Содержание к диссертации
Введение
1 Критический анализ состояния и перспектив развития систем автоматизированного проектирования антенных решеток современных радиопеленгаторов 13
2 Разработка математических моделей программно- методического комплекса автоматизированного проектирования широкополосных радиопеленгаторных антенных решеток 37
2.1 Разработка математической модели вибраторной антенной решетки, состоящей из элементов сложной геометрической формы, на основе алгебраизации скалярных интегральных уравнений первого рода 37
2.2 Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности 50
2.3 Создание математической модели влияния земной поверхности на характеристики радиопеленгаторной 55
антенной решетки, состоящей из вибраторных тонкопроволочных антенных элементов, функционирующей в длинноволновом диапазоне
2.4 Моделирование биконического и дискоконусного вибраторов на основе алгебраизации векторных интегральных уравнений Фредгольмовского типа второго рода с помощью метода коллокаций
2.5 Моделирование симметричного электрического вибратора, входящего в состав в составе кольцевой антенной решетки
2.6 Численный анализ диаграммы направленности линзы Люнеберга, возбуждаемой электрическим симметричным вибратором, проведенный с помощью электродинамической модели неоднородных трехмерных металлодиэлектрических структур
2.7 Разработка модели радиопеленгаторной антенной решетки кругового обзора, состоящей из логопериодических вибраторных антенн
2.8 Математическая модель учета влияния корпуса носителя на точность оценки угловых координат источников радиоизлучения в мобильных радиопеленгаторах 116
2.9 Выводы 135
3 Алгоритмы анализа, синтеза автоматизированного проектирования вибраторных антенных решеток аппаратуры радиопеленгации на основе созданных математических моделей 137
3.1 Алгоритм принятия проектного решения об оптимальном выборе иерархического уровня математической модели радиопеленгаторной антенной решетки в процессе её анализа и синтеза 13 7
3.2 Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования 146
3.3 Разработка и верификация алгоритма определения азимута и угла места источника радиоизлучения, созданный на основе метода наискорейшего спуска 156
3.4 Разработка алгоритма пеленгования источников радиоизлучения с помощью вибраторной антенной решетки, основанный на методе прямого перебора
3.5 Алгоритм пеленгования источника радиоизлучения, основанный на итерационной модификации метода наведенных электродвижущих сил
3.6 Разработка алгоритма оценки угловых координат источника радиоизлучения с произвольной поляризацией с помощью кольцевой антенной решетки стационарного или мобильного базирования, основанный на использовании свойств интеграла Коши
3.7 Выводы 189
4 Методика автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток на основе созданного многоуровневого математического обеспечения программно-методического комплекса 191
4.1 Разработка структурной схемы ПМК радиопеленгаторных вибраторных антенных решеток 191
4.2 Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток 202
4.3 Выводы 207
Заключение 209
Список литературы
- Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности
- Численный анализ диаграммы направленности линзы Люнеберга, возбуждаемой электрическим симметричным вибратором, проведенный с помощью электродинамической модели неоднородных трехмерных металлодиэлектрических структур
- Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования
- Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность систем автоматизированного проектирования антенных решеток, используемых в комплексах радиопеленгации и радиомониторинга, в значительной степени зависит от структуры и основных параметров математического обеспечения программно-методического комплекса (ПМК): уровня физико-математического описания процессов, протекающих в пространственно-распределенных электродинамических объектах сложной морфологии, адекватности используемых моделей и алгоритмов, количества необходимых вычислительных процедур и т.д.
Как правило, в современных САПР антенных устройств и систем (CST Microwave Studio, Zeland, HFSS HP, Maxwell, ADS и др.) используются универсальные численные методы - чаще всего: метод конечных элементов и метод моментов (Бубнова-Галеркина). Преимуществом подобного подхода является отсутствие ограничений на геометрические и электродинамические характеристики анализируемой антенной решетки (или - ее отдельного элемента). Однако, существуют и существенные недостатки программных средств, предназначенных для проектирования (или только для анализа параметров) сложных широкополосных антенных систем: существенные временные затраты (анализ характеристик линейной антенной решетки, состоящей из 9 направленных антенн, в полосе частот с двукратным перекрытием, с использованием пакета CST Microwave Studio, занимает около 140 часов); анализ подобных сложных электродинамических структур с помощью более простых эвристических и полуэмпирических методов зачастую не позволяет получить адекватного описания проектируемой антенной решетки.
