Содержание к диссертации
Введение
1 Многобазовые фазовые пеленгаторы 11
1.1 Принцип построения многобазовых фазовых пеленгаторов с линейной антенной решеткой 11
1.2 Влияние специфики распространения радиоволн на точность фазовых пеленгаторов сантиметрового и дециметрового диапазонов в пределах зон прямой видимости и дифракции 19
1.2.1 Физические процессы на трассе РРВ, приводящие к погрешностям пеленгования 19
1.2.2 Анализ проведенных ранее экспериментальных исследований пространственно-временных искажений радиосигналов 29
1.2.3 Экспериментальные исследования влияния внутриимпульсных искажений на точность фазовых пеленгаторов 35
1.3 Выводы 36
2 Теоретическая оценка влияния многолучевости на точность пеленгования источников импульсного излучения 37
2.1 Модель наземной трассы РРВ в зоне прямой видимости и дифракции и её импульсная характеристика 37
2.2 Оценка импульсной характеристики канала по имеющимся экспериментальным данным 41
2.3 Теоретическая оценка влияния многолучевости на фазу принимаемого сигнала.45
2.4 Теоретическая оценка влияния многолучевости на разность фаз сигналов в разнесенных антеннах 49
2.5 Моделирование многолучевого канала 53
2.6 Выводы 60
3 Экспериментальные исследования фазовой структуры импульсных радиосигналов на наземных трассах в пределах зон прямой радиовидимости и дифракции 61
3.1 Условия и методика проведения эксперимента 61
3.2 Аппаратура экспериментальных исследований
3.2.1 Передающее устройство и его технические параметры 64
3.2.2 Приемно-измерительный комплекс 66
3.3 Характеристики трасс РРВ 70
3.3.1 Карта района исследований 70
3.3.2 Характеристики трасс РРВ и их классификация 71
3.4 База экспериментальных данных 74
3.5 Оценка внутриимпульсных искажений разности фаз
3.5.1 Методика расчета статистических характеристик разности фаз в течение длительности импульса при фиксированном положении антенны РЛС 76
3.5.2 Типы поведения разности фаз в течение длительности импульса 80
3.5.3 Распределение вероятности разности фаз в течение импульса 84
3.5.4. Числовые характеристики внутриимпульсных флуктуаций разности фаз 87
3.5.5 Внутриимпульсные броски разности фаз 97
3.6 Зависимость разности фаз на разнесенных антеннах при мгновенном измерении от углового положения направленной антенны передатчика 98
3.7 Статистические характеристики фазовых флуктуаций, полученных в режиме сканирующей РЛС 109
3.8 Зависимость статистических характеристик разности фаз от длины трассы 112
3.9 Выводы 114
4 Алгоритмы обработки разности фаз сигналов на основе полученных экспериментальных данных 116
4.1 Использование внутриимпульсной структуры разности фаз для отбраковки аномально больших ошибок пеленгования 116
4.2 Исключение аномально больших ошибок пеленгования в процессе устранение неоднозначности 121
4.3 Совместное применение методов устранение аномальных ошибок 128
4.4 Определение оптимального участка усреднения разности фаз в течение длительности принимаемого радиоимпульса 131
4.5 Выводы 133
Заключение 135
Список сокращений 137
Список использованных источников
- Физические процессы на трассе РРВ, приводящие к погрешностям пеленгования
- Оценка импульсной характеристики канала по имеющимся экспериментальным данным
- Приемно-измерительный комплекс
- Совместное применение методов устранение аномальных ошибок
Введение к работе
Актуальность. В современных условиях задачи радиотехнической разведки и радиомониторинга свою актуальность не теряют. Системы радиомониторинга, одной из задач которых является определение местоположения источников радиоизлучения (ИРИ), постоянно совершенствуются и развиваются [1]. Существуют различные методы определения координат ИРИ, но большинство из них не обходится без измерения угла прихода сигнала, называемого пеленгованием. Основными методами пеленгования являются амплитудный и фазовый. Оба метода имеют свои достоинства и недостатки. Исследования настоящей диссертационной работы ориентированы только на фазовый метод.
При пеленговании ИРИ неизбежно возникают погрешности, которые могут быть вызваны эффектами распространения радиоволн и качеством работы приемной аппаратуры [2]. Постоянное развитие и совершенствование элементной базы радиоэлектронных устройств позволяет снизить погрешности пеленгования, вызванные качеством работы приемной аппаратуры.
Погрешности пеленгования, вызванные эффектами распространения радиоволн, связанные с пространственно-временными искажениями электромагнитного поля в месте приема сигналов, не могут быть исключены путем применения более совершенной аппаратуры.
