Содержание к диссертации
Введение
1. Общие вопросы измерения углового положения источников радиоизлучения 12
1.1. Методы измерения углового положения источников радиоизлучения 12
1.2. Устройства измерения углового положения источников радиоизлучения 23
1.3. Выводы 40
2. Оценка углового положения источника радиоизлучения по сигналам принятым поворачивающейся приемной антенной 41
2.1. Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения для амплитудных методов при оптимальной временной обработке сигнала 41
2.2. Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения для амплитудных методов при оптимальной временной обработке сигнала 61
2.3.. Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным поворачивающейся металлической решеткой 77
2.4. Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным поворачивающейся металлической решеткой 88
2.5. Выводы 97
3. Оценка углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер 98
3.1. Модель сигнала переизлученного системой проводящих сфер 98
3.2. Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер 111
3.3. Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналу на выходе устройства обработки колебаний переизлученных системой проводящих сфер 116
3.4. Экспериментальное измерение углового положения источника радиоизлучения по сигналу на выходе устройства обработки колебаний переизлученных системой проводящих сфер 138
3.5. Выводы 147
4. Оценка углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью 148
4.1. Модель сигнала переизлученного проводящей регулярной шероховатой поверхностью 148
4.2. Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью 155
4.3. Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналу на выходе устройства обработки колебаний переизлученных проводящей регулярной шероховатой поверхностью 158
4.4. Экспериментальное измерение углового положения источника радиоизлучения по сигналу на выходе устройства обработки колебаний переизлученных проводящей регулярной шероховатой поверхностью 175
4.5. Разработка устройства для измерения углового положения источника радиоизлучения с помощью параболической антенны с шероховатым зеркалом 187
4.6. Выводы 198
Заключение 199
Литература
- Устройства измерения углового положения источников радиоизлучения
- Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения для амплитудных методов при оптимальной временной обработке сигнала
- Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер
- Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью
Введение к работе
Одной из актуальных проблем, стоящих перед органами внутренних дел, использующими радиотехнические системы связи, стоит проблема точного определения координат объектов: сопровождение грузов, нахождение координат охраняемых предметов, определение точного положения групп задержания ПЦО (пунктов централизованной охраны). Решение данной задачи является прямым путем повышения эффективности охраны объектов, несения службы и т.д.
Для измерения углового положения источника излучения, как правило, определяют его эквифазную поверхность, регистрируя поле в нескольких точках приемной антенны. При чем точность оценки углового положения источника излучения повышается при увеличении отношения размера апертуры приемной антенны к длине волны. Большие размеры антенн приводят к проблемам создания их конструкций, которые должны удовлетворять требованиям по точности изготовления, механическим нагрузкам и т.д. Таким образом, применение традиционных методов радиопеленгации требует построение радиотехнических систем с разнесенными на большие расстояния точками приема.
Другой метод измерения углового положения источника излучения -поляризационный. Он основан на регистрации поля переизлученного изотропной или анизотропной неоднородностью среды распространения волны. В данном методе отношение длинны волны к поперечным размерам приемной антенны уже не является главным фактором, определяющим точность оценки углового положения. Точность зависит от разности действия среды на компоненты вектора электромагнитного поля ортогонального поляризационного базиса. Здесь, неоднородность среды распространения исполняет роль трансформатора волнового вектора в поляризационную структуру поля волны.
Однако, в настоящее время мало конструктивных разработок неоднородностей среды распространения, которые могли бы одновременно отвечать таким требованиям, как высокая точность оценки углового положения по поляризационному методу, простота изготовления и относительно небольшие размеры неоднородности. Удовлетворение данным требованиям позволит создать мобильные системы для определения углового положения источника радиоизлучения.
Таким образом, представляет научный интерес синтезировать устройства, осуществляющие определение координат источника радиоизлучения с высокой точностью при малых габаритах антенны, и исследовать их точностные характеристики.