Проведение структурного и параметрического синтеза радиопеленга-торных антенных решеток часто сводится к многократному их численному анализу, сочетаемому с варьированием их структурного построения и комплекса параметров, а поэтому для рационализации процесса их автоматизированного проектирования необходимо оптимальным образом построить иерархию моделей и алгоритмов, составляющих математическое обеспечение ПМК проектирования антенных решеток комплексов радиопеленгации.
Постоянный рост требований к радиопеленгаторным антенным решеткам, вызванный совершенствованием аппаратуры связи (увеличение коэффициента усиления, улучшения качества согласования с приемным трактом, увеличение сектора и скорости пространственного обзора, уменьшение боковых лепестков), инициирует поиск новых принципов и подходов реализации систем автоматизированного проектирования подобных антенн.
Таким образом, разработка математических моделей радиопеленгатор-ных антенных решеток и алгоритмов их анализа и синтеза, составляющих основу математического обеспечения программно-методического комплекса автоматизированного проектирования сложных антенных систем, является актуальной научной задачей.
Работа выполнена в соответствии со следующими приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации: перспективные вооружения, военная и специальная техника; опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь в рамках основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и методы автоматизации производства», «Интеллектуальные информационные системы».
Целью диссертационной работы является создание математического обеспечения программно- методического комплекса автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач;
анализа состояния и перспектив развития систем автоматизированного проектирования АР современных радиопеленгаторов;
разработки математических моделей широкополосных радиопеленгаторных антенных решеток; создания алгоритмов и методики проектирования антенных решеток
комплексов радиопеленгации на основе созданных математических моделей и
адекватных им алгоритмов обработки принимаемых сигналов;
разработки методики проектирования радиопеленгаторных антенных решеток.
Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории системного анализа, теории и методов автоматизированного проектирования сложных технических объектов, методы вычислительной электродинамики, методы математического моделирования, стандартные методики натурных экспериментальных исследований антенно-фидерных устройств.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Структура и состав математического обеспечения ПМК автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, отличающиеся многоуровневой иерархией математических моделей антенных систем и адекватных им алгоритмов обработки принимаемых сигналов; способ выбора математических моделей и алгоритмов, отвечающий условию выполнения основных требований технического задания и комплекса эксплуатационных требований.
2. Физико-математические модели, являющиеся основой математического обеспечения ПМК проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, описывающие протекающие электродинамические процессы на различных уровнях строгости.
3. Алгоритмы анализа, параметрического и структурного синтеза
радиопеленгаторных антенных решеток, позволяющие улучшить технические
и эксплуатационные характеристики современных аппаратно- программных
радиопеленгаторных комплексов.
4. Целевая функция процедуры оптимального синтеза радиопеленга
торных антенных решеток, зависящая от вектора параметров технического за 8 дания, весовых коэффициентов их значимости, вектора учета уровней иерархии математических моделей, алгоритмов и процедур синтеза, вектора параметров, характеризующих геометрию и электрические свойства материалов АР.
Практическая ценность работы. Разработанное математическое обеспечение программно-методического комплекса автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток позволяет существенно улучшить весь комплекс их технических и эксплуатационных параметров, а также сократить временные и материальные затраты разработчиков.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), Воронежском высшем военном авиационном инженерном училище, Воронежском военно-техническом училище ФСО России, Воронежском государственном техническом университете. Разработаны программные продукты, зарегистрированные в ГОСФАП РФ «Расчет диаграммы направленности круговой фазированной антенной решетки с заданным числом элементов» (№ 50200401251 от 3.11.04 г.), «Расчет диаграммы направленности кольцевых антенных решеток с гантелеобразными, коническими, цилиндрическими элементами» (№ 50200401254 от 3.11.04 г.), «Расчет диаграммы направленности антенной решетки с учетом взаимного влияния элементов и токов, протекающих по корпусу автомобиля» (№ 50200401264 от 9.11.04 г.).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научно-технических конференциях: IV-я НТК «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж 2003 г.), И-я НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара 2003 г.), «Радиолокация, навигация, связь» X международная НТК. (Воронеж 2004 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2002- 2005 гг.). Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в13 печатных работах (9 статьях, в том числе 8 научных работ в изданиях рекомендованных ВАК РФ); зарегистрировано 3 программных продукта. В работах опубликованных в соавторстве, и приведенных в списке литературы лично соискателю принадлежит: [1-5, 8-13] - проведение моделирования, программная реализация и численное исследование угло-частотных характеристик пеленгаторных антенных решеток из вибраторов различной морфологии [14-16] -алгоритмы, численный эксперимент, экспериментальное подтверждение адекватности проведенных расчетов.