Исследования влияния пространственно-временных искажений электромагнитных волн на погрешности пеленгования начались еще в 50-х годах прошлого столетия. Такие работы проводились и в Томске коллективом сотрудников ТПИ и ТУСУРа. Из наиболее значимых можно отметить работы Г.С. Шарыгина, В.П. Денисова, Б.П. Дудко, Ю.П. Акулиничева, Ю.М. Полищука, А.Г. Буймова. Однако при проведении экспериментальных исследований в то время использовалась аппаратура, которая позволяла регистрировать амплитудные и фазовые изменения с верхней граничной частотой до 20 Гц, то есть практически флуктуации огибающей и разности фаз на разнесённых антеннах от импульса к импульсу [3].
Используемые в настоящей диссертации экспериментальные данные получены с помощью более совершенной аппаратуры, разработанной и созданной коллективом НИИ РТС ТУСУР. Применяемая аппаратура позволяла регистрировать амплитудные и фазовые изменения с тактовой частотой 92 МГц, что соответствует временному интервалу 11 нс. Это дало возможность при работе по импульсным сигналам длительностью 300 нс проводить приблизительно 30 измерений амплитуды и разности фаз в течение длительности импульса. Многократное измерение параметров сигналов, а так же высокая чувствительность приемной аппаратуры позволяют оценить статистические характеристики как самих сигналов, так и их флуктуаций.
Анализ экспериментальных данных показал, что учет статистических характеристик флуктуаций параметров сигналов, проявляющихся в течение длительности принятого радиоимпульса, имеет влияние на разброс пеленга, полученного по совокупности принятых сигналов.
В связи с этим, задача изучения этого явления и способов уменьшения его влияния на пеленг является актуальной. Применение цифровой обработки сигналов значительно ускоряет и упрощает процедуру исследования структуры импульсных радиосигналов, под которой понимается амплитудно-фазовые соотношения, проявляющиеся в течение длительности радиоимпульсов.
Область исследований и использования полученных результатов ограничивается следующими условиями:
– частота несущих сигналов – Х-диапазон;
– наземные трассы распространения радиоволн открытого и закрытого типов, протяженностью до 30 км;
– длительность импульсных радиосигналов от 0,3 до 1 мкс;
– объект исследования – моноимпульсные фазовые пеленгаторы обзорного типа.
Современное состояние. Из доступной автору литературы видно, что вопросы изучения структуры сигналов и способы уменьшения влияния искажений структуры сигналов на работу радиосистем освещены достаточно широко. Однако основным прикладным направлением этих работ является совершенствование систем передачи цифровой информации. Системы передачи цифровых данных работают в условиях, отличных от условий работы систем радиомониторинга, что накладывает ограничения на применение основных результатов приведенных работ. Некоторые аспекты использования структуры сигналов в системах радиомониторинга приведены в работе Ворошилина Е.П. [4], но они имеют иной прикладной характер, ориентированный в основном на оценку канала распространения радиоволн (РРВ). Таким образом, доступные автору литературные данные не позволяют разработать учитывающие искажения радиоимпульсов методы повышения точности работы фазовых пеленгаторов, что подчеркивает актуальность данной задачи.
Научно-техническая задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в определении структуры импульсных радиосигналов, прошедших наземную трассу РРВ, а также в разработке методов, уменьшающих влияние искажений импульсных радиосигналов на результаты пеленгования моноимпульсными фазовыми пеленгаторами. Решение данной задачи имеет существенное значение для совершенствования средств радиомониторинга и радиотехнической разведки.
Цель диссертационной работы – разработка методов цифровой обработки сигналов в обзорных фазовых пеленгаторах, минимизирующих погрешности пеленгования в реальных условиях работы станций радиотехнической разведки с учетом пространственно-временных искажений сигналов на трассах распространения радиоволн в течение длительности принимаемого радиолокационного импульса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
– выявить по литературным и экспериментальным данным причины искажений структуры импульсных радиосигналов, а также влияние искажений на результаты пеленгования;
– определить математическую модель трассы распространения и принимаемого сигнала, провести моделирование искажений импульсных радиосигналов на основании выявленных причин;
– провести экспериментальные исследования искажений импульсных радиосигналов, определить их статистические характеристики;
– на основании проведенных исследований предложить алгоритмы учета искажений структуры импульсных радиосигналов;
– проверить предложенные алгоритмы путём цифрового полунатурного моделирования на основе экспериментальных данных, полученных на наземных трассах.
Методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы для создания алгоритмов повышения точности фазовых пеленгаторов анализировались экспериментальные данные о фазовых и амплитудных искажениях радиоволн на наземных трассах. Анализ причин возникновения искажений импульсных радиосигналов выполнялся по математическим моделям с использованием реальных параметров трасс распространения радиоволн. Проверка разработанных алгоритмов повышения точности пеленгования выполнялась путем цифровой обработки экспериментальных данных.
