Введение к работе
Особое место в радиотехнике занимают сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Благодаря гребенчатой форме функции неопределенности ЛЧМ-сигналов доплеровские расстройки частоты мало сказываются на амплитуде выходного сигнала приемника, что обусловило их использование в следящих радиолокационных станциях.
Применение ЛЧМ-сигналов не ограничено радиолокацией. ЛЧМ-сигналы используются в защищенной связи, наблюдении в плотных средах, медицине и гидролокации. Кроме того, в литературе рассмотрены аспекты применения ЛЧМ-сигналов в геологической разведке, радиотомографии, системах ближней радиолокации.
Более широкое использование ЛЧМ-сигналов затруднено ограничением существующих методов формирования по длительности сигналов снизу, при этом в областях, связанных с высокой скоростью обработки информации и не требующих высокой дальности действия радиолокатора - системы дистанционного зондирования Земли, системы геофизического мониторинга и ближней радиолокации, радиотомографии - целесообразным видится применение коротких ЛЧМ-сигналов.
Существующие формирователи ЛЧМ-сигналов не позволяют генерировать сигналы длительностью менее 100 нс. Кроме того, значения девиации частоты сигнала ряда формирователей не позволяют достичь высокой разрешающей способности по дальности устройства.
Невозможность применения традиционных методов для высокоскоростного формирования и обработки ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности приводит к необходимости использования оптических методов обработки информации, в том числе применению для этих целей волоконно-оптических структур (ВОС).
Анализ показал, что в работах, посвященных формированию ЛЧМ-сигналов, недостаточно исследованы аспекты применения волоконной оптики в целом, и бинарных волоконно-оптических структур (БВОС) в частности. Все вышесказанное определяет актуальность данной работы, направленной на создание методов и устройств формирования и обработки радиосигналов на волоконно-оптических структурах, позволяющих решить актуальные проблемы развития радиотехнических систем различного назначения.
В связи с этим, общую научную задачу диссертационного исследования можно сформулировать как развитие теории формирования сложных сигналов на основе волоконно-оптических структур.
Целью работы является уменьшение длительности формируемых ЛЧМ-сигналов в диапазоне частот 13 ГГц при девиации частоты сигнала порядка 6 ГГц.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих частных задач:
анализ существующих методов формирования сложных сигналов с ЛЧМ и проведение их сравнительного анализа для обоснования актуальности исследования в области формирования наносекундных сигналов с линейной частотной-модуляцией на основе БВОС;
уточнение структуры формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС и ее анализ;
разработка сигнальной и шумовой моделей функционирования формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС для выявления особенностей обработки сигнальных и шумовых компонент, получения количественной оценки параметров устройства и предъявления требований к отдельным функциональным узлам устройства;
анализ влияния физических факторов на качество формирования ЛЧМ-сигналов наносекундной длительности в диапазоне частот порядка 13 ГГц с целью уточнения требований к узлам формирователя, подтверждения реализуемости устройства, определения граничных условий применимости устройства;
проведение моделирования и экспериментальных исследований основных узлов формирователя на ВОС для подтверждения работоспособности синтезированной структуры, сопоставления полученных теоретических выкладок с практическим результатом и уточнения требований к используемой волоконно-оптической и электронной элементной базе.
Объектом исследования является формирователь ЛЧМ-сигнала.