В первой главе проведен анализ современного состояния программных продуктов, предназначенных для проектирования и моделирования СВЧ устройств и антенн; рассмотрены методы, использующиеся для построения математических моделей антенных решеток различной конфигурации. Выполнен сравнительный анализ точности математических моделей и методов.
Во второй главе рассмотрено математическое обеспечение программно-методического комплекса проектирования пеленгаторных антенн, созданного на основе систематизации разработанных эвристических и строгих математических моделей вибраторных антенных решеток.
Математические модели рассеяния плоских вертикально поляризованных электромагнитных волн на кольцевых решетках, составленных из цилиндрических, биконических и гантелеобразных вибраторов.
Предложена математическая модель учета влияния земной поверхности на характеристики пеленгаторных антенн на основе решения системы интег-ро-дифференциальных уравнений типа Поклингтона.
На основе результатов численного моделирования предложен способ построения системы радиопеленгации KB диапазона волн с поляризационной селекцией, включающей малоэлементную антенную решетку с наклонными вибраторами, описан алгоритм процедуры оценки в реальном масштабе времени пеленгов (с учетом взаимного влияния).
Спроектирована и исследована антенная решетка, возбуждаемая от то 10 чечного источника, находящегося между плечами активного вибратора из состава решетки.
На основе моделирования неоднородных трехмерных металло-диэлектрических структур проведено исследование направленных свойств линзы Люнеберга, возбуждаемой электрическим симметричным вибратором, целью которого являлось выяснение возможности использования линзы Люнеберга для повышения коэффициента направленного действия широкополосной радиопеленгаторной антенной системы секторного (или кругового) обзора, функционирующей в СВЧ диапазоне частот.
Разработана модель антенной решетки из логопериодических антенн (ЛПА) для ПМК проектирования радиопеленгаторных АР кругового обзора.
Создана математическая модель рассеяния плоских электромагнитных волн на корпусе носителя антенной системы мобильного пеленгаторного комплекса, основанная на представлении объекта дифракции в виде идеально проводящего прямоугольного параллелепипеда.
В главе 3 рассматриваются алгоритмы анализа, синтеза автоматизированного проектирования вибраторных антенных решеток аппаратуры радиопеленгации на основе созданных математических моделей.
Сформулирована методика принятия проектного решения об оптимальном выборе иерархического уровня математической модели радиопеленгаторной антенной решетки и математического обеспечения программных средств обработки принимаемых ею сигналов.
Разработан алгоритм структурного синтеза вибраторной антенной решетки для аппаратуры радионаблюдения и пеленгования, алгоритм анализа ее функционирования с учетом взаимного влияния элементов и опорной мачты в широкой полосе частот.
Предложен способ существенного упрощения алгоритма структурного синтеза пеленгаторной антенной решетки, основанный на использовании восстановления фазового фронта падающей плоской электромагнитной волны известной частоты с априорно неизвестной поляризацией по измеренному распределению комплексных амплитуд сигналов на выходах кольцевой антенной решетки, установленной на мобильном носителе произвольной формы или размещенной на мачте с растяжками сложной конфигурации.
В четвертой главе описана методика автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток на основе созданного многоуровневого математического обеспечения ПМК.
Разработана структурная схема передачи данных и управления разработанным программно-методическим комплексом.
Проиллюстрирована на примере адекватность разработанного математического обеспечения ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы включающего 143 наименования. Работа изложена на 210 страницах, содержит 105 рисунков и 3 таблицы.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Структура и состав математического обеспечения ПМК автоматизированного проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, опирающегося на широкий спектр математических моделей проектируемых антенных систем и алгоритмов обработки принимаемых сигналов; сформулирован рациональный способ выбора математической модели из предлагаемой иерархии математического обеспечения ПМК.
