Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и перспективы развития радиосистем ближнего действия. постановка задач исследования 16
1.1.Современное состояние проблемы качества измерений в РБД 16
1.2.Перспективы развития РБД 25
1.3. Обоснование показателей качества метрологического обеспечения измерений в РБД 57
1 4 Постановка задач исследования 61
2. Синтез оптимальных структур и алгоритмов обнаружения и измерения характеристик объектов в радиосистемах ближнего действия 64
2.1.Устройство и алгоритм оптимальной корреляционной фильтрации сигналов в локационных РБД 64
2.2. Устройство и энтропийно-статистический алгоритм опти мальной обработки локационной информации 71
2.3.Устройство и квазиоптимальный алгоритм обработки локационной информации 81
2.4.Устройство и информационно-статистический алгоритм оптимального обнаружения методом зондирования шумоподобным сигналом 90
2.5.Оптимальный вероятностно-информационный нелинейный фильтр для обнаружения шумовых и шумоподобных сигналов 93
3. Развитие информационной теории оптимального приема сигналов 104
3.1.Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов в РБД 104
3.2.Информационно-энтропийный критерий качества приема радиосигналов 113
3.3. Способ радиосвязи, основанный на нелинейной оптимальной обработке сигналов 126
4. Разработка принципов построения перспективных радиосистем ближнего действия различного назначения 133
4.1.Устройство обнаружения и распознавания объектов с нелинейными электрическими свойствами 134
4.2. Устройство нелинейной радиодальнометрии по сферичности фазового фронта электромагнитной волны 138
4.3 .Параметрические устройства и их применение в РБД 141
4.4.Устройство нелинейной радиопеленгации 147
4.5.Нелинейная локация активных целей методом преднамеренной модуляции 154
4.6.Нелинейное ретрансляционное подавление средств связи 159
5. Метрологическое обеспечение радиосистем ближнего действия 169
5.1.Математическая модель метрологического обеспечения радиоизмерений в РБД 169
5.2.Методы метрологической экспертизы РБД 179
5.3.Способ калибровки РБД 183
5.4.Способ сравнения метрологических характеристик РБД 190
5.5.Оценка точности измерений в РБД методом интервального анализа 194
6. Методы оценки эффективности радиосистем ближнего действия 204
6.1 .Оценка эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоэлектронного подавления 205
6.2.Оценка эффективности средств нелинейной радиолокации и противорадиолокации 217
6.3.Математическая модель характеристик нелинейных антенн для оценки эффективности РБД 227
6.4.Оценка эффективности средств создания мультипликативных помех, формируемых в передатчике стороннего РЭС 233
7. Анализ метрологических характеристик радиосистем ближнего действия 244
7.1.Влияние параметров антенн на метрологические свойства РБД 246
7.2.Погрешности радиоизмерений в ближней зоне 253
7.3.Методы учета влияния радиопомех на точность измерений... 257
7.4,Оценка погрешностей измерения параметров электромагнитной совместимости радиоприемных устройств 263
7.5.Анализ методов и погрешностей измерений характеристик излучений и приема РБД 270
8. Разработка и экспериментальные исследования методов, узлов и структур радиосистем ближнего действия 289
8.1 .Информационный показатель точности измерения шумовых излучений передатчиков 289
8.2.Метод оценки влияния характеристик рассеяния измерительных антенн на точность измерения напряженности электромагнитного поля 295
8.3.Методика расчета энергетических потерь, обусловленных рассеянием электромагнитных волн на антеннах СВЧ 300
8.4.Применение информационно-вероятностных показателей точности измерений в РБД 306
8.5.Методы и техника нелинейной радиодальнометрии и радио пеленгации 316
Выводы 330
Заключение 332
Список использованных источников 347
- Обоснование показателей качества метрологического обеспечения измерений в РБД
- Устройство и энтропийно-статистический алгоритм опти мальной обработки локационной информации
- Способ радиосвязи, основанный на нелинейной оптимальной обработке сигналов
- Устройство нелинейной радиодальнометрии по сферичности фазового фронта электромагнитной волны
Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы теории и практики создания радиосистем ближнего действия (РБД) в настоящее время выделились в самостоятельное научное направление. К РБД относятся системы извлечения информации (радиолокации, в том числе нелинейной, радионавигации), радиоуправления, передачи информации, технической защиты информации, радиоэлектронного подавления, измерительные комплексы и другие радио- и радиотехнические системы, комплексы и средства.
