доктора технічних наук

Харків -2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки Національної академії наук України, м. Харків

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України Шестопалов Віктор Петрович, завідувач відділом Інституту радіофізики та електроніки Національної академії наук України, м. Харків

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Піскорж Володимир Вікторович, головний конструктор із напрямку АТ “Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань РАДМІР ”, м. Харків;

доктор технічних наук, професор Сухаревський Олег Ілліч, провідний науковий співробітник наукового центру Харківського військового університету Міноборони України;

доктор технічних наук, Чумаков Володимир Іванович, старший науковий співробітник, завідувач кафедри радіоелектронних пристроїв Харківського національного університету радіоелектроніки.

Провідна установа: Науково-дослідний радіотехнічний інститут Мінпромполітики України, м. Львів.

Захист відбудеться “ 29 “ січня 2003 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр-т Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 18 “ грудня 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г. І. Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. В останні десятиліття в теорії і техніки радіолокації значна увага приділялась освоєнню міліметрового діапазону, особливо його короткохвильовій частині (КХЧ ММД), що пов'язано з малими габаритами антенно-фідерних систем, високою точністю вимірювання координат та підвищенням інформативності систем. Однак у зв'язку із загасанням радіохвиль КХЧ ММД в атмосфері та опадах основний розвиток дістали системи ближньої та надближньої радіолокації. На початок виконання дисертації (1981 р.) як у нас в країні, так і за кордоном було створено елементну базу КХЧ ММД: вакуумні і напівпровідникові генератори, високочутливі приймальні пристрої, антенно-фідерні системи. Піонерські розроблення в області НВЧ елементної бази були виконані в НДІ “Оріон”, НДІ “Сатурн”, ІРЕ НАН України, НДРФІ, м. Горький і ІРЕ АН СРСР. Також були створені перші зразки радіолокаційних систем, що пройшли випробування у натурних умовах, причому пріоритетні дослідження були проведені в НДРТІ м. Львів, ІРЕ НАН України, РІ НАН України, НДРФІ м. Горький і ІРЕ АН СРСР. Слід особливо відзначити високий науково-технічний рівень робіт у НДРТІ по створенню РЛС у КХЧ ММД, що за багатьма показниками перевершує кращі закордонні розроблення.

При цьому експерименти у натурних умовах показали, що у КХЧ ММД зростає рівень пасивних завад у вигляді відбиття від земляної поверхні та опадів, що маскують корисні сигнали. Радикальний шлях зменшення впливу подібних завад полягає у застосуванні когерентного оброблення відбитих сигналів, що дозволяє здійснити селекцію корисних сигналів за допомогою частотної фільтрації.

Крім того, останнім часом значно зріс інтерес до нового класу систем надближньої радіолокації - технологічних РЛС, у тому числі для вимірювання переміщень, вібрацій, наповнення сховищ твердими і рідкими продуктами, для забезпечення безпеки руху, у системах охоронної сигналізації та ін. У цьому випадку когерентне оброблення відбитих сигналів також є необхідною умовою для забезпечення функціональних можливостей технологічних РЛС.

Таким чином, науково-технічна проблема, рішенню котрий присвячена дисертація, складається у розробленні методів побудови когерентних систем ближньої та надближньої радіолокації у КХЧ ММД.

Однак на момент виконання дисертації, створення когерентних систем у КХЧ ММД було неможливо через відсутність як апаратури, так і даних наукових досліджень у частині впливу умов поширення на когерентні властивості відбитих сигналів, у тому числі:

- вплив нестаціонарних флуктуацій випромінюваних сигналів на якість їх когерентного оброблення ;

- вплив турбулентної атмосфери, опадів та рослинності на когерентні властивості відбитих сигналів при поширенні на приземних трасах;

- вплив флуктуації сигналів, відбитих від рухомих об'єктів спостереження на якість їх когерентного оброблення.