В ходе решения поставленных задач были использованы известные методы описания процессов распространения радиоволн, таких как рассеяние и отражение радиоволн неровностями подстилающей поверхности. Для описания искажений импульсных радиосигналов и моделирования процесса прохождения сигнала через канал РРВ использовалась методика, приведенная в работе [4].
В диссертационной работе использованы экспериментальные данные, отражающие пространственно-временные амплитудные и фазовые искажения радиосигналов сантиметровых длин волн, полученные в ходе следующих работ:
– «Пространственно-временные модели ультракоротковолновых сигналов, распространяющихся вдоль неровной земной поверхности» в рамках ФЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006 – 2008 гг.);
– «Анализ и прогнозирование искажений СВЧ радиоволн и звуковых волн при их распространении в неоднородной тропосфере над неоднородной и неровной земной поверхностью. Экспериментальные исследования» в соответствии с государственным контрактом № 02.740.11.0232. от 07 июля 2009 г.;
– «Развитие учебно-научного радиофизического полигона ТУСУР» по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)».
Обработка экспериментальных данных выполнялась на персональном компьютере с помощью пакета моделирования MatLAB 2013.
Научная новизна работы состоит в получении статистических характеристик флуктуаций разностей фаз, проявляющихся в течение длительности принятых радиоимпульсов, путем проведения полевых
экспериментальных исследований на наземных трассах различного вида при работе по ИРИ со сканирующей направленной антенной, а также в их математическом описании и разработке методов, использующих информацию об этих характеристиках в целях повышения точности пеленгования. В известной автору литературе отечественного и зарубежного издания подобные эксперименты не описаны.
Теоретическая значимость работы состоит в получении экспериментальных зависимостей статистических характеристик амплитудно-фазовых искажений радиосигналов, принятых на пространственно разнесенные антенны, проявляющихся в течение короткого радиолокационного импульса (длительность более 300 нс), и в создании соответствующей базы данных. На этом основании представлены математические модели фазовых искажений сигналов сантиметрового диапазона на наземных трассах РРВ, позволяющие оптимизировать обработку сигналов в процессе пеленгования.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в описании и программной реализации методов повышения точности фазовых пеленгаторов. Результаты диссертационной были использованы при выполнении СЧ ОКР по договору с АО «ИСС им. Академика М.Ф. Решетнева», и при выполнении НИР по гранту РФФИ, о чём свидетельствуют акты внедрения. Результаты настоящей диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре радиотехнических систем ТУСУРа.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Разность фаз сигналов, прошедших наземную трассу распространения радиоволн открытого или закрытого типов протяженностью до 30 км, и принятых на антенны фазового пеленгатора с базой 30 и более длин волн, имеющего полосу пропускания порядка 40 МГц, может изменяться на интервале времени, равном длительности принятого радиолокационного импульса, на десятки и сотни градусов в зависимости от ориентации направленной антенны ИРИ.
-
Изменение разности фаз сигналов, принятых на антенны фазового пеленгатора с фазометрической базой 30 и более длин волн, может использоваться для отбраковки аномальных пеленгов. Критерием отбраковки служит среднеквадратическое отклонение разности фаз на интервале времени, равном длительности принимаемого радиолокационного импульса.
-
Совместное применение методов отбраковки пеленгов в процессе устранения неоднозначности фазового пеленгатора и отбраковки пеленгов по среднеквадратическому отклонению разности фаз в интервале времени, равном длительности принятого радиолокационного импульса, позволяет повысить точность пеленгования (от 2 до 6 раз при отбраковке пеленгов от 21% до 87% в условиях проведенных экспериментов).
-
Усреднение разности фаз сигналов сантиметрового диапазона частот, принятых на антенны фазового пеленгатора с базой 30 и более длин волн, в течение первых 100-130 нс относительно переднего фронта принятого радиолокационного импульса позволяет повысить точность пеленгования ИРИ (до 5 раз по сравнению с усреднением разности фаз на всем интервале времени,
равном длительности принятого радиолокационного импульса в условиях проведенных экспериментов).
Достоверность. Сформулированные в диссертационной работе выводы относительно методов повышения точности пеленгования фазовым методом основаны на результатах обработки экспериментальных данных, полученных на двадцати наземных трассах различного характера в зонах прямой видимости и дифракции. Эффективность предложенных методов повышения точности пеленгования подтверждена путём проведения полунатурных экспериментов с использованием экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
– «Проблемы создания технических средств мониторинга электромагнитного поля с использованием инновационных технологий», научно-техническая конференция, посвященная 100-летию «НИИ «Вектор». – С.-Петербург, 2008 г.;
– «Научная сессия ТУСУР-2009», всероссийская научно-техническая конференция, Томск, 2009 г.;
– «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014), 24-я международная Крымская конференция, Севастополь, 2014 г.;
– «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2015), 25-я международная Крымская конференция, Севастополь, 2015 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 работ, из них 5 – статьи в рецензируемых журналах, 10 – в сборниках докладов международных, всероссийских и региональных конференций (2 из них в изданиях перечня Scopus), 1 – коллективная монография.