Целью работы является: синтез и анализ радиотехнических устройств оценки углового положения источника радиоизлучения с малогабаритными антеннами при приеме сигналов переизлученных неоднородностями среды.
Задачи исследования:
1. Разработать модели сигналов переизлученных неоднородностями среды такими, как поворачивающаяся металлическая решетка, система проводящих сфер, проводящая регулярная шероховатая поверхность.
2. Синтез оптимального приемника оценки углового положения источника радиоизлучения при приеме сигналов на ортогонально поляризованные антенны.
3. Получение точностных характеристик оценки углового положения источника радиоизлучения при приеме сигналов на ортогонально поляризованные антенны.
4. Анализ характеристик оценки углового положения источника радиоизлучения в особых точках диаграммы направленности.
5. Анализ зависимости характеристик оценки углового положения источника радиоизлучения от структуры неоднородности.
6. Экспериментальная проверка некоторых характеристик приемного устройства измерения углового положения источника радиоизлучения.
Методы проведения исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и вычислительные методы современного математического аппарата статистической радиофизики, методы электродинамики, методы математической статистики, методы теории радиотехнических цепей и сигналов.
Выполненные исследования базируются на теории помехоустойчивого радиоприема, теории статистических решений, теории оценок параметров сигналов методом максимального правдоподобия, теории волн, теории радиотехнических систем и устройств, и используют такие математические теории и методы, как теория матриц, метод малого параметра, методы решения дифференциальных и интегральных уравнений, методы математической статистики, методы решения экстремальных задач, численные методы исследований на ЭВМ.
В результате выполненных исследований получены следующие результаты, обладающие научной новизной:
1. Устройства измерения углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер, проводящей регулярной шероховатой поверхностью, отличающиеся тем, что с целью уменьшения габаритов приемной антенны, на пути распространения радиоволн помещается неоднородность, а измеритель суммарного выходного напряжения заменен на блок измерения разности фаз между сигналами каналов.
2. Устройство измерения углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным поворачивающейся металлической решеткой, отличающееся тем, что на пути распространения радиоволн помещается поворачивающаяся неоднородность в виде металлической решетки, а измеритель суммарного выходного напряжения заменен на блок измерения разности фаз между сигналами каналов, при чем измерение углового положения можно вести как по максимуму, так и по минимуму сигнала на выходе приемника.
3. Устройство измерения углового положения источника радиоизлучения, содержащее приемную антенную систему, включающую параболическое зеркало, механизм ее поворота и указатель поворота антенны, и приемник для обработки принятых сигналов, отличающееся тем, что параболическое зеркало выполнено шероховатым, а приемник для обработки принятых сигналов содержит рупорную антенну с поляризационным расщепителем вертикальной и горизонтальной компонент поля, соединенный с блоком измерения разности фаз между сигналами каналов.
4. Аналитические выражения для расчета потенциальной точности оценки углового положения источника радиоизлучения по поляризационной структуре поля переизлученного системой проводящих сфер, проводящей регулярной шероховатой поверхностью, поворачивающейся металлической решеткой, аналитические выражения для расчета потенциальная точности при сканировании диаграммой направленности приемной антенны по методам минимума, максимума и равносигнальному методу.
5. Способ регуляризации оценки максимального правдоподобия для сигналов образованных наложением нескольких колебаний.
6. Результаты анализа точностных характеристик оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным, поворачивающейся металлической решеткой, системой проводящих сфер, проводящей регулярной шероховатой поверхностью.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Оптимальное устройство оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным поворачивающейся металлической решеткой при поляризационной обработке сигналов.
2. Характеристики оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным поворачивающейся металлической решеткой при поляризационной обработке сигналов.
3. Оптимальное устройство оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер при поляризационной обработке сигналов. 4. Характеристики оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер при поляризационной обработке сигналов.
5. Оптимальное устройство оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью при поляризационной обработке сигналов.
6. Характеристики оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью при поляризационной обработке сигналов.