2. Пакет моделей, составляющих ядро математического обеспечения ПМК проектирования радиопеленгаторных антенных решеток, характеризующегося многоуровневой иерархической структурой, определяющейся градацией уровней представления электродинамических процессов, протекающих в анализируемых антенных системах.
3. Алгоритмы анализа, параметрического и структурного синтеза радиопеленгаторных антенных решеток, построенные на основе предложенного комплекса моделей, реализующие критерий минимизации систематических погрешностей пеленгования источников радиоизлучения и максимизации чувствительности аппаратуры радиопеленгации. 4. Целевая функция процедуры синтеза радиопеленгаторных антенных
решеток, минимум которой определяет оптимальное сочетание параметров
технического задания и эксплуатационных требований.
Разработка математической модели вибраторных антенных решеток комплексов радиопеленгации с учетом влияния земной поверхности
Следует отметить также, что уровень боковых и заднего лепестков АР, состоящей из гантелеобразных элементов, в среднем ниже, чем в случае традиционно используемых цилиндрических вибраторов. Данный факт можно использовать для повышения помехоустойчивости аппаратуры пеленгации и радиомониторинга.
Подводя итоги подраздела 2.1 диссертационной работы, можно заключить следующее. В данном подразделе путем численного машинного моделирования показано, что геометрические параметры элементов антенной решетки оказывают сильное влияние на форму ее диаграммы направленности. Из полученных результатов следует, что для минимизации взаимного влияния элементов антенной решетки следует использовать низкодобротные вибраторы с небольшими угловыми размерами (в случае применения гантелеобразных вибраторов их максимальный диаметр должен быть существенно меньшим их полной длины).
Подтвержден известный факт, свидетельствующий о том, что решетки с четным числом элементов (по сравнению с нечетным их количеством) обладают при одинаковом электрическом диаметре большими значениями уровня боковых лепестков и систематических ошибок оценки угловых координат источников радиоизлучения. Выяснено, что использование гантелеоб-разных вибраторов позволяет уменьшить уровень боковых и задних лепестков на частотах собственных резонансов антенной решетки, повысить степень однозначности пеленгования ИРИ.
Полученные в данном подразделе математические модели и разработанное программное обеспечение могут использоваться для осуществления коррекции измеренных в натурных условиях угловых координат источников радиоизлучения.
Известно, что реальная земная поверхность может быть представлена в виде практически идеально проводящей (практически соответствующей металлу) поверхности на частотах сверхдлинноволнового (СДВ), длинноволнового (ДВ) и отчасти средневолнового (СВ) диапазона волн [23]. В диапазонах ультракоротких волн (УКВ), сверхвысокочастотных волн (СВЧ) и крайне высокочастотных волн (КВЧ) земная поверхность является диэлектриком с высокими потерями [23]. Самый сложный случай анализа влияния земной поверхности на характеристики антенных устройств приходится на часть диапазона СВ и диапазона коротких волн (KB), где земная поверхность обладает свойствами полупроводника.
В настоящее время разработаны строгие электродинамические методы учета влияния земной поверхности на характеристики вибраторных антенных устройств произвольного диапазона волн, базирующиеся на аппарате интегро-дифференциальных уравнений Поклингтона и интегральных урав 51 нений Халлена. Наиболее ощутимый вклад в данной области электродинамики и антенной техники внесли А. С. РІльинский (МГУ им. М. В. Ломоносова) и С. Л. Рашковский (Харьковский институт радиофизики и электроники АН УССР) [105, И8-123].
В частности, в работах [122-123] для исследования характеристик антенн, размещенных вблизи границы раздела двух сред, предлагается использовать систему интегро-дифференциальных уравнений типа Поклингтона. Поскольку уравнение Поклингтона при алгебраизации дает худшую сходимость, чем уравнение Халлена, в [122-123] был разработан метод регуляризации распределения тока, основанный на кусочно-квадратичном его сглаживании. Метод учета влияния земной поверхности, предложенный С. Л. Раш-ковским [122-123], опирается на нижеследующие положения.