Личный вклад. Автор диссертационной работы лично принимал участие в подготовке комплекса приемно-измерительной аппаратуры и в проведении полевых экспериментальных исследований в области распространения радиоволн сантиметрового диапазона на пересечённых наземных трассах в период с 2006 по 2010 года. Им лично обработаны экспериментальные данные, выявлены причины возникновения искажений структуры импульсных радиосигналов, разработаны методы повышения точности пеленгования, проведена проверка разработанных методов на экспериментальных данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 148 страниц, содержит 113 рисунков, 14 таблиц. Список использованной литературы включает 78 источников.
Физические процессы на трассе РРВ, приводящие к погрешностям пеленгования
Радиопеленгатор – прибор, основной функцией которого является определение направления на источник радиоизлучения. Направление на источник адекватно положению фронта падающего на антенную систему электромагнитного поля. Для определения положения фронта волны в двумерном пространстве, например, в горизонтальной плоскости необходимо иметь как минимум два разнесенных замера положения фронта. В этих точках должны быть расположены зонды-измерители поля антенны. Конечное число точек измерения может быть увеличено, в пределе образуя в сплошной раскрыв измерителя – протяженную антенну. Технически направление на источник определяется сравнением амплитуд или фаз сигналов, принимаемых каждой антенной от одного источника [1 – 6].
Любой радиопеленгатор содержит датчик и измеритель. Антенная система, с помощью которой пеленг источника определяется сравнением амплитуд, называется амплитудным датчиком и представляет собой две направленные антенны, фазовые центры которых совмещены, а амплитудные диаграммы развернуты друг относительно друга. Антенная система, с помощью которой пеленг источника определяется сравнением фаз, называется фазовым датчиком и представляет собой две антенны, фазовые центры которых разнесены, а амплитудные характеристики совпадают. Простейший фазовый пеленгатор представлен на рис. 1.1.
Он содержит 2 антенны А1 и А2, разнесенные в пространстве на некоторое расстояние l, называемое базой, два приемно-усилительных тракта (ПУТ), фазометр (Ф) и вычислитель пеленга [18]. В случаях, когда расстояние от передатчика до приемника гораздо больше расстояния /, можно считать, что фронт падающей волны плоский. Задержка сигнала, поступающего на антенну А1, относительно сигнала, поступающего на антенну А2, выражается формулой: где тз - задержка сигнала, с - скорость распределения волны, ах - угол прихода волны относительно перпендикуляра к оси х. Фазовый сдвиг сигналов, соответствующий тз, определяется выражением: где Ф - фазовый сдвиг в радианах, Л - длина волны. Обычно угол прихода волны а отсчитывается не от координатной оси х, а от нормали к ней. В таком случае, из выражения (1.2) следует:
В реальной системе, на точность определения пеленга а влияют следующие факторы: - неидеальность среды распространения, приводящая к искажению фазовых фронтов; - неидентичность приемно-усилительных трактов, приводящих к различным фазовым сдвигам; - внутренние шумы аппаратуры и внешние помехи; - неидеальность фазоизмерительной аппаратуры, в частности, наличие шумов квантования при ее оцифровке. Совокупность перечисленных факторов приводит к случайной погрешности измерения пеленга, среднеквадратическое значение которой можно выразить формулой:
Из этой формулы следует, что угловая погрешность сг . может быть сколь угодно малой, если отношение IIЛ достаточно велико. Это является одним из достоинств фазового пеленгатора. Однако, с увеличением размера базы /, уменьшается сектор однозначных фазовых измерений. Разность фаз ср двух гармонических сигналов с частотой/определена лишь на периоде Т = 1/ /0, а разность времени прихода сигналов на различные антенны тз может превосходить период, если / Л12. Таким образом, разность фаз сигналов можно представить в виде: Ф = ср + 2жк, (1.5) где р - разность фаз, измеренная фазометром, к - число полных периодов разности фаз, утраченных в силу периодичности сигналов. Поиск числа утерянных периодов разности фаз называется устранением неоднозначности фазовых измерений. Методы устранения неоднозначности в фазовых пеленгаторах приведены в работах [18, 30, 43 - 48]
В обзорных фазовых пеленгаторах разрешение неоднозначности производится при помощи применения дополнительных фазометрических баз с меньшим размером. Такой метод называется «методом уточнения», он основан на включении в состав более грубого измерителя, обеспечивающего однозначный, но не достаточно точный пеленг в заданном секторе углов и более точного измерителя, обеспечивающего более точное измерение пеленга. Разрешение неоднозначности на базе производится на основании измерений на предыдущей базе.
