным антеннам времяимпульсные методы не исключают, а дополняют традиционные амплифазометрические.
Важной задачей по снижению радиолокационной заметности является обеспечение требуемых радиолокационных характеристик (РЛХ) рассеяния антенн Характеристики рассеяния (как моностатические, так и бистатические) определяются полной поляризационной матрицей рассеяния исследуемого антенного устройства. Матрица рассеяния может быть определена на основе анализа ЭМП, отраженного исследуемой антенной.
Определение вторичных полей на фоне падающих актуально при исследовании характеристик радиопоглощающих материалов или аттестации безэховых камер, в которых проводятся антенные измерения.
Работоспособность систем радиолокации и связи на практике невозможно обеспечить без детальной оценки электромагнитной обстановки и выполнения анализа межсистемной и внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС). В последние годы эта проблема приобрела особую актуальность в связи с развитием широкополосных и сверхширокополосных радиосистем, потребовавшим разработки методов их проектирования и испытаний. Обеспечение ЭМС широкополосных систем представляет собой сложную задачу, основой которой является определение характеристик излучения антенн таких систем.
Таким образом, определение характеристик излучения и РЛХ рассеяния антенных систем и радиолокационных объектов, волновой диагностики антенных систем, поглощающих характеристик материалов антенных полигонов, исследование устройств и систем на индуктивную ЭМС предполагает определение пространственно-частотной (или пространственно-временной) структуры ЭМП. Теоретические и экспериментальные методы определения такой структуры ЭМП далеки от совершенства и требуют дальнейшего развития.
Целью диссертации является повышение эффективности и точности определения характеристик излучения и рассеяния антенн, волновой диагностики, анализа электромагнитной совместимости радиосистем через антенны на основе разработанных методов идентификации электромагнитных полей.
В диссертации поставлены и решены следующие задачи:
разработка реконструктивных методов определения ЭМП, позволяющих увеличить точность определения характеристик излучения антенных систем по измерениям на компактных полигонах в условиях влияния мешающих отраженных ЭМП;
разработка реконструктивных методов определения полных РЛХ рассеяния антенн сложной геометрии по измерениям на компактных полигонах;
разработка реконструктивных методов, позволяющих повысить точность волновой диагностики антенных систем;
разработка реконструктивных методов определения помехоэмиссии в волновом и квазистационарном диапазонах частот при анализе индуктивной ЭМС устройств и систем через антенны.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе теории ЭМП, теории математической физики, теории рядов Фурье, функционального анализа, теории специальных функций. Для проверки достоверности методов идентификации волновых полей использовались вычислительные исследования и натурный эксперимент.
Новые научные и технические положения, выносимые на защиту.
-
Теоретические принципы, математические модели и методы пространственно-частотной идентификации волновых и квазистационарных ЭМП уединенных источников в декартовой цилиндрической и сферической системах координат.
-
Теоретические принципы, математические модели и методы пространственно-частотной идентификации волновых ЭМП источников излучения и рассеяния в декартовой цилиндрической и сферической системах координат.
-
Методы пространственно – частотной идентификации волновых ЭМП источников излучения и рассеяния с учетом направленных свойств зондирующих устройств при планарном, цилиндрическом и сферическом сканированиях внутри компактного полигона.
-
Методы пространственно-частотной идентификации квазистационарных ЭМП исследуемых источников по измерениям в условиях влияния внешних помехонесущих полей.
-
Определение полной поляризационной матрицы рассеяния объектов сложной геометрии на основе пространственно-частотной идентификации ЭМП рассеяния.
-
Результаты проверки основных теоретических положений и эффективности разработанных методов пространственно-частотной идентификации ЭМП на основе натурных и вычислительных исследований.