Тому актуальність теми дисертації пов'язана з підвищенням ефективності систем ближньої та надближньої радіолокації у КХЧ ММД.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертації узагальнені і систематизовані дослідження, які базуються на програмах і держбюджетних НДР, що здійснювались в ІРЕ НАН України ім. А. Я. Усикова, де виконувалася дисертація, у тому числі: комплексна наукова програма “Фундаментальні дослідження в області міліметрових і субміліметрових хвиль і використання їхніх результатів у народному господарстві” (затверджено Постановою Президії АН УРСР N304 від 11. 07.1979), координаційний план “Фундаментальні дослідження в області міліметрових і субміліметрових хвиль і використання їхніх результатів у народному господарстві” (затверджено Постановою Бюро Відділення фізики й астрономії АН УРСР, Протокол N2 від 20 січня 1986р., Параграф N30, розділ 2), НДР “Дослідження фундаментальних проблем дифракції і дифракційної електроніки з метою розробки елементної бази і радіосистем міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль”, 1987 р., N ГР 01.84.0053359, НДР “Розвиток нових методів спектральної теорії і порушення багатокомпонентних структур, проведення фізичного експерименту з метою розробки елементної бази і радіосистем міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль”, 1992 р., N ГР 0.188.0078386, НДР “Розвиток нових методів порушення відкритих структур, дослідження процесів генерування, посилення і стабілізації приладів дифракційної електроніки, створення нових радіосистем і елементної бази в міліметровому і субміліметровому діапазонах хвиль”, 1997р., N ГР 0193U042279, НДР “Розвиток нових теоретичних і експериментальних засобів радіоінтроскопії”, N ГР 0198.U001473.

Мета дослідження полягає у створенні методів формування й оброблення когерентних сигналів в системах ближньої і надближньої радіолокації КХЧ ММД з урахуванням особливостей при генеруванні, поширенні і розсіюванні випромінювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі розглянуті наступні задачі:

1. Установлення критерію когерентності випромінюваних сигналів.

2. Розробка методів вимірювання та експериментальне дослідження характеристик випромінювання генераторів КХЧ ММД.

3. Розробка вимірювальних когерентних РЛС і встановлення закономірностей поширення і розсіювання сигналів на приземних трасах, включаючи флуктуації фазового набігу, відбиття від опадів, рослинності і складних об'єктів.

4. Установлення закономірностей розсіювання сфокусованих хвильових пучків типовими об'єктами, характерними для роботи технологічних РЛС.

5. Розробка методу формування інформативних ознак для розпізнавання наземних рухомих об'єктів.

6. Розробка і створення когерентних систем надближньої радіолокації, у тому числі технологічних РЛС і радіолокаційних давачів для систем охоронної сигналізації.

Об'єктом дослідження в дисертації є когерентні радіолокаційні системи, а предметом дослідження - когерентні властивості випромінювання в КХЧ ММД у системах ближньої і надближньої радіолокації.

Методи досліджень: методи статистичної радіотехніки і структурного аналізу, асимптотичні методи, математичні методи спектрального оцінювання при обробленні даних експериментальних досліджень, теорія статистичних рішень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає ось у чому:

1. Уперше запропонована і досліджена оцінка когерентності випромінюваних сигналів в системах ближньої радіолокації у вигляді модифікованої структурної функції (МСФ) флуктуацій частоти, структурна стала якої є кількісним критерієм якості сигналів. Оцінка визначається статистичними властивостями коливань на інтервалі запізнювання відбитого сигналу і узагальнює можливості до аналізу при нестаціонарних флуктуаціях частоти.

2. Уперше отримані експериментальні дані для МСФ випромінювання генераторів різних типів КХЧ ММД при інтервалі запізнювання відбитого сигналу 10100 мкс. Показано, що структурна постійна для генераторів НВЧ із високою навантаженою добротністю коливальної системи (>2000) і малим значенням електронного зсуву частоти (ЕЗЧ) <1 МГц/В у КХЧ ММД становить 1106 Гц2.

3. Уперше отримані експериментальні дані для генератора дифракційного випромінювання (ГДВ) як генератора, перспективного для використання в системах ближньої радіолокації КХЧ ММД. Показано, що:

а) стала часу ГДВ у режимі амплітудно-модульованих коливань дорівнює 2070 нс, а у режимі частотної модуляції 812 нс;

б) коефіцієнт підсилення ГДВ при синхронізації зовнішнім сигналом у режимі безупинного й імпульсного випромінювання дорівнює 23 і 28 дБ відповідно.

4. Уперше виявлено й експериментально досліджено явище самосинхронізації коливань ГДВ при швидкій перебудові прискорювальної напруги між сусідніми зонами генерації за 1-2 нс. Показано, що генеровані у широкій смузі частотно-модульовані коливання мають внутрішню когерентність і безупинний спектр, ширина якого дорівнює відстані між стаціонарними зонами генерації по частоті.