При отсутствии ошибок при измерении разности фаз, однозначное измерение разности фаз на «грубой» базе h выглядит следующим образом: Структурная схема пеленгатора работающего по «методу уточнения» представлена на рис. 1.2. На схеме Ф; - фазометры, УУН - устройство устранения неоднозначности. Вычислитель выдает оценку пеленга а в соответствии с формулой (1.3), где Ф = Ф„ -полная разность фаз на самой большой базе пеленгатора /„.
Качество устранения неоднозначности характеризуется вероятностью того, что она устранена правильно, то есть вычисление к соответствует минимальной погрешности пеленгования. Из выражения (1.6) следует, что при переходе от базы /г_; к /г условие определения к заключается в том, чтобы стоящее в квадратных скобках выражение от истинного целочисленного значения не более чем на 0,5.
Случайные величины r\i, г)м коррелированны между собой даже в том случае, если фазовые погрешности 5t независимы. Поэтому в общем случае вероятность Р0(1.10) не равна произведению вероятностей правильного устранения неоднозначности при переходе от /-ой базе к 7+7-ой. Особенностью пеленгатора построенного по схеме рис. 1.2 является то, что точность пеленгования определяется самой большой базой, все остальные базы служат для определения сектора однозначности. Часть информации при этом теряется. Это относится ко всем пеленгаторам, построенным по схемам последовательной обработки сигналов.
Другим методом устранения неоднозначности является метод максимального правдоподобия. Его особенность заключается в использовании измерений на всех базах для определения целого числа периодов разности фаз на каждой базе [18, 30, 48].
Оценка импульсной характеристики канала по имеющимся экспериментальным данным
Существует множество математических моделей сигналов и каналов их распространения, ориентированных на решение различных задач. В общем случае, модель отражает основные механизмы влияния среды на результаты поставленной задачи.
Основной задачей, поставленной в настоящей работе, является исследование структуры импульсных сигналов, прошедших наземную трассу РРВ. В главе 1 рассматривались механизмы возникновения искажений фазового фронта волны, и как следствие, появления внутриимпульсных флуктуаций разности фаз, приводящих к погрешностям пеленгования. В результате проведенного обзора был сделан вывод о том, что основным механизмом, приводящим к появлению внутриимпульсных флуктуаций разности фаз, является многолучевость.
Как известно, многолучевое распространение – механизм формирования поля в точке приема в виде суммы прямого и отраженных сигналов от подстилающей поверхности и местных предметов.
Наиболее популярной моделью, описывающей отражения волн от подстилающей поверхности, является модель, представленная в работе Рассказовского и Кулемина [20]. Модель основана на замене участков неровностей подстилающей поверхности совокупностью «блестящих» точек, удовлетворяющих условию зеркального отражения (1.17). Методика расчета поля в точке приема представлена в пункте (1.2.2) настоящей работы.
Для описания дифракции радиоволн на препятствиях существует несколько моделей, но наиболее удачной считается модель препятствий поглощающего типа в виде клина или полуплоскости (п. 1.2.2). В работе [37] показано, что фазу поля в точке приема можно вычислить путем использования приближения геометрической оптики, заменив при этом кромку препятствия на совокупность «блестящих» точек, переизлучающих волну в точку приема.
Эти модели объединяет описание поля в точке приема как совокупность волн, переизлученных отдельными участками неровностей и местных предметов. Считая, что каждой волне из совокупности соответствует «блестящая» точка, расположенная на трассе, можно представить модель трассы РРВ как совокупность «блестящих» точек, переизлучающих сферические волны. На рис. 2.1 представлены графические пояснения к моделям, описывающим отражения на наземных трассах РРВ.
В общем случае, модель канала РРВ сводится к математическому описанию входного и выходного сигналов, а так же связи между ними. Связь между входным sex{t) и выходным seux(t) сигналами можно описать в виде некоторого математического оператора! [21, 52]: Существует разделение моделей каналов на линейные и нелинейные. Модель канала РРВ считается линейной, если оператор L удовлетворяет принципу суперпозиции [23]: L{sexl if) + s„2 (0) = L(sal (0) + L(s„2 (0) (2.2) Самой простой моделью канала РРВ является канал, представленный в виде линейного фильтра с постоянными параметрами. Такой фильтр описывается реакцией hit) на -импульс, называемой так же импульсной характеристикой или реакцией.