Усложнение перспективных РБД (обусловленное расширением круга решаемых задач, повышением требований к их надежности и качеству функционирования) вызывает увеличение объема измерительного контроля их параметров в процессе разработки, испытаний и эксплуатации. В настоящее время на этапе разработки РБД на измерение и контроль их параметров приходится до 50% трудозатрат, отводимых на изготовление опытного образца. В ряде случаев, например, при испытаниях РБД на эффективность и электромагнитную совместимость (ЭМС) эти трудозатраты еще выше. Кроме того, значительная часть номенклатуры РБД содержит информационно-измерительные устройства и поэтому требует соответствующего метрологического обеспечения, причем, разумеется, с учетом условий испытаний в ближней зоне.
Большой объем измерительных процедур в РБД приводит к снижению эффективности их функционирования; поэтому при выборе измеряемых параметров, назначении норм точности их измерений, определении состава и характеристик средств измерений, методик испытаний необходимо оценивать конечный результат метрологического обеспечения – увеличение (уменьшение) эффективности применения РБД.
Теория РБД развивается более 40 лет, и можно говорить о том, что уже сложились ее научные основы. В России в данном направлении велись исследования под руководством О.И. Шелухина, Н.С. Вернигорова, А.А. Горбачева, Л.Д. Бахраха, А.П. Курочкина, Г.Н. Щербакова, Д.В. Семенихиной, С.В. Ларцова, Б.М. Петрова, А.А. Потапова, Е.П. Чигина, Г.Д. Михайлова и др.
В последние годы состав РБД пополнился новыми средствами нелинейной радиолокации, связи, навигации, радиопротиводействия. Характерной особенностью этой техники является полезное применение ранее считавшихся вредными нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии радиоволн в процессе передачи информации, определения координат объектов и постановки помех. Однако до настоящего времени нет единой теории, объединяющей принципы построения, алгоритмы функционирования и методы оценки эффективности этих радиотехнических средств и систем. В связи с этим стало актуальным развитие теории РБД в направлении учета нелинейных эффектов на качество их функционирования. Как показал анализ, значительная часть нелинейных РБД не удовлетворяет современным требованиям по эффективности, причем, в первую очередь, по дальности действия и по точности. Эта проблема обусловлена физическими особенностями нелинейных эффектов, возникающих при излучении, нелинейном рассеянии и приеме электромагнитных волн (ЭМВ). Так, увеличение мощностей зондирующих сигналов не приводит к существенному увеличению зоны действия РБД. При этом значительно снижается эффективность РБД из-за отрицательных последствий нелинейных эффектов, в частности, из-за создания помех окружающим РЭС.
Искомый радикальный подход, позволяющий выявить и обосновать принимаемые решения, основан на целенаправленном развитии общей теория РБД в указанном направлении. Новое направление развития теории включает поиск путей совершенствования принципов построения РБД, способов повышения эффективности их функционирования, а также обеспечения требуемого качества метрологического обеспечения.
Таким образом, между практическими потребностями в расширении области применения РБД и всесторонней оценки их показателей качества, с одной стороны, и существующими техническими и теоретическими возможностями оценки их показателей эффективности, с другой, существует глубокое противоречие. Устранение данного противоречия обусловливает актуальность диссертационной работы.
Работа выполнена в Воронежском институте правительственной связи (филиале) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации по плану НИР “Концепция - В”.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие основ теории РБД в интересах разработки и обоснования перспективных направлений создания радиотехнических систем.
Достижение поставленной цели связано с необходимостью решения научной проблемы: изыскание и обоснование принципов построения РБД и совершенствование методик оценки их эффективности и метрологических показателей на основе выявления и изучения специфических особенностей взаимодействия ЭМВ с объектами с нелинейными электрическими свойствами. Проблема решается в интересах модернизации существующих и создания новых радиотехнических систем и средств различного назначения.
Фундаментальная часть проблемы заключается в развитии методических основ теории РБД в части комплексного обоснования принципов построения и алгоритмов функционирования нового класса РБД (использующего полезные свойства нелинейных эффектов), а также в части учета влияния качества метрологического обеспечения РБД на показатели их эффективности.
Прикладная часть проблемы заключается в обосновании технического облика и потенциальных возможностей перспективных радиотехнических систем и устройств широкого класса – нелинейной радиолокации, радиосвязи, радиопеленгации, радиоэлектронного подавления, технической защиты информации, радиолокационных и антенных измерительных комплексов, а также комплексов для измерения параметров ЭМС РЭС.
Решение проблемы структурно состоит из следующих задач:
1. Поиск, теоретическое и экспериментальное обоснование принципов построения и алгоритмов функционирования перспективных РБД.
2. Синтез оптимальных структур и алгоритмов обнаружения, распознавания и измерения характеристик объектов с нелинейными электрическими свойствами в РБД.