5. Уперше отримані наступні дані з поширення когерентних сигналів КХЧ ММД на приземних трасах:

а) флуктуації набігу фази в приземному шарі турбулентної атмосфери практично не впливають на оброблення складних сигналів у системах ближньої радіолокації;

б) отримані функції розподілу параметрів спектра сигналів, відбитих від опадів і показано, що спектральні характеристики сигналів не корелюють зі значеннями інтегральних метеопараметрів, форма спектра не описується за допомогою відомих моделей, а його ширина зростає швидше, ніж -1;

в) запропонована двокомпонентна модель спектра сигналів, відбитих від рослинності при ковзних кутах падіння, досить точно апроксимує експериментальні дані, враховує допплерівський зсув частоти для великих розсіювачів і швидкі амплітудні флуктуації сигналу при взаємному затіненні елементів рослинності. Характеристики когерентних відбитих сигналів значно відрізняються від некогерентних за рахунок внесення великих розсіювачів у допплерівську складову спектра, що призводить до зменшення його ширини й маскувального ефекту при виявленні корисних сигналів;

г) отримані характеристики сигналів, розсіяних людиною, і показано, що останні практично цілком визначається відбиваністю його тіла, а повна ЕПР дорівнює 12 м2 для звичайного одягу. Спектр відбитих сигналів має два максимуми: за рахунок рук і ніг в області частот 0-120 Гц, а також за рахунок голови і тулуба в області середньої допплерівської частоти 600-1500 Гц;

д) отримані характеристики спектра сигналів, відбитих від зразків колісного і гусеничного транспорту і показано, що останній має двогорбу форму, а його ширина 300400 Гц істотно перевищує значення для існуючих моделей у зв'язку з доплеровським зсувом частоти при погойдуванні транспорту на нерівностях ґрунту. Ефективна ширина спектра завжди більша при спостереженні в радіальному напрямку і пропорційна (V - швидкість руху, , для поперечного напрямку ), а інтегральна функція розподілу ЕПР визначаються наявністю гостроспрямованих відбивачів у вигляді кутової структури “борт - підстилаюча поверхня”.

6. Уперше отримані рівняння радіолокації в сфокусованих пучках і експериментальні дані їх розсіювання провідними тілами простої форми в широкому діапазоні зміни геометричного і частотного параметрів. Показано, що:

а) сигнал на вході РЛС зі сфокусованою апертурою визначається коефіцієнтом відбиття об'єкта;

б) відбиття від плоских фігур (диск, квадрат й ін.) практично не відрізняється від нескінченної площини, коли характерний розмір фігур перевищує радіус “плями” поля як ;

в) відбиття від дво- і тригранних кутових відбивачів практично не залежить від довжини хвилі і розмірів хвильового пучка, коли розмір їхнього ребра перевищує радіус “плями” поля як . За рахунок ослаблення ролі крайових ефектів, характеристики кутових відбивачів значно більше відповідають представленням геометричної оптики, ніж у випадку плоского падаючого поля;

г) відбиття від опуклих тіл практично не залежить від розмірів радіуса “плями” поля і визначається радіусом кривизни поверхні r: коефіцієнт відбиття циліндра зростає пропорційно радіуса першої зони Френеля , а для сфери - пропорційно квадрату її радіуса, який завжди менше радіуса об'єкта.

7. Уперше побудована модель розсіювання хвиль КХЧ ММД на кручених проводах високовольтних електромереж з урахуванням неоднорідності амплітудно-фазового розподілу поля в межах освітленої ділянки. Показано, що:

а) значення ЕПР гладких і кручених проводів відрізняються на величину коефіцієнта шорсткості, середнє значення якого дорівнює 0,33;

б) діаграма розсіювання кручених проводів порізана з періодом 0 за рахунок періодичного розміщення “блискучих” крапок у вигляді опуклих ділянок звитих жил. Сектор кутів радіолокаційного спостереження визначається кутом накручування жил, мало залежить від типу проводу і становить 30350.

8. Уперше розроблено і досліджено метод формування інформативних ознак для радіолокаційного розпізнавання рухомих об'єктів з адаптивним обробленням когерентних сигналів КХЧ ММД у частотно-часовій області. Метод практично не залежить від ракурсу і параметрів руху об'єктів, а вірогідність розпізнавання для типових об'єктів дорівнює 80 %.

9. Уперше розроблено абсолютний метод безконтактного вимірювання механічних вібрацій за допомогою когерентної технологічної РЛС, який не потребує проведення калібрування.