Практическая ценность работы. Исследовано влияние неоднородностей среды распространения в виде системы проводящих сфер, проводящей регулярной шероховатой поверхности, поворачивающейся металлической решетки с различными электродинамическими параметрами на точность оценки углового положения источника радиоизлучения. Полученные результаты позволяют выбрать параметры неоднородности среды и алгоритм оценки углового положения источника радиоизлучения по поляризационной структуре поля в зависимости от имеющейся априорной информации, требований, предъявляемых к точности оценки и степени простоты технической реализации, а также от сектора оцениваемых углов. Исследованы точностные характеристики измерения углового положения источника радиоизлучения, при сканировании диаграммой направленности приемной антенны; определена потенциальная точность оценки по методам минимума, максимума и равносигнальному методу. Полученные результаты могут найти применение в радиолокации, пассивной локации, в системах радиосвязи и др.
Внедрение научных результатов. Полученные в диссертации результаты внедрены в научно-исследовательский и учебный процессы в Воронежском институте МВД России, в Воронежском НИИ "Вега", в Воронежском НИИ связи.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1.-2. VII, X международной научно-технической конференции
"Радиолокация, навигация, связь". ВНИИС, 2001,2004. 3.-5. VI, VIII, IX международной открытой научной конференции "Современные проблемы информатизации в технике и технологиях", 2001, 2003, 2004. 6.-8. Всероссийской научно-практической конференции "Современные проблемы борьбы с преступностью". ВИ МВД России, 2002,2003,2004. 9. Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные вопросы разработки, эксплуатации и информационной защиты систем безопасности и телекоммуникационных систем". ВИ МВД России, 2002. 10.-11. Всероссийской научно-практической конференции "Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем". ВИ МВД России, 2003,2004.
12. IV Всероссийской научно-практической конференции "Охрана, безопасность и связь". ВИ МВД России, 2003.
13. Межвузовской научно-практической конференции "Актуальные вопросы проектирования и эксплуатации средств охраны и защищенных коммуникационных систем". ВИ МВД России, 2000.
14. Межвузовской научно-практической конференции "Методы и способы повышения эффективности радиоэлектронных средств охраны". ВИ МВД России, 2001.
15. Межвузовской научно-практической конференции "Современные проблемы противодействия преступности". ВИ МВД России, 2001.
Представленные в диссертации вопросы изложены в четырех разделах.
В первом разделе проанализированы методы радиопеленгации, а так же устройства, при помощи которых реализуются данные методы. Точностные характеристики фазового и амплитудного методов измерения углового положения источника радиоизлучения зависят от отношения размера апертуры приемной антенны к длине волны. Таким образом, для измерения углового положения источника радиоизлучения с высокой точностью требуется антенна большого, в длинах волн, размера. Для сокращения размеров антенн применяют поляризационный метод, основанный на регистрации поля, переизлученного неоднородностью среды. Точность данного метода зависит от разности действия неоднородности на компоненты вектора электромагнитного поля ортогонального поляризационного базиса. Таким образом, при определении углового положения по поляризационному методу отношение длины волны к поперечным размерам приемной антенны уже не является решающим фактором, определяющим точность оценки углового положения, данное обстоятельство позволяет уменьшить размеры приемных антенн. Однако, в настоящее время мало конструктивных разработок неоднородностей среды, которые могли бы одновременно отвечать таким требованиям, как высокая степень деполяризации, простота изготовления и небольшие размеры.
Во втором разделе выполнен синтез и анализ радиотехнического устройства осуществляющего измерение углового положения источника радиоизлучения при сканировании диаграммой направленности приемной антенны при оптимальной временной обработке сигнала. Приведена блок-схема данного устройства, определена потенциальная точность оценки измерения по методам минимума, максимума и равносигнальному методу. Выполнен синтез и анализ устройства,осуществляющего измерение углового положения источника радиоизлучения по сигналам, переизлученным поворачивающейся металлической решеткой, по методу максимального правдоподобия при поляризационной обработке.