3. Развитие основ информационно-энтропийной теории оптимального приема и обработки сигналов в РБД.
4. Разработка модели метрологического обеспечения РБД с использованием информационно-энтропийного метода оценки их эффективности.
5. Совершенствование (в направлении унификации) методического аппарата оценки погрешностей радиоизмерений в РБД.
6. Апробация принципов построения и методов оценки эффективности РБД в практике разработки и испытаний средств нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоэлектронного подавления и технической защиты информации.
Методы исследования. Исследования базируются на использовании методов статистической и информационной теорий измерений, булевой алгебры, теории интервального анализа, а также на моделировании и экспериментальных методах оценки эффективности устройств.
Научная новизна исследования в целом заключается в развитии теории РБД в направлении учета нелинейных эффектов, возникающих при излучении, приеме и рассеянии электромагнитных волн в РБД. Учтено влияние нелинейных эффектов на эффективность и метрологические характеристики РБД. Новизна частных результатов заключается:
в развитии принципов построения техники нелинейной радиолокации, радионавигации, радиосвязи, радиоподавления и защиты информации с улучшенными техническими характеристиками;
в разработке основ информационно-энтропийной теории приема и обработки радиосигналов в РБД, которая базируется на применении новых критериев качества приема и алгоритмов обработки сигналов, позволяющих повысить эффективность РБД;
в обосновании, аналитическом описании и применении обобщенного показателя эффективности функционирования РБД, отличающегося учетом влияния нелинейных эффектов при измерениях;
в расширении перечня частных показателей качества метрологического обеспечения РБД, что позволяет более полно и обоснованно оценивать их эффективность;
в разработке технического облика информационно-измерительных РБД, отличающихся улучшенными показателями точности и дальности действия;
в развитии теории РБД в направлении разработки оптимальных методов обработки информации в устройствах нелинейной радиолокации, измерительных комплексов и средств технической защиты информации;
в развитии методического аппарата комплексной оценки систематических и случайных погрешностей измерений характеристик излучений, приема и рассеяния электромагнитных волн в РБД;
в разработке новых методик измерений характеристик излучений и приема РБД, основанных на полезном использовании эффектов нелинейного и параметрического взаимодействия ЭМВ с объектами с нелинейными электрическими свойствами.
Совокупность новых научных результатов, выносимых на защиту:
1. Принципы построения РБД, основанные на использовании эффектов нелинейного параметрического резонанса, интермодуляции и перекрестных искажений в передатчиках РЭС, обеспечивающие увеличение зоны действия, повышение точности и возможность распознавания нелинейных объектов.
2. Способы и устройства измерения характеристик излучений и приема РБД, обеспечивающие повышенную точность измерения параметров ЭМВ в условиях ближней зоны и реализованные в антенных и радиолокационных измерительных комплексах, комплексах для измерения параметров ЭМС РЭС.
3. Методики оценки эффективности РБД с использованием новых критериев качества приема, устройств и алгоритмов оптимальной обработки широкополосных сигналов в РБД в условиях воздействия шумовых (аддитивных) и нелинейных (мультипликативных) помех.
4. Математическая модель метрологического обеспечения РБД, разработанная на основе информационно-статистической теории измерений и обеспечивающая объединение показателей точности измерений с показателями эффективности РБД.
Практическая значимость исследования, результаты реализации и внедрение результатов работы. Практическая значимость работы состоит в создании комплекса инструментальных средств в виде моделей, методов и методик, предназначенных для разработки широкого класса информационно-измерительных систем, а также для метрологического обеспечения испытаний РБД на эффективность и ЭМС.
Основные результаты диссертации реализованы и внедрены в виде аппаратуры и методик измерений характеристик РБД с помощью антенных и радиолокационных измерительных комплексов и подвижного экранированного комплекса ПЭК-3. Результаты диссертации реализованы также в учебном процессе Академии гражданской авиации РК (г. Алма-Ата), Военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж), Воронежского института правительственной связи (филиала) Академии Федеральной службы охраны Российской Федерации и ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет” в виде справочника по средствам измерения электромагнитных полей, учебных пособий, лекционных материалов, лабораторного оборудования. Результаты разработки новых принципов построения РБД реализованы в Государственном научно-исследовательском испытательном институте проблем технической защиты информации федеральной службы технического и экспортного контроля (НИИИ ПТЗИ ФСТЭК России) в ряде НИР.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских, межотраслевых и отраслевых НТК: Wroclaw EMC Symposium, Poland, 1996; Международном симпозиуме по ЭМС (СПб, 1993); Всесоюзных конференциях «Метрологическое обеспечение антенных измерений» (Ереван, 1987 и 1990); III Республиканской НТК «Методы и средства измерений в области ЭМС» (Винница, 1991); XXVII НТК «Теория и техника антенн» (Москва, 1994); Республиканской конференции «Современные научно-технические проблемы в авиации» (Алма-Ата, 1998); II Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2003; Волгоград, 2004); XIII Международной НТК “Радиолокация, навигация, связь” (RLNC – 2007, Воронеж, 2007); Межвузовской НТК “Военная электроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов” (Воронеж, 2004), V Межведомственной НТК «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах» (Воронеж 2003), а также на конференциях в Таганрогском РТУ, МЭИ, ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”.