Практичне значення отриманих результатів полягає ось у чому:

1. У результаті дослідження когерентних властивостей випромінювання генераторів різного типу обґрунтовано метод побудови когерентних систем ближньої і надближньої радіолокації в у КХЧ ММД на основі автогенератора з високою навантаженою добротністю (наприклад ГДВ, генератор на ЛПД із зовнішньою стабілізацією та ін.). Теоретично й експериментально доведено, що метод забезпечує когерентне оброблення сигналів, відрізняється значною простотою і може бути рекомендований для впровадження в практику. Метод впроваджений на підприємстві НДІ “ Оріон” при створенні зразків когерентних приймально-передавальних систем, що підтверджено Актом упровадження.

2. Розроблені методика і стенди для дослідження когерентних властивостей випромінювання генераторів КХЧ ММД дозволяють оцінювати їх властивості в лабораторних умовах без проведення дорогих натурних іспитів у складі РЛС.

3. Отримані дані про гранично досяжні характеристики швидкодії ГДВ в режимі модуляції прискорювальної напруги дозволяють оцінювати роздільну здатність РЛС за далекістю, а дослідження ГДВ при синхронізації зовнішнім сигналом дають можливість оптимізувати конструкцію передавального пристрою на його основі. Завдяки використанню самосинхронізації коливань у ГДВ експериментально досягнута ширина спектра з безперервною фазою 0,5 ГГц, що дозволяє значно поліпшити роздільну здатність РЛС за далекістю.

4. Отримані дані наукових досліджень із поширення когерентних сигналів на приземних трасах, включаючи вплив флуктуацій турбулентної атмосфери, розсіювання рослинністю, опадами та об'єктами радіолокаційного спостереження дозволяють моделювати роботу систем ближньої і надближньої радіолокації у КХЧ ММД. На основі запропонованої моделі розроблена програма для ПК по розрахунку спектральних характеристик сигналів, відбитих від рослинності, яка передана підприємству - “Холдінгова компанія Укрспецтехніка” і використана при розробленні РЛС “Лисиця” і “Борсук”, що підтверджено Актом упровадження.

5. Отримане рівняння радіолокації в сфокусованих пучках і дані дослідження по розсіюванню різними об'єктами в ММД дозволяють моделювати характеристики спостереження для технологічних РЛС. Результати досліджень використані в держбюджетній НДР “Розвиток нових теоретичних і експериментальних засобів радіоінтроскопії”, N ГР 0198.U001473, виконаної в ІРЕ НАН України.

6. Отримані дані по розсіюванню хвиль КХЧ ММД крученими проводами високовольтних ліній передачі дозволили здійснити моделювання характеристик спостереження навігаційних РЛС для забезпечення безпеки повітряного руху в зоні високовольтних ліній електромереж.

7. Розроблений метод формування інформативних ознак для радіолокаційного розпізнавання рухомих наземних об'єктів дозволяє значно підвищити ефективність РЛС з автоматичним виявленням цілей, наприклад при створенні давачів для систем охоронної сигналізації. Показано, що реалізація запропонованого методу у вигляді пакета прикладних програм забезпечує імовірність правильного розпізнавання досліджених об'єктів не гірше 80%.

8. Розроблені і практично створені зразки когерентних технологічних РЛС, а також дані їх випробувань підтверджують ефективність використання когерентних систем надближньої радіолокації в КХЧ ММД для технологічних цілей і в системах охоронної сигналізації, у тому числі:

а) когерентна напівпровідникова технологічна РЛС у діапазоні 70 ГГц і пристрій уведення випромінювання в камеру високого тиску дозволили вперше провести експериментальні дослідження процесів горіння твердого і газоподібного палива для контролю їх якості;

б) когерентна напівпровідникова технологічна РЛС у діапазоні 75 ГГц дозволила вперше провести вимірювання спектра швидкостей водяних крапель у пароводяній суміші на вході турбогенератора для контролю її якості;

в) когерентна напівпровідникова технологічна РЛС у діапазоні 35 ГГц і пакет програм для персонального комп'ютера уперше забезпечили проведення безконтактного вимірювання механічних вібрацій. Розроблений давач вібрацій практично не має обмежень у відношенні ширини смуги частот вібрацій, стійкий до впливу зовнішніх електромагнітних полів, а новизна розробки підтверджена патентом. Результати іспитів давача в умовах промислової експлуатації на Державному підприємстві “Зміївська ТЕЦ” України підтвердили практичну значимість виконаного розроблення, про що свідчить Акт іспитів;