В третьем разделе рассмотрено измерение углового положения источника радиоизлучения по сигналам, переизлученным системой проводящих сфер при поляризационной обработке. На основе теории дифракции на сфере записана модель сигнала, переизлученного системой проводящих сфер. По известному решению задачи о рассеянии волны на системе проводящих сфер записана модель сигнала на входе радиоприемного устройства. В предположении, широко используемом на практике, о приеме сигналов на фоне белого гауссовского шума, с помощью метода максимального правдоподобия синтезировано устройство для оценки углового положения источника радиоизлучения, приведена его блок-схема, выполнена практическая реализация устройства для измерения углового положения источника радиоизлучения. Проведен анализ выходного напряжения приемника максимального правдоподобия. Выполнен анализ точностных характеристик оценки углового положения источника радиоизлучения по поляризационной структуре поля, переизлученного системой проводящих сфер.
В четвертом разделе выполнен синтез и анализ радиотехнического устройства, осуществляющего измерение углового положения источника радиоизлучения по сигналам, переизлученного проводящей регулярной шероховатой поверхностью при поляризационной обработке. С помощью решения задачи рассеяния волны на проводящей регулярной шероховатой поверхности по методу изображений, записана модель сигнала на входе радиоприемного устройства. Приведена блок-схема устройства для измерения углового положения источника радиоизлучения. По выходному напряжению определены точностные характеристики оценки углового положения источника радиоизлучения. Предложено устройство измерения углового положения источника радиоизлучения по сигналам, переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью. Разработано устройство для измерения углового положения источника радиоизлучения с помощью параболической антенны с шероховатым зеркалом.
В заключении приведены выводы по работе в целом.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 28 работах [180-207].
Устройства измерения углового положения источников радиоизлучения
Предложены методы измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волныу переизлученной металлической решеткой [99], а так же металлической решеткой с переменными электродинамическими параметрами, которые изменялись при помощи управляемых пассивных рассеивателей [162]. В данных методах точность оценки углового положения определяется интерференцией, переизлученных решеткой, сигналов в точке приема.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что угловое положение источника излучения определяется по положению волнового вектора. Фазовый и амплитудные методы измерения углового положения используют зависимость разности фаз сигналов в различных точках пространства. Интерферометрический метод измерения обеспечивает высокую точность оценки направления прихода при расположении источника излучения в дальней зоне, он также позволяет производить измерения и на меньших расстояниях, но при этом точность оценки углового положения источника излучения при неизвестной дальности уменьшается [166]. Фазовый и амплитудные методы используют сдвиг фаз, обусловленный геометрическим расположением приемных антенн в пространстве, и для повышения точности оценки требуют большие по отношению к длине волны апертуры приемных антенн.
Отметим, что измерение углового положения также проводят по сдвигу фаз между ортогональными составляющими вектора напряженности электрического поля волны, переизлученной неоднородностью среды распространения с известными или контролируемыми параметрами. Таким образом, точность данного поляризационного метода сравнима с точностью оценки углового положения интерферометрическим методом, но при этом поперечные размеры апертуры приемной антенны могут быть малыми.
К недостаткам методов измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля, где в качестве неоднородности среды распространения является:
1) изотропная неоднородность [96], можно отнести: относительно небольшую точность оценки, с увеличением в очень узком секторе углов в окрестности угла Брюстера; модель среды с неоднородностью записана для двух полубесконечных сред, что затруднительно воспроизвести на практике;
2) стационарная [94,97,98,125] и нестационарная [95,126] магнитоактивная плазма, можно отнести: технически использование и обеспечение контроля стабильного состояния магнитоактивной плазмы весьма затруднительно;
3) металлические решетки с постоянными [99] и переменными [162] электродинамическими параметрами, можно отнести: модель решетки записана для неограниченно длинных и бесконечно малых по диаметру элементов решетки, вследствие чего полученные результаты верны лишь в предельных приближениях; небольшое количество энергии, переизлученной решеткой, вследствие бесконечно малых по диаметру проводов; за максимальный линейный размер антенной системы принята ширина решетки и не учтена ее бесконечная длина; при расчетах точности оценки угла не было учтено падающее поле.