Публикации. По результатам исследований и практических разработок опубликовано 65 научных работ, в том числе 42 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 монографии, 11 изобретений.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, личный научный вклад состоит в следующем: [15 – 19, 22 – 25, 30, 33, 42, 44 – 53, 65] автором предложены новые структурные схемы РБД и алгоритмы их функционирования; [12, 21, 28, 31, 54 – 56, 60, 62] обоснованы принципы построения РБД, основанные на полезном применении нелинейных эффектов в РЭС; [1, 3 - 5, 7 – 10, 11, 20, 23, 26, 28, 29, 37, 57, 58] дана оценка точности измерения дальности и других характеристик эффективности РБД; [2, 6, 36, 41] предложены новые информационно-вероятностные критерии для оценки качества приема сигналов в РБД; [13, 14, 37 - 39, 63 - 65] получены аналитические соотношения для оценки эффективности РБД и предложена новая математическая модель для аппроксимации проходных характеристик нелинейных антенн; [10 - 12, 27, 31, 33, 35] дан анализ тенденций развития методов и техники РБД.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников из 247 наименований. Основная часть работы изложена на 370 страницах, содержит 4 таблицы и 57 рисунков.
Обоснование показателей качества метрологического обеспечения измерений в РБД
Вопрос оценки эффективности метрологического обеспечения разработки, испытаний и эксплуатации РЭС возник сравнительно недавно [1,2]. Поэтому в отечественной и зарубежной научно-технической литературе рассмотрены лишь отдельные аспекты метрологического обеспечения функционирования РЭС и нет публикаций о системном подходе к его исследованию. Отсутствие подобной литературы является одной из причин того, что в настоящее время при проектировании метрологического обеспечения фактически разрозненно решаются задачи достижения требуемого уровня контролепригодности радиосредств, выбора контрольно-измерительной аппаратуры, поддержания единства измерений и единообразия средств измерений. Отсутствие методов объединения частных решений в единое оптимальное сводит на нет усилия, направленные на разработку комплекса мероприятий по метрологическому обеспечению. Системный, комплексный подход к анализу метрологического обеспечения предусматривает прежде всего анализ целей, задач и содержания метрологического обеспечения измерений характеристик излучения и приема РЭС, необходимый для выбора и обоснования критерия эффективности или в более широком смысле — качества метрологического обеспечения.
Системное рассмотрение вопросов метрологического обеспечения связано с определенными трудностями взаимного согласования отдельных его сторон по критериям и параметрам. Для преодоления этих трудностей в данной работе предлагается методология декомпозиции, которая позволяет построить и исследовать общую модель метрологического обеспечения радиотехнических измерений с учетом специфики нелинейных эффектов при генерации, излучении, рассеянии, приеме и обработке электрических сигналов.
При этом первоочередное внимание уделяется созданию и совершенствованию научных основ метрологического обеспечения нелинейных радиотехнических измерений с учетом специфики РБД.
В настоящее время хорошо разработаны аналитические методы оценки эффективности метрологического обеспечения РЭС, устанавливающие зависимости потенциальной эффективности аппаратуры РЭС от точности измерения ее параметров и основанные на математическом аппарате моделирования измерительных процессов марковскими и полумарковскими процессами [1, 2, 7, 17, 86, 101].
Однако математическое моделирование связанных с множеством нелинейных явлений физических процессов измерений параметров РБД (или измеряемых РБД параметров) сопряжено со значительными сложностями, поэтому исследования в данной работе направлены на разработку экспериментальных и расчетно-экспериментальных методов оценки эффективности метрологического обеспечения РБД, комплексируемых с методами измерений параметров РБД. Указанная задача в рамках данного исследования решается путем развития методов статистических измерений радиотехнических величин на основе определения законов распределения вероятностей значений определяемых параметров и характеристик РБД, а также применения методов интервального анализа для оценки точности измерений.