Помимо импульсной реакции h(t), линейная модель канала может быть задана с помощью комплексной частотной характеристики H{ja ), которая связана с импульсной характеристикой преобразованием Фурье:
Реакцию канала seux(t) на входной сигнал s it) во временном представлении в любой точке наблюдаемого пространства можно записать в виде интеграла Дюамеля (оператора свертки) [23, 52]:
Выражения (2.4) и (2.5) в представленном виде описывают однолучевой канал РРВ, соответствующий, в реальной ситуации, взаимной ориентации антенн приемника и передатчика. Для моделирования многолучевого канала необходимо просуммировать все лучи в точке приема, полученные с помощью выражений (2.4) или (2.5) [38]: СО где / - номер луча, а гг- время задержки сигнала, соответствующее / -тому лучу.
В реальном канале распространения параметры среды меняются со временем, например, появляются осадки, изменяются метеопараметры, качаются от ветра деревья, перемещаются крупные воздушные массы. Все эти эффекты влияют на распространение радиоволн, поэтому описание канала в виде линейного фильтра с постоянными параметрами для решения поставленной в диссертационной работе задачи является не очень корректным.
Для учета изменчивости среды физические радиоканалы, возникающие в условиях многолучевости, могут быть представлены в виде линейных фильтров с изменяющимися во времени параметрами [23, 32, 33, 38, 39, 52]. Такие линейные фильтры описываются импульсной характеристикой канала h(t,r), меняющейся во времени, которая представляет собой отклик канала в момент времени t на (5-импульс, поданный на вход канала в момент времени t - т. Отклик канала в этом случае определяется выражением: со / -того луча, г,-- время задержки сигнала, соответствующее / -тому лучу.
В диссертационной работе рассматривается прохождение импульсных сигналов через каналы РРВ, протяженность которых не превышает 30 км. В случаях, когда антенная система источника излучения неподвижна, изменчивость импульсной характеристики будет зависеть от состояния окружающей среды, которая изменяется медленно, относительно времени распространения сигнала. Поэтому можно считать, что за время распространения волны импульсная характеристика канала не меняется. Типовые источники излучения импульсных сигналов имеют период повторения, составляющий единицы миллисекунд. За это время импульсная характеристика может измениться, поэтому опишем канал РРВ импульсной характеристикой, которая изменятся от импульса к импульсу, но остается постоянной в течение времени распространения волны. В том случае, когда антенная система источника излучения находится в режиме кругового сканирования, параметры канала распространения будут изменяться от угла поворота антенны источника. Тогда импульсную характеристику канала можно представить как функцию /г(#, г), где в- угол поворота антенной системы источника излучения [33]: где аг{в) - коэффициент затухания /-того луча, зависящий от угла поворота антенной системы источника излучения. Такой канал РРВ можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 2.2) с линией задержки, в которой коэффициенты затухания at и время задержки гг зависят от угла поворота антенны источника излучения [33, 39].
Таким образом, моделирование прохождения сигнала через многолучевой канал РРВ заключается в задании импульсной характеристики канала для каждого луча, приходящего в точку приема. Чтобы сравнение результатов экспериментального исследования и математического моделирования было адекватным, необходимо задать условия моделирования, приближенные к реальным. Для этого нужно оценить импульсную характеристику канала по экспериментальным данным и далее использовать при моделировании.
Приемно-измерительный комплекс
Экспериментальные исследования внутриимпульсной структуры сигнала, прошедшего наземную трассу распространения, проводились в период с 2006 по 2010 год. В 2006-2007 годах измерения проводились в октябре-ноябре, в 2008 - в декабре, в 2010 - в августе-сентябре.
Измерения проводились с помощью радиофизического комплекса, спроектированного и изготовленного коллективом НИИ РТС ТУСУР. Комплекс включает в себя импульсную РЛС трёхсантиметрового диапазона типа РПК-1, которая использовалась как источник радиоизлучения, и многоканальное приемное устройство, позволяющее регистрировать амплитуды и фазы принимаемых сигналов с периодом дискретизации 11 нс. Длительность излучаемого сигнала составляла 300 нс. В течение импульса выполнялось приблизительно 30 измерений амплитуд и фаз сигналов, что позволяет проследить изменение этих параметров.
Для проведения измерений, составляющих экспериментальную основу диссертации, радиофизический комплекс был доработан. Автор диссертации принял в доработке непосредственное участие. В процессе доработки была изменена антенная система комплекса, что было вызвано необходимостью оценки точности на пересечённых наземных трассах конкретной пеленгационной системы в ходе выполнения СЧ ОКР.
В рабочем варианте антенная система состояла из восьми пирамидальных рупоров, по четыре рупора для приема сигналов вертикальной и горизонтальной поляризации. На каждой поляризации антенная система состояла из двух пар рупоров, разнесённых в горизонтальной плоскости на 18 и 90 см.
Обобщённая структурная схема экспериментального комплекса приведена на рис. 3.1. Более подробно приёмная и передающая аппаратура описаны в п. 3.2.