На основании вышеизложенного представляется целесообразным нахождение и исследование таких неоднородностей среды распространения, которые могли бы обеспечить довольно высокую точность оценки измерения углового положения источника радиоизлучения, при относительно небольших размерах и приемлемой практической реализации.
Рассмотрим основные радиотехнические устройства, выполняющие оценку углового положения источника радиоизлучения по методам, описанным в главе 1.1. 1) Амплитудные радиопеленгационные устройства. 1.1) Угломерные устройства, фиксирующие направление по максимуму сигнала. Радиопеленгатор (рис. 1.2) имеет направленную антенну, которая поворачивается вокруг вертикальной оси, приемник и индикатор уровня сигнала. Антенна поворачивается в положение, при котором уровень сигнала максимален. Угол поворота антенны отсчитывается по указателю пеленга относительно северного направления. При отклонении максимума диаграммы от направления на радиостанцию относительное изменение напряжения [19]: m = AUB/UBM=l-F(e), (1.9) где Uв - эффективное напряжение сигнала на выходе; Uвм - эффективное напряжение сигнала на выходе, соответствующее максимуму диаграммы; F(0) - нормированная диаграмма направленности.
При повороте антенны сигнал на выходе приемника изменяется, и поворот будет продолжен, пока с помощью индикатора не произойдет регистрация этого изменения, при этом возникнет ошибка пеленгования. Оценку изменения сигнала производят, пользуясь некоторым критерием, например, критерием относительного изменения сигнала — изменение сигнала будет отмечено, если оно превысит заданный порог т0.
Анализ точности оценки углового положения источника радиоизлучения для амплитудных методов при оптимальной временной обработке сигнала
Определим рассеяние оценки V(0m\6o), если сигнал не обнаружен, т.е. рассчитаем точность оценки углового положения по методу минимума при назначении оценки. В данном случае рассеяние оценки У(От\во) = Ь2и(0т\Оо), (2.84) где Ь и = Ьи(0т\во) - смещение, характеризующее интервал от вт до в0 [85] К=ви+вАр-в0. (2.85) Заметим, что порог h и смещение Ъ и, будут постоянными при фиксированных значениях pF и pD (?е).
Построим зависимость рассеяния оценки от угла вА, рассчитанную по соотношению (2.81); при условии, что сигнал обнаружен, и соотношению (2.84) при условии, что сигнал не обнаружен. График данной зависимости, рассчитанный для параметров d/A=l; z =100; в0=0? показан на рис.2.3, сплошная линия построена при Ре=0,1, штриховая построена при Ре=0,2.
По графику, представленному на рис.2.3., видно, что при углах 9А = 9 о - ви, рассеяние стремится к бесконечности из-за того, что ОСШ zo (#0 &A) неограниченно уменьшается, вследствие противофазного сложения сигналов,приходящих на приемные антенны.
Из анализа соотношения (2.84) видно, что точность оценки углового положения источника излучения по методу минимума зависит от условного уровня нулевого сигнала на выходе приемника-измерителя. Условный нулевой уровень определяется по заданным значениям характеристик обнаружения, и чем он ниже, тем выше точность оценки углового положения, однако, характеристики обнаружения сигнала ухудшаются, и измерение становится ненадежным. Итак, при оценке углового положения источника радиоизлучения по методу минимума с заданными характеристиками обнаружения сигнала pF, pD (Ре), становится возможным вычислять порог обнаружения А, определяя,при каком угле вА, следует назначать оценку.
Интерпретация средней вероятности ошибки Ре такова — данная вероятность определяет достоверность измерения в заданном априорном подинтервале (вероятность попадания оценки в заданный априорный подинтервал). При уменьшении априорного подинтервала повышается точность измерения, но увеличивается и средняя вероятность ошибки Ре, то есть уменьшается вероятность попадания оценки в заданный априорный подинтервал. Таким образом, становится меньше вероятность того, что провели измерение верно (при данном рассеянии оценки), т.е. на самом деле оценка измерения может быть вне априорного подинтервала.