Методы оценки качества метрологического обеспечения сложных систем реализуют процедуру количественной оценки показателей качества метрологического обеспечения, поэтому проанализируем существующие [1,2, 17, 86, 101] и предложим универсальный показатель качества для анализа эффективности измерений в РБД.
Все существующие показатели эффективности метрологического обеспечения сложных систем делятся на два класса: коэффициент эффективности и «достоверность — стоимость». Первый из них является типичным показателем сравнительной оценки с использованием весовых коэффициентов и по существу объединяет ряд частных показателей Ws, і = 1, п, в общий W. Очевидными недостатками этого вида показателей эффективности метрологического обеспечения являются их многообразие, сложность количественной оценки, трудности обоснования весовых коэффициентов и способов комплексирования частных показателей, особенно при корреляции частных показателей.
Предложенный Ю. В. Шабалиным критерий «достоверность-стоимость» имеет вид где С; — затраты на измерение і-го параметра; Рвзі— вероятность верного заключения о нахождении измеряемого параметра в поле допуска или вне его; п — число измеряемых параметров. Данный критерий является условным, поскольку предполагается, что при оценке эффективности метрологического обеспечения РБД должны выполняться следующие неравенства: допусков на і-й измеряемый параметр; g,;,gluon — фактическое и допустимое значения вероятности ложного отказа РБД по і-му параметру; g2l,g2u0II- фактическое и допустимое значения вероятности необнаруженного отказа РБД по i-му параметру; аі ,аідоп— фактическое и допустимое значения і-го дополнительного показателя качества измерений і-го параметра РБД; } = !,; - число дополнительных показателей качества измерений параметров системы. Этому показателю также свойственны все известные недостатки предоставления комплексных показателей в виде отношения величины, имеющих разные размерности. Решения, принимаемые с помощью такого критерия, во многих практических задачах приводят к крайностям. Кроме того, его трудно согласовать с показателями эффективности РБД и, следовательно, по его значению нельзя судить о степени влияния метрологического обеспечения на качество функционирования РБД. Последнего недостатка лишен предложенный И. В. Кузьминым и А. С. Касаткиным интегральный показатель эффективности РБД, основанный на сопоставлении эффективности реальной и некоторой идеальной системы контроля Ip(t,x) — количество информации, получаемое реальным РБД при контроле параметров на промежутке времени (t, t + х); С (t,x) — математическое ожидание стоимости реального процесса контроля; К, (t,x) — обобщенная статистическая характеристика идеального процесса контроля. Использование такого информационного критерия для оценки эффективности метрологического обеспечения позволяет охватить практически все существующие характеристики РБД. Однако этот критерий не удовлетворяет принципу соответствия, т.е. не
Устройство и энтропийно-статистический алгоритм опти мальной обработки локационной информации
Стремительное развитие теории и техники нелинейной радиолокации диктует необходимость разработки и совершенствования методов оптимального обнаружения целей с нелинейными электрическими свойствами. По аналогии с методами линейной радиолокации оптимальное обнаружение целей при нелинейной радиолокации осуществляется путем реализации процедур накопления, согласованной фильтрации или корреляционного приема. Во всех случаях следствием оптимальной обработки сигналов является увеличение энергетического отношения сигнал/фон (сигнал/шум, сигнал/помеха), что обеспечивает заданную эффективность обнаружения сигнала в соответствии с выбранным критерием качества обнаружения (например, критерием Неймана-Пирсона). Однако при нелинейной радиолокации происходит не отражение, а преобразование зондирующего сигнала, вследствие чего отношение сигнал/фон, как правило, мало. При этом обнаружение отклика (сигнала) с заданной эффективностью при прямом применении алгоритмов линейной радиолокации становится проблематичным.
Из теории линейной радиолокации известно, что в случаях ярко выраженного флуктуационного характера сигнальных и фоновых отражений и излучений эффективность различения полезного сигнала на фоне помех естественного или искусственного происхождения существенно снижается из-за увеличения вероятностей ложных тревог. Последние возникают при превышении уровня установленного порога обнаружения случайными флуктуациями фона или помех. Такая ситуация характерна, например, для обнаружения малоразмерных или замаскированных радиолокационных целей (РЛЦ) на фоне колеблемой ветром растительности, волнующейся водной поверхности и т.д. Наиболее заметно проявляется ухудшение качества обнаружения РЛЦ при малых углах места радиолокационного зондирования целей с высоким уровнем удельной эффективной площади рассеяния (ЭПР). В нелинейной радиолокации аналогичная ситуация наблюдается при поиске целей с нелинейными электрическими свойствами на фоне объектов с неустойчивыми оксидными контактами [173]. Анализ показывает, что проблема обнаружения объектов с нелинейными электрическими свойствами в условиях помех имеет много общего с проблемой различения флуктуирующих радиолокационных целей на фоне подстилающих поверхностей с высокими уровнями удельной ЭПР.