Предметом исследования является структура формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
проведен сравнительный анализ формирователей ЛЧМ-сигналов различного типа по таким критериям, как длительность формируемых сигналов, скорость изменения частоты формируемых сигналов, требования к электропитанию устройства; обоснована целесообразность применения формирователя на основе ВОС для увеличения скорости изменения частоты и сокращения длительности формируемых радиоимпульсов;
впервые получены аналитические выражения для описания сигнальной и шумовой моделей функционирования формирователя ЛЧМ-сигналов на бинарной ВОС, что позволило выявить особенности обработки шумовых компонент в устройстве;
уточнена и проанализирована структура и метод формирования ЛЧМ-сигнала, основанный на использовании бинарных волоконно-оптических структур;
впервые дана оценка влияния точности изготовления ВОЛЗ, температуры окружающей среды, неидентичности формирования копий БВОС на корреляционные свойства формируемых ЛЧМ-радиосигналов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
уточнена и проанализирована структура формирователя ЛЧМ-сигналов, обеспечивающая среди формирователей ЛЧМ-сигналов наименьшую длительность формируемых сигналов порядка 2 нс при центральной частоте 10 ГГц и девиации до 6 ГГц;
разработана методика проектирования формирователя ЛЧМ-сигналов, позволяющая при заданных параметрах требуемого радиосигнала синтезировать структуру формирователя, обеспечивающего уменьшение длительности ЛЧМ-сигнала до 2,2 нс при девиации частоты порядка 6 ГГц, и сформулировать требования к параметрам его оптических и электронных узлов;
предложена модель формирователя ЛЧМ-сигналов на основе БВОС, позволяющего уменьшить длительность ЛЧМ-сигнала до 2,2 нс при девиации частоты порядка 6 ГГц, учитывающая допуск на изготовление ВОЛЗ, изменение температуры окружающей среды и шумовые свойства функциональных узлов, использование которой позволяет заменить экспериментальные исследования дорогостоящих узлов.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, результаты патентных исследований, аналитические выражения для описания составленных сигнальной и шумовой моделей формирователя ЛЧМ-сигналов на основе бинарной ВОС, количественная оценка параметров устройства, машинное моделирование процесса формирования сигнала, анализ результатов моделирования и формулировка требований к элементной базе формирователя ЛЧМ-сигналов на основе бинарной ВОС, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Результаты диссертационной работы использовались в НИР «Формирование наносекундных линейно-частотно-модулированных сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур», выполнявшейся кафедрой ИБТКС для НКБ «МИУС». Использование результатов НИР позволяет сократить длительность ЛЧМ-сигналов до 2,2 нс при уровне боковых лепестков АКФ не более минус 13,2 дБ при максимальном значении девиации частоты сигнала 5,9 ГГц, точности изготовления ВОЛЗ не хуже 0,1 мм, спектральной ширине излучения передающего оптического модуля - не более 0,1 нм и пиковой мощности оптических импульсов передающего оптического модуля не более 1 Вт. Кроме того, результаты диссертационного исследования использованы в г/б НИР 301.40.01.52 “Разработка и исследование технологий эффективной защиты данных Интернет, персональных и сетевых геоинформационных систем”, а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях: Х Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (г. Таганрог, 2010 г.); ХV Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке» (г. Харьков, 2011 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2011 г.); Всероссийской научной конференции «Теоретические и методические проблемы эффективного функционирования радиотехнических систем» (г. Таганрог, 2011); Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «ХI Королёвские чтения» (г. Самара, 2011 г.); Восьмой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (г. Таганрог, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 2 статьи – в изданиях, включенных в Перечень ВАК, 4 тезиса докладов – в трудах Международных и Всероссийских научно-технических конференций и научных сессий, из них 1 доклад опубликован полностью. Кроме того, подано две заявки на объекты интеллектуальной собственности (заявка на изобретение № 2012104485/08, заявка на полезную модель № 2012109937/08), опубликован патент на полезную модель № 121672.
Положения, выносимые на защиту:
известные методы формирования радиосигналов с линейной частотной модуляцией не обеспечивают длительность формируемых сигналов менее 100 нс, в связи с чем развитие теории формирования сложных сигналов на основе волоконно-оптических структур, применение которых позволяет достичь уменьшения длительности формируемых сигналов, является актуальной научной задачей, решение которой имеет существенное значение для расширения сфер применения сигналов с линейной частотной модуляцией;
добиться сокращения длительности ЛЧМ-сигналов при значении девиации частоты порядка 6 ГГц сигнала в диапазоне частот порядка 13 ГГц возможно с использованием формирователя на основе бинарных волоконно-оптических структур, позволяющих по сравнению с другими волоконно-оптическими структурами минимизировать затраты оптического волокна, соединений и повысить равномерность амплитуды выходного сигнала;
формирование наносекундных ЛЧМ-сигналов на основе бинарных волоконно-оптических структур возможно при выполнении ряда граничных условий: девиация частоты не должна превышать половину значения центральной частоты формируемого ЛЧМ-сигнала, спектральная ширина излучения передающего оптического модуля - не более 0,1 нм, пиковая мощность оптических импульсов передающего оптического модуля - не более 1 Вт, а точность изготовления ВОЛЗ не хуже 0,2 мм.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Общий объем работы 247 страниц, в том числе 88 рисунков, 41 таблица, библиография 109 наименований.