Научной новизной обладают следующие результаты работы:
обобщенные математические модели и теоретические принципы пространственно-частотной идентификации волновых и квазистационарных ЭМП;
методы пространственно-частотной идентификации первичных электро-магнитных полей, позволившие по результатам планарного, цилинд-рического или сферического зондирований в ближней зоне восстановить поле излучения антенны с учетом влияния направленных свойств зондирующих устройств и мешающих отражений;
методы пространственно-частотной идентификации вторичных ЭМП, позволившие по результатам зондирования в ближней зоне восстановить поле рассеяния исследуемой антенны с учетом влияния в области измерений направленных свойств зондирующих устройств на фоне ЭМП, облучающего антенну;
методы определения полной поляризационной матрицы рассеяния исследуемых антенн по результатам планарного, цилиндрического или сферического зондирований в ближней зоне;
методы пространственно-частотной идентификации квазистационарных ЭМП, позволившие выделить поле антенны на фоне помехонесущего поля при планарном, цилиндрическом и сферическом сканированиях;
рекомендации по необходимому количеству точек зондирования и расстоянию между поверхностями измерения при численной реализации методов идентификации ЭМП;
методики калибровки зонда при пространственно-частотной идентификации волновых полей антенных систем в декартовых, цилиндрических и сферических координатах.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в:
разработке методов определения характеристик излучения антенн по измерениям в ближней зоне в условиях влияния мешающих отражений с учетом направленных свойств зонда;
разработке методов определения полных характеристик рассеяния антенн (включая антенны сложной геометрии) на основе пространственно-частотной идентификации вторичного поля по измерениям в ближней зоне;
разработке методов определения помехоэмиссии в широком диапазоне частот исследуемых на ЭМС антенн по измерениям в условиях влияния мешающих ЭМП;
разработке методов определения уровня вторичных полей в месте расположения исследуемого источника излучения или помехоэмиссии при аттестации рабочих мест внутри компактного полигона;
разработке методов повышения точности волновой диагностики антенн за счет ослабления взаимодействия зонда с исследуемой антенной и учета влияния мешающих отражений;
разработке алгоритмов и программ определения характеристик излучения испытуемых антенн в ближней и дальней зонах по измерениям на компактных полигонах в условиях влияния мешающих отражений;
разработке алгоритмов и программ определения амплитудно-фазового распределения в плоском раскрыве по результатам амплифазометрических измерений на плоской, цилиндрической и сферической поверхностях;
разработке алгоритмов и программ определения квазистационарных полей исследуемых на ЭМС элементов антенной системы, по результатам измерений на сферической и плоской поверхностях;
разработке методик калибровки зонда при пространственно-частотной идентификации волновых полей антенн в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат.
В целом, разработанные методы пространственно-частотной идентифика-ции волновых и квазистационарных полей позволили определить пространственно-временное распределение поле исследуемых на ЭМС систем и устройств – источников помех, восстанавить поля и определить характеристики излучения антенн; определить РЛХ рассеяния сложных объектов, выполнить волновую диагностику апертурных антенн и антенных решеток, исследовать свойства поглощающих материалов и проводить аттестацию безэховых камер.
Разработанные методы пространственно-частотной идентификации волновых полей учитывают влияние мешающих отражений и направленных свойств зондирующих устройств и позволяют определять поля излучающих устройств в сложной электромагнитной обстановке.
Внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы:
в ОАО НИИРЭК Холдинговой компании “ЛЕНИНЕЦ” при разработке методов СВЧ-диагностики АФАР по измерениям в ближней зоне;
в ОАО “Экспериментальный завод” Холдинговой компании “ЛЕНИНЕЦ” при разработке методов определения параметров излучения антенных систем;
в НИЦ-2 4 ЦНИИ МО РФ при разработке методов определения свойств и рабочих характеристик исследуемого изделия по планарным измерениям в ближней зоне;
в ООО НПП "Трим. Сверхширокополосные измерительные системы" при разработке методов определения характеристик излучения антенн по результатам сферических измерений.
в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения при выполнении поискового проекта “Разработка методов идентификации электромагнитных полей для задач электромагнитной совместимости, экологии и антенной техники” для молодых ученых и специалистов по направлению “Электротехника” (грант М97-3.2П-93);
в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения при постановке новых лабораторных работ и подготовки студентов, обучающихся по специальностям "Радиотехника" и "Радиоэлектронные системы", а также магистров, обучающихся по направлению "Приборы и методы контроля качества и диагностики в промышленности”;
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
II-й Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (Винница, 1991 г.);
Всесоюзной конференции “Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости” (Винница, 1991 г.)
V-й Всесоюзной конференции “Метрологическое обеспечение антенных измерений” (Ереван, 1990 г.);
Межотраслевой научно-технической конференции “Методы и средства технической диагностики высокоавтоматизированного технологического оборудования” (Ленинград, 1989 г.);
II-й-IX-й научно-технических конференциях “Электромагнитная совместимость технических средств” (С-Петербург, 1992 г.-2006г.);
I-ом-VI международных симпозиумах по электромагнитной совместимости (С-Петербург, 1993 г.-2005г.);
ХIV и XXII всероссийских симпозиумах “Радиолокационное исследование природных сред” (С-Петербург, 1996 г. и 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 65 работ, в том числе: 2 монографии, 27 тезисов и докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 8 зарегистрированных алгоритмов и программ, 28 статей в научно-технических журналах, 11 из которых включены в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 179 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 273 страницах машинописного текста. Работа содержит 41 рисунок.