Таким образом, рассмотренную выше задачу можно интерпретировать как задачу совместного обнаружения сигнала и оценивания его неизвестных параметров [144]. Поскольку операции оценивания и обнаружения могут влиять друг на друга, то требуется их совместная оптимизация [144].
Совместный алгоритм обнаружения-оценивания представляет собой совокупность двух связанных между собой решающих правил (алгоритмов): обнаружения сигнала (2.53), и оценивания его параметров (2.15), (2.67).
Поэтому целесообразно, особенно с точки зрения практических приложений, описывать эффективность функционирования совместных алгоритмов обнаружения-оценивания совокупностью показателей качества, соответствующих двум решающим правилам. Применительно к обнаружению сигнала удобными, легко интерпретируемыми и наглядными показателями качества являются вероятности ошибок первого рода a = pF (ложной тревоги) и второго рода {5 = 1 - pD (пропуска сигнала). Исчерпывающей характеристикой оценивания является условная плотность вероятности оценки W(Om\0o) [144]. К сожалению, для параметров, нелинейно закодированных в реализации наблюдаемых данных, получить распределение оценки сложно. Поэтому часто приходится ограничиваться использованием таких показателей качества, как смещение, дисперсия, рассеяние. В дальнейшем в роли показателей качества функционирования совместных алгоритмов обнаружения-оценивания будем использовать вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения, а также рассеяние оценки.
Рассмотрим возможность определения указанных показателей качества применительно к совместному алгоритму МП обнаружения сигнала и оценивания его неизвестных параметров. Положим, что имеются две проверяемые гипотезы #0 и #! при 0 t Т:
Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным системой проводящих сфер
Расчет первой производной в (3.45) будем выполнять с помощью формулы (3.50). Вычисление дисперсии оценки углового положения источника радиоизлучения, используя соотношение (3.45), проведем при следующих параметрах: диэлектрическая проницаемость среды є = єе = 1; магнитная проницаемость среды це = 1; амплитуда сигнала Е0 = 1 В/м; частота сигнала / = 10 ГГц, т.е. длина волны во внешней среде Яе = 0,03 м, определяемая как е Л)/лРе/ е гДе AQ = C/ f Длина волны в вакууме, с — скорость света в вакууме; энергетическое ОСШ будем считать постоянным и равным z =10.
Следует отметить, что если в [0; к/2), то этот случай переизлучения будет соответствовать прохождению волны через систему сфер, а если 0 є (яг/2; я-] - отражению волны системой сфер. При определении полного поля, в случае, соответствующем отражению волны, компонентами падающего поля можно пренебречь, т.к. падающая волна в приемную антенну будет заходить только после переотражения. Рассмотрим переизлучение волны системой сфер при в є [0; я-/2), т.е. данный случай соответствует прохождению волны через систему сфер.
При вычислении в (3.31) Рх{в), Fy{6) учтем 1Х сферических гармоник, потребовав выполнение условия [#„,[#„ 10"8. Дальнейшее увеличение /х практически не вызывает изменений в картине поля и дисперсии оценки.
Проведем анализ дисперсии оценки углового положения источника излучения при различных расстояниях до приемной антенны. Для этого определим границы дальней и ближней зон при условии L» А следующим образом [122] где L - максимальный размер системы, который определим как L = 2а + V(( -l) i)2 + ((М -\)d2f . (3.52) Таким образом, приемная антенна располагается в дальней зоне (зоне Фраунгофера), если г г 3 ; в промежуточной области (зоне Френеля), если гб.з. - г - гд.з.» в ближней зоне, если а г rg 3 . Положим также, что d1 = d2 = 4а + Я,т.е. d- /Л = d2/& = 4а/Я + 1.