В точке t на поверхности проводника граничное условие для тангенциальных компонент электрического поля имеет следующий вид (в выражениях (2.2-2.10) для краткости записи все линейные размеры в соответствии с обозначениями [123], считаются умноженными на волновое число свободного пространства к0 = 2л/\). ЕГР«) = -Е т(0-ЕгМ (2.2), где E T(t) - напряженность электрической компоненты поля без учета поверхности раздела; E[{t) - отраженное поле, учитывающее граничные условия на поверхности раздела двух сред; EcTmop(t) - поле стороннего источника, размеры которого малы по сравнению с размерами антенной системы и длиной волны, возбуждающего рассматриваемый электродинамический объект.
Численный анализ диаграммы направленности линзы Люнеберга, возбуждаемой электрическим симметричным вибратором, проведенный с помощью электродинамической модели неоднородных трехмерных металлодиэлектрических структур
Логопериодические антенны (ЛПА) находят широкое применение благодаря их широкой полосе рабочих частот, простоты изготовления, а также небольшой стоимости [168,169].
Исследуемая антенная решетка состояла из опорной штанги и шести ЛПА, расположенных по кольцу с одинаковым расстоянием друг от друга (поляризация принимаемых волн - вертикальная) (рис. 2.57).
Рассматривалась возможность пеленгации источников радиоизлучения в диапазоне частот от 1 ГГц до 4 ГГц с помощью АР (рис.2.57), имеющей следующие геометрические параметры: радиус АР Rap =82 мм, І? = 380 мм, коэффициент г = 0.86, количество симметричных вибраторов единичной ЛПА N = 13, диаметр вибраторов d = 5 мм и диаметр штанги dsl =30мм, коэффициент перекрытия к = 6. Принималось, что каждая из ЛПА нагружена на усилитель с чисто активным входным сопротивлением RH = 50 Ом.
Задачу дифракции падающей электромагнитной волны (ЭМВ) с целью определения ошибки пеленга измеряемого АР, будем решать через определение распределения токов, возбуждаемых волной на поверхности вибраторов и опоры на основе численного решения интегрального уравнения для магнитного поля во временном представлении [24] -Js(x,t) = 2пх Н (x,t) +—«х 1 для t в интервале времени с серединой tn, 0 в остальные моменты времени
Коэффициенты Атп являются амплитудами тока в пространственном представлении, соответствующими данным (хт, tn), которые определяются из решения интегрального уравнения, aNsnNT - полные числа пространственных ячеек и временных интервалов. По окончании процедуры определяем падение напряжения UN на нагрузочных сопротивлениях RH каждой ЛПА.
Процедура грубого определения пеленга источника радиоизлучения может быть представлена нижеизложенными процедурами.
Номера ЛПА, используемых для осуществления последующей процедуры фазового пеленгования, могут быть определены посредством проведения преобразования Фурье вектора амплитуд сигналов U = ]UX,U2,...,UN\ , измеряемых на выходах элементов антенной решетки, и оценки азимутального угла источника как фазы первой гармоники ряда: N J (2.44), Л. =J os(f (/-1)), 4in=S sin( (/-l), РІ=аГ8(Ло5+Діп) 109 где N - число элементов кольцевой эквидистантной антенной решетки; (ратл пеленг источника радиоизлучения, грубо измеренный с помощью данного амплитудного метода пеленгования. Оценка систематической погрешности определения ошибки пеленга и разности фаз напряжения соседних ЛПА определяются из соотношений b P , = PL- tum (2.45), A(p = pn-(pn+l (2.46). Полученные результаты исследований дают возможность выявить следующие закономерности. Рис. 2.58. Частотная зависимость коэффициента усиления
Частотная зависимость коэффициента усиления АР из ЛПА при её функционировании в режиме направленного излучения показана на рис. 2.58 (пунктирная линия - для единичной ЛПА, сплошная - для единичной ЛПА в составе АР).
Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза вибраторных антенных решеток радиопеленгаторов стационарного и мобильного базирования
Современное оборудование автоматизированного радиоконтроля излучений создается с позиций системного подхода к построению и представляет симбиоз аппаратно-программных комплексов, технических средств и пакетов специального математического обеспечения, объединенных общим замыслом, увязанностью характеристик отдельных компонентов, общими требованиями к электромагнитной совместимости, питанию, конструктивными особенностями, согласованными с характеристиками носителей, на которых они используются [72].