Показанная на схеме система синхронизации предназначена для создания временного окна цифровой регистрации сигналов так, чтобы прошедший трассу РРВ прямой сигнал и следующие за ним переотражения оказывались в его пределах. Длительность окна регистрации может изменяться от 0,6 до 10 мкс, но для исследования статистических характеристик разности фаз в течение длительности импульса использовалось окно регистрации не более 1,5 мкс.
Во время проведения эксперимента приёмный пункт оставался неподвижным, передвигался передающий пункт, образуя, таким образом, различные трассы РРВ.
В экспериментах 2008 и 2010 годов использовалась в общих чертах одна и та же методика проведения измерений. Во время записи сигналов РЛС работала в режиме кругового сканирования («сканирующий режим»), либо ее антенна была наведена главным лепестком диаграммы направленности на пеленгатор («наведенный режим»), либо оставалась в течение сеанса записи неподвижной, но была отвёрнута от направления на пеленгатор на некоторый фиксированный угол («режим отворотов»).
Аппаратура для экспериментальных исследований 3.2.1. Передающее устройство и его технические параметры
При проведении экспериментальных исследований в качестве источника радиоизлучения использовалось РЛС РПК-1.
Для привязки передатчика на местности относительно местного ориентира на антенную колонку установлен оптический визир (рис. 3.2) с двадцатикратным увеличением, оптическая ось которого параллельна оптической оси антенны. Корректировка оси визира при установке осуществлялась по реперу.
Для синхронизации передатчика с приемником запуск от собственной системы синхронизации РЛС отключен от модулятора. Взамен посредством кабеля через усилитель подключен источник запуска импульса внешней системы синхронизации. Структурная схема передатчика РЛС РПК-1 представлена на рис. 3.3. При излучении импульса часть мощности через ответвитель поступает на приёмник с амплитудным детектором и через буферный каскад на один из каналов АЦП. В свою очередь, АЦП связан с ЭВМ, что позволяет наблюдать и записывать форму излучаемого импульса. Сигнал с датчиков положения через буферный каскад и АЦП поступает также и на ЭВМ, это позволяет фиксировать положение антенны во времени. При проведении измерений частота излучаемого сигнала составила 9,2 ГГц. Внешний вид РЛС РПК-1 в рабочем
Совместное применение методов устранение аномальных ошибок
В данном подразделе рассматривается зависимость разности фаз на разнесенных антеннах фазового пеленгатора от углового положения направленной антенны РЛС по отношению к нему. Закономерности такого рода имеют существенное прикладное значение, поскольку позволяют оптимизировать режимы пеленгования сканирующей РЛС. Известны как теоретические, так и экспериментальные работы, посвященные данному вопросу. Теоретическое изучение статистических характеристик сигналов при работе по источникам с вращающейся диаграммой проведено А.Г. Буймовым, Г.С. Шарыгиным на основании замены реальной среды распространения хаотическим фазовым экраном, расположенным поперек трассы [27]. Показано, что математическое ожидание разности фаз сигналов т1 ир\, принимаемых разнесенными антеннами по основному излучению, можно в первом приближении считать линейной функцией угла отворота антенны передатчика от направления на приемное устройство (9, причём т1\(р\ = 0, если в = 0, а дисперсия разности фаз обратно пропорциональна значению
ДНА РЛС по мощности. Экспериментальные данные, полученные в десятисантиметровом диапазоне волн не противоречат теории.
Ю.П. Акулиничев в статье [26] показал, что фаза пространственной корреляционной функции сигналов, прошедших статистически однородную случайную среду, линейно зависит от отворота направленной антенны передатчика от пункта наблюдения. Следовательно, линейной зависимости подчиняется и средняя разность фаз сигналов, принятых на разнесённые поперек трассы антенны. Вывод сделан в предположении, что диаграмма направленности передающей антенны имеет вид гауссоиды, так что полученный результат относится только к работе по основному лепестку диаграммы направленности реальных антенн.
На закрытых приземных трассах большую роль в формировании поля в месте приёма играет дифракция радиоволн на закрывающих препятствиях. Теоретически показано, что, если закрывающий гребень со статистически неровным краем расположен поперёк трассы «передатчик-приёмник» и имеет в среднем одинаковую высоту, то средняя разность фаз на разнесённых приёмных антеннах изменяется линейно с отворотом направленной передающей антенны от направления на приёмный пункт, а дисперсия фазовых флуктуаций возрастает по экспоненциальному закону [15]. Вычисления проведены для гауссовой диаграммы направленности передающей антенны, так что полученные результаты относятся только к работе по главному лепестку ДН реальных антенн.
Экспериментальные исследования в сантиметровом диапазоне показали, что действительно на наземных трассах в ряде случаев средняя разность фаз линейно зависит от отворота направленной передающей антенны от направления на приёмник [29].