Для анализа зависимости дисперсии оценки от соотношения г/Л, при а/Л = const построим графики D(0m\0Q) - рис.3.3, рассчитанной по соотношениям (3.45), (3.30) при параметрах: у=0 рад; а/Л-1 (/j=12); М =N=2\ (гбз /Л =11,727, гдз /Л =164,569), где кривая 1 рассчитана - при г/Л =10 (ближняя зона); кривая 2 - при г/Л =40 (промежуточная область) кривая 3 - при г/Л =200 (дальняя зона).
Из графика представленного на рис.3.3, видно, что с увеличением расстояния дисперсия оценки уменьшается, т.е. точность оценки растет. Однако, на самом деле это не так, точность при бесконечном увеличении расстояния не может бесконечно расти. Объяснение этого явления заключается в том, что ОСШ z , входящее в (3.45), имеет фиксированное значение, а ОСШ с увеличением расстояния должно уменьшаться.
Учтем изменение ОСШ в зависимости от расстояния и проведем анализ дисперсии оценки углового положения при различных расстояниях г до приемной антенны. Для этого положим, что ОСШ z , входящее в (3.45), зависит от г и равно z2(0Q,r), которое рассчитывается по соотношению (2.129), при чем значения Fx(0o,r), Ру(в0,г) будут определяться только составляющими полезного сигнала, отвечающего за деполяризацию падающей волны. Таким образом, учтем лишь компоненты поля переизлученного проводящими шероховатостями:
На рис.3.4 показан график дисперсии оценки D(0m\eo\ рассчитанной с учетом (3.53) при параметрах: у-0 рад; а/Л=1 ( =12); M=N=2; (гбз/Л =11,727, гдз /Л =164,569), где кривая 1 рассчитана - при г/Л =10 (ближняя зона); кривая 2 - при г/Л =40 (промежуточная область); кривая 3 — при г/Л =200 (дальняя зона). График І і (#0,г) + / ,(00,/-) J (соотношение (3.53)), построенный при тех же параметрах для #0=45, показан на рис.3.5.
При анализе зависимости дисперсии оценки от г (рис.3.4), можно заметить, что дисперсия оценки в ближней зоне велика, это объясняется небольшой разностью скоростей изменения фаз компонент переизлученного поля, при изменении в для достаточно больших ОСШ z2(0Q,r) (рис.3.5).
При увеличении г, начиная с зоны Френеля, дисперсия оценки уменьшается, так как разность скоростей изменения фаз увеличивается и превосходит уменьшение ОСШ zf(#0,r). При дальнейшем увеличении г, соответствующем расположению приемной антенны в дальней зоне системы сфер, дисперсия увеличивается до определенного значения и далее практически не изменяется, данный эффект связан с увеличением разностью скоростей изменения фаз, которая компенсирует одновременное уменьшение ОСШ zf(0o,r).
Синтез устройства оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным проводящей регулярной шероховатой поверхностью
Расчеты, проведенные в разделе 3.3, показали, что точность оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам, переизлученным системой проводящих сфер, определяется радиусом сфер, их количеством и расстоянием между ними, а также углом начальной поляризации волны и расстоянием до приемной антенны. Кроме того, ранее было показано, что поляризационная структура поля, прошедшего через систему проводящих сфер, зависит от угла падения, при этом точность оценки углового положения растет с увеличением разности скоростей изменения фаз между ортогонально поляризованными компонентами вектора напряженности электрического поля волны Е.
Экспериментальную проверку приближенных формул, для оценки углового положения источника радиоизлучения по разности скоростей изменения фаз компонент ортогонального базиса волны, прошедшей систему проводящих сфер, осуществим с помощью регистрации напряжения на выходе приемного устройства, изображенного на рис.3.16. Приемное устройство было построено согласно алгоритму (3.43). Основная операция, осуществляемая приемником, состоит в формировании корреляционных интегралов.