Возросший в настоящее время интерес к алгоритмам синтеза, анализа и функционирования высокоэффективных широкополосных антенных систем, предназначенных для стационарных, мобильных и портативных комплексов автоматизированного радиоконтроля излучений, связан со значительными потребностями в данном оборудовании, как силовых ведомств, так и гражданских служб с учетом тенденций развития средств связи и наличия большого числа дестабилизирующих факторов, влияющих на внутреннюю и внешнюю обстановку в стране [72].
Отличительной особенностью оборудования современных технических средств автоматизированного радиоконтроля и пеленгования III и IV поколений является многофункциональность, позволяющая решать без аппаратной доработки большинство задач радиомониторинга и выявления технических каналов утечки информации. Особое значение в этой связи приобретают специально ориентированные пакеты математического обеспечения, существенно расширяющие функциональные возможности комплексов и средств, а также позволяющие приблизить их технические и эксплуатационные характеристики к потенциально достижимым показателям [65].
Для достижения высокой чувствительности и разрешающей способности, точности и однозначности пеленгования в широкой полосе частот, которая может перекрывать несколько радиочастотных диапазонов, в аппаратуре последних поколений необходимо учитывать и корректировать негативное влияние процессов электродинамического взаимодействия конструкции антенной системы, опорной мачты (или носителя сложной геометрической формы). Задачи синтеза и анализа подобных электродинамических объектов, а также создания алгоритмов обработки сигналов в реальном масштабе времени практически исключают возможность «лобового» подхода из-за потребности в проведении огромного количества вычислительных операций. Так, например, решение задачи дифракции электромагнитных волн (возбуждения сторонними токами) реальных носителей антенных систем (самолет-истребитель F-16 и легковой автомобиль) требует при учете тонких деталей протекания токов обращения ком-плекснозначных матриц, порядок которых достигает 8-Ю6, и до 4 часов машинного времени суперкомпьютера CRAY ORIGIN 2000 [52].
Не решает проблему и появившиеся в последнее время ориентированные на применение на персональных компьютерах пакеты программ численного электродинамического моделирования HP HFSS, Maxwell, IE3D, CST MicroWave Studio, возможности которых быстро растут. Во-первых, анализ структур, даже в самом грубом приближении описывающих реальные объекты, занимает до нескольких десятков часов машинного времени. Во-вторых, интересующие характеристики (например, фазы и амплитуды токов, протекающих в антенных элементах) зачастую нельзя извлечь, так как подобные симуляторы выдают лишь интегральные характеристики (компоненты входного сопротивления, диаграмму направленности, коэффициенты направленного действия и усиления, параметры согласования). В-третьих, не всегда удобно использовать даже вышеупомянутые интегральные характеристики.
Поэтому представляет большой практический интерес разработка алгоритмов синтеза, анализа и функционирования антенных решеток, расположенных вблизи реальных переотражающих объектов (опорных мачт и носителей).
В настоящей работе рассмотрен алгоритм структурного синтеза вибраторной антенной решетки для аппаратуры радионаблюдения и пеленгования, алгоритм анализа ее функционирования с учетом взаимного влияния элементов и опорной мачты, а также алгоритмы оценки угловых координат источника радиоизлучения в широкой полосе частот.
Алгоритм структурного синтеза вибраторной антенной решетки иллюстрируется блок-схемой, показанной на рис. 3.2. Первым шагом алгоритма является ввод исходных данных технического задания на проектирование антенной решетки.
Требования к характеристикам и параметрам технического задания являются противоречивыми: с одной стороны, например, нужно обеспечить полноазимутальный режим пеленгования (ширина диаграммы направленности антенной системы в азимутальной плоскости составляет 360), с другой - приблизить к максимально возможному значению ее энергетический потенциал, значение которого увеличивается при сужении главного лепестка диаграммы направленности, (от величины данного параметра напрямую зависят чувствительность, разрешающая способность и точность пеленгования). Диаметральными являются также требования расширения полосы рабочих частот и минимизация габаритных размеров антенной системы - для эффективной работы в области низких частот (длинных волн) необходимо иметь достаточно большие значения базы пеленгатора (расстояния между соседними элементами) и размеры вибраторов.