Представляет интерес также работа [67], где азимутальные погрешности пеленгования, возникающие вследствие дифракции радиоволн на полубесконечном непрозрачном экране, оцениваются путем расчётов на ЭВМ. Считается, что источник излучения точечный, а экран расположен посередине трассы и может быть по разному ориентирован в горизонтальной плоскости относительно линии «передатчик-приёмник», а его верхняя граница может быть наклонена к горизонту. Показано, что в этих условиях азимутальные ошибки существенно зависят от высоты экрана и, в частности, при изменении высоты могут изменять знак. Поэтому на реальных закрытых трассах, где как пространственная ориентация препятствий, так и их наклон произвольны, можно ожидать значительно более сложную зависимость разности фаз от угла отворота антенны передатчика, чем линейную.
Ниже приведены зависимости амплитуды и разности фаз на разнесенных антеннах от углового положения антенны передатчика в секторе ±50 относительно направления на пеленгатор. Отсчёты амплитуд и разностей фаз взяты в те же моменты времени относительно «начала импульса», которые использовались в предыдущих разделах: 0, 154 и 308 нс. «Начало импульса» определялось с помощью системы синхронизации как определенный такт АЦП относительно «начала окна регистрации». Устранение неоднозначности измерений на большой базе не проводилось. Можно сказать, что приведены первичные данные. Сектор ±50 градусов «проходится» антенной системой передатчика за 20 секунд. Можно с уверенностью сказать, что за указанное время характеристики приёмно-измерительных трактов экспериментальной установки не изменяются, так что зарегистрированные закономерности вызваны процессами на трассах распространения радиоволн. За время сканирования антенны РЛС в указанном секторе принимается и регистрируется приблизительно 8–10 тысяч импульсов одновременно на антенны вертикальной и горизонтальной поляризации.
Приведены данные, полученные при расположении передатчика на двух позициях: Кандинка 4 и Смокотино 0 при вертикальной поляризации излучения, вертикальной и горизонтальной поляризации приёма, на малой и большой фазометрических базах в летнее (2010 год) и зимнее (2008 год) время.
Некоторые результаты измерений приведены на рис. 3.46–3.57. Из них можно сделать следующие обобщения.
1. На каждой из трасс в летнее и зимнее время при приёме сигналов на основной и кроссполяризации «кажущаяся» ДНА передатчика и разность фаз на разнесённых антеннах зависят от момента измерения. С увеличением «отворота» повышается относительный уровень боковых лепестков ДНА, появляются дополнительные броски разности фаз, хотя в целом при измерении времени измерения от 154 до 308 нс характер кривых сохраняется. Наблюдая указанные зависимости по рис. 3.46–3.57, следует учитывать, что момент времени t = 0 определялся по системе синхронизации. При этом имеют место фиксируемого момента относительно «истинного» начала импульса на один дискрет АЦП (11 нс), что в ряде случаев приводит к малому отношению сигнал/шум и проявляется как в амплитудных, так и в фазовых диаграммах. На большой фазометрической базе данный эффект проявляется как скачки разности фаз на интервал однозначности 2ж, происходящие, когда разность фаз за счёт влияния шума достигает его границ (см., например, рис. 3.47, 3.48).
Наиболее значительно зависимость амплитудных и фазовых диаграмм от момента измерения проявляется в области второго, третьего и последующих лепестков ДНА РЛС.
2. Известно, что ДНА зеркальных антенн (каковой является антенна РЛС РПК-1) различны на основной и кроссполяризации: максимуму излучения на основной соответствует минимум на ортогональной. В экспериментальных «кажущихся» диаграммах эта зависимость не выполняется. На трассе «Кандинка» «кажущаяся» ДНА на вертикальной (излучаемой) и кроссовой поляризации близки по форме, максимумы их главных лепестков практически совпадают по положению. Это свидетельствует о том, что деполяризация возникает на трассе распространения радиоволн. В частности, такая ситуация может иметь место, если трасса распространения открытая и деполяризация возникает при зеркальном отражении радиоволн от облучаемой антенной РЛС горизонтальной поверхности раздела. Имеется в виду отражение вертикальной плоскости. «Заплывание» нулей кажущейся ДНА свидетельствует о том, что кроме зеркальной существует и диффузно рассеянная составляющая поля.
На трассе «Смокотино» ДНА РЛС сильно искажена. Максимумы и минимумы на основной и кроссполяризации несколько не совпадают по положению, на кроссполяризации выше уровень боковых лепестков. Соответственно, различаются и зависимости разности фаз от положения антенны РЛС.
3. В минимумах «кажущейся» ДНА РЛС наблюдаются двухполярные броски разности фаз на разнесенных антеннах, величина которых доходит до +ж (см., например, рис. 3.50, 3.51, 3.54). Между бросками наблюдается квазилинейное изменение разности фаз. На соответствующих интервалах амплитудных диаграмм имеются максимумы боковых лепестков.