В качестве источника выберем гармонический излучатель ортогонально поляризованных колебаний с равными амплитудами и нулевой разностью фаз между колебаниями излучателей. Расстояние между излучателем и приемником, физические и геометрические параметры среды, интервал измерения углового положения выберем так, чтобы излучатели разрешались.
Для стационарного неполяризованного и однородного случайного гауссовского 5 -коррелированного поля помех, корреляционная квадратурная . обработка двух ортогонально поляризованных сигналов реализуется в сочетании поляризованного интерферометра [13] и амплитудного детектора. В поляризационном интерферометре в качестве опорного сигнала использовался сигнал одного из каналов, при этом разность фаз в опорных каналах реализовывалась путем введения сдвига фаз соответствующего истинному угловому положению в каналы калиброванным фазовращателем. Для разрешаемого источника излучения операция суммирования колебаний излучателей может быть проведена прежде операции детектирования. Сигналы суммировались в измерительной линии, возводились в квадрат и интегрировались в диодном детекторе и входных цепях вольтметра. Для обеспечения четкой интерференционной картины распределения поля, необходимо обеспечить равенство амплитуд и однонаправленность распространения сигнала в каждом канале, эти процедуры реализуются регулируемым аттенюатором и ферритовым вентилем в каждом канале приемника [69].
Используемое в эксперименте передающее устройство, изображенное на рис.3.17, состоит из СВЧ генератора 1, волноводного моста 2, калиброванного фазовращателя 3, ферритового вентиля 4, регулируемого аттенюатора 5, поляризатора 6, антенны 7. В качестве поляризатора использовалось турникетное соединение стандартных волноводов [12], поляризатор непосредственно соединен с рупорной антенной. Промодулированный сигнал с генератора 1 поступает в два пространственно-ортогональных плеча волноводного тракта. Соотношение между амплитудами и фазами в этих каналах, определяемое регулируемым аттенюатором 5, и калиброванным фазовращателем 3, обеспечивает получение поля излучения с произвольным видом поляризации.
Приемное устройство, изображенное на рис.3.16, состоит из антенны 1, поляризационного расщепителя 2, калиброванного фазовращателя 3, регулируемого аттенюатора 4, ферритового вентиля 5, измерительной линии 6, диодного детектора 7, индикаторного прибора (вольтметра) 8. Антенна вместе с поляризационным расщепителем 2 обеспечивают прием волны любой поляризации с последующим разложением её на элементы поляризационного базиса. Поляризационный расщепитель 2 реализован с помощью турникетного соединения стандартных волноводов [12,110]. Соотношение в плечах турникетного соединения определяет вид поляризационного базиса разложения. Передающая и приемная антенна тестировались на адекватность приема заданной поляризации. Сигнал с поляризационного расщепителя поступает в два пространственно-ортогональных плеча волноводного тракта. Подстройкой аттенюаторов 4 выравниваются амплитуды в каналах. Наличие вентилей в каждом канале обеспечивает однонаправленность. Наличие волноводной скрутки в одном из каналов переводит пространственно ортогональные сигналы в одну плоскость, что обеспечивает их интерференцию в измерительной линии 6. Детектор 7 измеряет средний квадрат суммы амплитуд двух принятых сигналов. При изменении сдвига фаз между сигналами в пространственно-ортогональных каналах, даже при неравных амплитудах сигналов, изменения интерференционной картины в измерительной линии 6 будет пропорционально изменению фазы. При регистрации распределения поля стоячей волны в измерительной линии сигнал на выходе детектора проходит через максимум и минимум всякий раз, когда разность фаз меняется на я-рад. Измерения сдвига фаз обычно проводят путем измерения распределения поля стоячей волны, характеризующееся расположением минимумов (узел) и максимумов (пучность) напряженности поля [140]. Ввиду неточности измерения положения максимума (пучности) напряженности поля, обусловленной шунтирующим влиянием зонда, большим, чем на положение минимума, измерения проводят по положению минимума.
Похожие диссертации на Синтез и анализ радиотехнических устройств оценки углового положения источника радиоизлучения по сигналам переизлученным неоднородностями среды