Оценка адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн мобильных антенных решеток
Основными показателями, характеризующими адекватность ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн как сложных объектов, являются следующие: «физичность» результатов математического моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования; устойчивость - малым изменениям входных параметров или технического задания на проектирование должны соответствовать малые изменения выходных параметров и характеристик; повторяемость результатов - одним и тем же входным данным, введенным в разной последовательности, должны соответствовать неизменные выходные данные; использование различных методов исследования или проектирования одного и того же объекта должно приводить к соизмеримым результатам; соответствие результатов, полученных при использовании различных систем автоматизированного проектирования, разработанных разными коллективами; использование корректных математических методов, моделей и алгоритмов; быстрая сходимость используемых в ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн алгоритмов; соответствие результатов исследования или проектирования объекта данным его экспериментальных и натурных исследований.
Безусловно, последний критерий адекватности ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн является определяющим. Показатель «физичности» может служить для субъективной оценки качества системы автоматизированного проектирования.
Под эффективностью понимают свойство программного обеспечения ПМК проектирования выполнять требуемые функции без излишних затрат ресурсов. В качестве оценки эффективности принимают характеристику программы, значение которой прямо пропорционально быстродействию и обратно пропорционально объему используемых ресурсов компьютера и внешних устройств [126].
Разработанная ПМК проектирования радиопеленгаторных антенн в целом отвечает вышеназванным критериям. Адекватность подавляющего большинства функций системы автоматизированного проектирования мобильных антенных решеток подтверждена положительными результатами экспериментальных и натурных исследований анализируемых (проектируемых) объектов. Рассмотрим ряд конкретных подтверждений адекватности и эффективности разработанной системы.
Внедренный алгоритм на основе модификации метода наведенных ЭДС математического обеспечения автоматизированного проектирования пеленгаторных антенных решеток из тонкопроволочных вибраторов позволил ускорить на порядок (при оценке результата ошибки пеленга не превышающем 4) обработку данных по коррекции пеленгационных характеристик в сравнении с методом интегральных уравнений.
Метод моделирования процесса преобразования объемных волн в поверхностные с помощью линзы Люнеберга, предложенный автором настоящей работы, позволил осуществить анализ свойств данной структуры и автоматизированное проектирование узконаправленных пеленгаторных антенн на персональных компьютерах средней конфигурации (процессор Pentium-IV, Athlon- 64, объем ОЗУ - 512 Мб, объем жесткого диска - 160 Гб).
Использование метода интегральных уравнений в резонансной области частот приводит к плохо обусловленным СЛАУ с комплексными неизвестными порядка 107, что делает возможным моделирование данной структуры лишь с использованием современных мощных программных продуктов, реализующих применение модели решения дифракционной задачи методом векторных интегральных уравнений в пространственно-временной области (продукт CST Microwave Studio).
Сравнение данных математического моделирования предложенного в работе алгоритма пеленгации источников радиоизлучения с помощью АР (при варьировании различными конфигурациями вибраторов) и эксперимента, проведенного в полевых условиях в УКВ диапазоне частот, показало, что уровень среднеквадратичной ошибки (СКО) пеленгования снизился при расширении полосы частот с 6 до 1,5.
Исследование разработанного алгоритма определения азимута и угла места источника ЭМВ с помощью пеленгаторной АР показало, что при числе итераций в используемом методе наискорейшего спуска среднеквадратичная ошибка экспериментальных и расчетных измерений составляет 3.7 в рабочем диапазоне частот. Среднее значение ошибки составило - 0.43 . Время вычисления пеленга не превышало 1 мс (использовался компьютер с процессором Pentium-IV).
Предложенный эвристический алгоритм учета влияния корпуса носителя, изложенный в главе 3, (модельное представление отображено на рис.) на ДН размещенной на нем АР и, в частности, коррекции результатов пеленгования в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия около 40 исследован в натурных условиях в режиме реального масштаба времени.
Исходные параметры объекта: радиопеленгаторная АР- радиус 500 мм, диаметр вибратора 10 мм, нагрузка 1 кОм, длинна плеча вибратора 100 мм ; автомобиль- длинна 5500 мм, ширина 2000 мм, высота 2000 мм.