Задачи оптимального обнаружения флуктуирующих целей и измерения их параметров, в том числе и в условиях высокого уровня фоновых влияний, в теоретическом плане достаточно полно решены в работах [113,114]. В них наряду с алгоритмами обнаружения предложены адекватные рассматриваемым процессам обнаружения и измерения параметров РЛЦ аналитические модели для описания законов распределения сигналов и фоновых помех, знание которых позволяет синтезировать оптимальные устройства обработки радиолокационной информации.
Предложим практически реализуемый алгоритм оптимальной статистической обработки быстро флуктуирующего сигнала в условиях флуктуирующих фоновых откликов и внешних радиопомех в процессе обнаружения РЛЦ методами нелинейной радиолокации на основе энтропийного порогового критерия различения законов распределения смеси сигнал + фон на выходе приемника нелинейного радиолокационного обнаружителя.
Различие параметров флуктуации фона, помех и цели (например, скорости флуктуации или времени корреляции) приводит к различию форм соответствующих плотностей распределения вероятностей (ПРВ) амплитуд флуктуации. Так, например, наличие в разрешаемом объеме РЛС изменяющей ориентацию в пространстве нелинейной РЛЦ в линейной радиолокации соответствует появлению быстро флуктуирующей цели на фоне медленно флуктуирующих отражений от подстилающей поверхности. В этом случае различие скорости флуктуации цели и фона приводит к значительному изменению формы закона распределения смеси амплитуд сигнала и помех на входе радиолокационного приемника относительно закона распределения амплитуд дружно флуктуирующих цели и фона. При этом различие форм и числовых характеристик ПРВ смеси сигнал + фон, фоновых отражений и помех тем больше, чем больше различие скоростей флуктуации РЛЦ и фона. Покажем это на примере. Если в качестве меры различия законов распределения нелинейной ЭПР при наличии или отсутствии сложной флуктуирующей цели использовать параметр где аС(]), (7ф — среднеквадратические значения нелинейной ЭПР для ситуаций наличия и отсутствия полезного сигнала нелинейного отклика в условиях фоновых отражений и помех, соответственно, то плотность вероятности распределения мгновенных значений нелинейной ЭПР, измеренная на выходе приемника нелинейной РЛС, может быть описана формулой [115]
Способ радиосвязи, основанный на нелинейной оптимальной обработке сигналов
В настоящее время широко применяются способы организации цифровой радиосвязи с помощью шумоподобных сигналов (ШПС) [196]. ШПС обладают большой базой сигнала (В = тихДг с»1, где ти — длительность посылки, Afc ширина спектра посылки).
Наиболее часто применяемыми на практике ШПС являются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), или фазовой кодовой манипуляцией (ФКМ). При оптимальной обработке принятого сигнала на выходе оптимального фильтра обеспечивается энергетический выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с простыми сигналами с малой базой (например, за счет сжатия во времени ЛЧМ сигнала). В системе цифровой связи с ШПС формируют информационную двоичную последовательность, модулируют ей сигнал с большой базой, излучают в сторону абонента, принимают сигнал, обрабатывают в оптимальном фильтре и выделяют информационную двоичную последовательность. Такие средства связи характеризуются высокой помехозащищенностью, поскольку для передачи информации на заданную дальность требуется затратить минимальную энергию.
Недостатком цифровых систем связи с ШПС является необходимость строгой временной синхронизации передающей и приемной аппаратуры для обеспечения работы оптимального фильтра. Необходимость временной синхронизации цифровых систем связи с ШПС усложняет аппаратурную реализацию способа цифровой радиосвязи с ШПС.
В системах связи, построенных по стандарту CDMA, большую базу сигнала обеспечивают за счет применения процедуры прямого расширения спектра псевдослучайной последовательностью (ПСП). Сформированный узкополосный информационный цифровой поток в виде двоичных последовательностей подвергают модуляции с использованием псевдослучайных последовательностей (М-последовательностей, функций Уолша и др.). Несущую частоту F„ модулируют сигналом с расширенным спектром и излучают с помощью антенны в пространство.
Принятый сигнал подвергают оптимальной обработке на промежуточной частоте Fn4. В передающей аппаратуре генератор ПСП выполняет роль формирователя ШПС. В приемной аппаратуре генератор ПСП используется в качестве генератора опорного сигнала в корреляторе (оптимальном фильтре) для увеличения отношения сигнал/шум на выходе последнего. Выбор вида ПСП обеспечивает возможность кодового разделения каналов, что позволяет работать одновременно нескольким абонентам на одной несущей частоте.
Недостатком системы цифровой радиосвязи стандарта CDMA (IS-95) является необходимость синхронизации генераторов ПСП в приемнике и передатчике. Сбои в синхронизации указанных генераторов приводят к срыву связи или ошибкам при приеме цифровых последовательностей. Предложим способ организации радиосвязи, отличающийся от известных повышенной помехоустойчивостью при передаче информации. Этот способ основан на алгоритме оптимальной нелинейной обработки информации.
В известном способе организации цифровой подвижной радиосвязи с кодовым разделением каналов (CDMA) выполняются операции формирования на передающей стороне двоичной информационной последовательности, модулированной псевдослучайной последовательностью, излучения сигнала, приема сигнала на приемной стороне, синхронизации и оптимальной корреляционной обработки сигнала.
Покажем, что помехоустойчивость связи можно обеспечить более простым способом. При этом исключается на передающей стороне операция синхронизации за счет модуляции информационной последовательности шумопо-добным сигналом с известным законом плотности распределения вероятности (ПРВ), а на приемной стороне вводится операция измерения параметров закона распределения принимаемого сигнала.
Сущность предлагаемого способа передачи и обработки информации заключается в замене операции модуляции информационной последовательности генератором ПСП модуляцией этой последовательности генератором шума с известным ПРВ (в передатчике) и добавлении операции измерения характеристик ПРВ (в приемнике). При введении данных операций не требуется синхронизировать работу генераторов ПСП приемника и передатчика.
Сущность способа поясняется иллюстрациями, приведенными на рисунке 3.8 (а и б). Например, при модуляции информативной последовательности шу-моподобным сигналом с Гауссовой ПРВ при передаче нулевого символа закон распределения амплитуды излучаемого сигнала останется неизменным (Гауссовым) (рисунок 3.8 а), а при излучении единичной посылки закон распределения амплитуды сигнала изменится за счет нелинейной операции перемножения сигналов единичной посылки и шума в модуляторе (описывается законом Ре-лея, рисунок 3.8 б). Известно [4], что при перемножении сигналов с различными плотностями распределения вероятностей (ПРВ) результирующая ПРВ резко меняет форму. Изменение формы ПРВ ведет к изменению таких параметров (моментных характеристик) ПРВ, как математическое ожидание, асимметрия, эксцесс, энтропия, коэффициент качества шума (ККШ). Поэтому при корреляционной обработке принятого шумового сигнала, используя в качестве источника опорного сигнала генератор шума с такими же параметрами как и на передающей стороне, можно измерять параметры ПРВ, которые будут изменяться в зависимости от значений информационной посылки. Так, при посылке нулевого символа закон распределения описывается выражением (3.18), а при посылке единичного символа - выражением (3.19).
Устройство нелинейной радиодальнометрии по сферичности фазового фронта электромагнитной волны
Современная техника активной локации и пеленгации пассивных объектов, содержащих в своем составе нелинейные рассеиватели, базируется на методе приема отраженного сигнала на одной из гармоник зондирующего сигнала. Интенсивность гармоник невелика, поэтому зона действия таких измерителей дальности ограничена. Использование нескольких гармоник рассеянного поля позволяет получать дополнительную информацию о свойствах зондируемых объектов, но не приводит к заметному увеличению дальности действия нелинейного обнаружителя. Увеличение мощности ЗС за счет импульсного сигнала хотя и ведет к увеличению дальности зондирования, но полностью исключает возможность оценки расстояния до близких целей. Так, например, при, длительности импульса ЗС 1 мкс разрешение по дальности составляет 150 м, что неприемлемо для нелинейной радиолокации.
В этих условиях все более актуальной становится задача поисков способов оценки дальности до объектов с нелинейными свойствами в условиях ближней зоны (зоны дифракции Френеля).
Наряду с рассмотренным в работе [19] методом частотной модуляции ЗС для измерения расстояния до объектов с нелинейными рассеивателями следует рекомендовать метод измерения дальности в ближней зоне путем извлечения информации о степени сферичности фронта волны сигнала отклика от объекта на входе приемной антенной системы локатора.
Известно [88] , что разность фаз в центре и на краях разрыва апертурной антенны, обусловленная сферичностью принимаемой антенной волны, есть функция расстояния до источника излучения и размера антенны
В указанном дальномере реализуется двухканальный прием сигналов отклика от нелинейного элемента на второй и третьей гармониках. Сформированный в модуляторе Мод. сигнал передатчика Пер. на частоте f3c поступает в передающую антенну и одновременно на смеситель См. двухканального приемника нелинейного дальномера, где смешивается с сигналом, принимаемым на второй гармонике ЗС (2f3c). Выходной контур смесителя настроен на частоту третьей гармоники: 3fЗс = 2fЗс + fЗс.
Второй канал приемника дальномера, также подключенный к широкополосной приемной антенне, обеспечивает прием и усиление принятого сигнала на частоте третьей гармоники ЗС, т. е. 3f3c. Выходы обоих каналов после усилителей Ус. подключаются к фазовому детектору ФД, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное дальности до объекта с нелинейными рассеивателями. Это напряжение обеспечивает работу индикатора дальности Инд.
Возможность дальнометрии фазовым методом в рассмотренном устройстве объясняется следующим образом. Применение одной широкополосной апертурной приемной антенны с целью одновременного приема отклика 141 реакции нелинейного рассеивателя на зондирующий сигнал на второй и третьей гармониках ЗС позволяет определить различия кривизны фазового фронта волны на частотах 2f3c и 3fЗс. Указанное различие пропорционально разности фаз А р и несет информацию о дальности до цели. Из анализа выражения (4.8) видно, что при фиксированном расстоянии фазовый набег зависит от соотношения L На частотах 2f3c и 3f3c это соотношение имеет различные значения, что обеспечивает возможность измерения дальности.
Погрешности отсчета дальности, характерные для указанного метода, будут рассмотрены в последующих разделах.
Таким образом, определение дальности до объекта с нелинейными рас-сеивателями можно реализовать методом однопозиционной активной нелинейной радиодальнометрии, использующим принцип извлечение информации о степени кривизны фазового фронта волны. Этот метод реализуется двухканаль-ным радиодальномером с широкополосной антенной способом измерения на приеме различия в фазовых набегах на краях антенны на гармониках зондирующего сигнала.
При лоцировании и пеленгации пассивного объекта, содержащего нелинейный рассеиватель (HP), прием сигнала отклика в ряде практических задач производится на одной из гармоник зондирующего сигнала (ЗС). Интенсивность гармоник невелика, поэтому зона действия обнаружительных устройств ограничена. По этой причине все современные обнаружители имеют крайне малую дальность действия и задача ее увеличения является весьма актуальной.
Наряду с известными методами увеличения амплитуды отклика от HP (применение многочастотного ЗС, увеличение импульсной мощности ЗС, использование широкополосных сигналов и их оптимальной обработки) перепективным представляется метод обнаружения HP путем искусственного создания в нем явления параметрического резонанса.
Анализу свойств HP посвящено большое количество публикаций, тогда как параметрические рассеиватели (ПР) почти не исследованы; известные нам публикации весьма ограничены [122,175]. В соответствии с приведенной в обзорной работе [112] классификацией HP рассеиватели параметрического типа относятся к многочисленному классу радиотехнических устройств. К числу таких устройств относятся одноконтурные и многоконтурные параметрические усилители, преобразователи, умножители, делители и синтезаторы частоты и др. Типовыми представителями ПР в СВЧ диапазоне являются входные цепи приемников радиолокационных и спутниковых систем извлечения и передачи информации, входные каскады которых содержат включенные чаще всего в антенный тракт параметрический усилитель либо параметрический усилитель-преобразователь частоты. В области более низких частот явление параметрического резонанса возможно реализовать во входных цепях приемников, использующих варикап для перестройки входного контура по частоте.
Отдельный класс ПР составляют радиомикрофоны и другие средства несанкционированного съема информации, причем анализ схем типовых радиомикрофонов [110] показывает, что в них реализуется частотная модуляция сигнала простейшим способом - за счет изменения паразитной емкости р-n перехода усилительного транзистора по закону передаваемой речевой информации. Наличие паразитной, т.е. реактивной емкости позволяет искусственным образом создать явление параметрического резонанса в цепях радиомикрофона. Этот класс ПР наиболее целесообразно обнаруживать методом параметрического зондирования, поскольку на транзистор постоянно подано питающее напряжение, и, как будет показано ниже, это обстоятельство существенным образом сказывается на увеличении отклика на частоте параметрического усиления ЗС. Искусственное создание в ПР указанного типа явления параметрического резонанса с учетом высокого уровня нелинейной эффективной поверхности рассеяния, в том числе и за счет усилительных пространственных свойств ан тенны, позволяет реализовать обнаружение подобного рода объектов, даже в режиме радиомолчания на большой дальности.