г) когерентна напівпровідникова бістатична РЛС у діапазоні 35 ГГц для систем периметральной сигналізації вперше забезпечила відсутність “мертвої зони”. РЛС змонтовано на території ряду охоронюваних об'єктів, що підтверджено відповідними актами впровадження, у тому числі в установі Харківський Слідчий Ізолятор, компанії ТОВ “Смарт” і корпорації “BLC-Group”;

д) когерентно-імпульсна напівпровідникова РЛС у діапазоні 35 ГГц як давача руху в системах охоронної сигналізації винесених об'єктів вперше забезпечила автоматичне розпізнавання сигналів за критерієм “порушник - випадковий перехожий” і “порушник - тварина”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, викладені в дисертації, належать автору. У роботах по темі дисертації, опублікованих у співавторстві, особистий внесок Хлопова Г. І. полягає ось у чому: в монографії [1] автором написаний розділ 13 “ГДИ - радиолокация”, у роботах [4-6, 8, 10, 12, 14, 16, 27, 29-32] автор виконав постановку задачі, розробив методику вимірювань, брав участь у проведенні вимірювань, обробленні та інтерпретації їх результатів; у роботах [3, 7, 11, 19, 20, 23, 25, 26, 28] автор виконав постановку задачі, одержав основні розрахункові співвідношення і провів інтерпретацію отриманих результатів; у роботі [21] авторові належить опис розробленого їм підходу до формування ознак для розпізнавання рухомих наземних об'єктів; у роботі [24] авторові належить опис фізичної основи локації наземних вібрувальних об'єктів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень за темою дисертації доповідались та обговорювались на 20 науково-технічних конференціях і симпозіумах, з яких 5 - міжнародні конференції.

Публікації. Основні положення докторської дисертації опубліковані після захисту кандидатської дисертації у 67 наукових працях, серед яких 1 монографія, 31 стаття у зарубіжних та вітчизняних виданнях, що належать до списку ВАК України, 1 патент України, а також 34 тезиси, надруковані у матеріалах зарубіжних і вітчизняних конференціях та симпозіумах.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та додатків. Робота містить 381 сторінку машинописного тексту, 214 рисунків на 105 сторінках, 30 таблиць, 6 додатків на 7 сторінках, список використаних джерел із 303 найменувань на 30 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами і держбюджетними темами, визначені мета і задачі дослідження, наукова новизна та практична значимість роботи, особистий внесок здобувача, апробація результатів дослідження, а також відомості про публікації.

Перший розділ присвячений критерію когерентності випромінюваних сигналів і його дослідженню для перспективних типів генераторів. Вважаючи, що одним із важливих параметрів когерентної РЛС є точність вимірювання швидкості руху об'єктів спостереження, критерієм когерентності обрана точність вимірювання фази відбитого сигналу, або її похідної (допплерівської частоти). Показано, що точність визначається МСФ частотних флуктуацій [1-3], а у випадку, коли значенням її структурної сталої (- час запізнення відбитого сигналу, - час когерентного накопичення, - параметр спектра частотних флуктуацій). Запропонований критерій узагальнює відомі оцінки когерентності на випадок нестаціонарних флуктуацій частоти, зокрема технічні флуктуації у вигляді флікерного шуму, які характерні для генераторів у КХЧ ММД.

Для експериментальних досліджень МСФ флуктуацій частоти існуючих генераторів НВЧ (ГДВ, лампа зворотної хвилі (ЛЗХ) та генератор на лавинно-пролітному діоді) було розроблено методику і створено вимірювальні стенди [1-3], які забезпечують дослідження у діапазонах 2 мм, 4 мм і 8 мм з точністю не гірше 30 Гц2. Результати вимірювань для вакуумних і напівпровідникових генераторів зведені в табл. 1, яка підтверджує перевагу генераторів з високою навантаженою

Таблиця 1. Параметри МСФ для генераторів КХЧ ММД

добротністю коливальної системи та низьким значенням електронного зсуву частоти (у даному випадку ГДВ і ГЛПД із зовнішнім стабілізуючим резонатором), що ефективно подавлює швидкі флуктуації частоти. Розрахунки показали, що використання таких генераторів у когерентній РЛС КХЧ ММД дозволяє забезпечити значення підзавадової видимості до -40 дБ для об'єкта типу одинокого пішохода, що цілком достатньо для багатьох практичних застосувань когерентних систем ближньої радіолокації. Таким чином показано, що можна значно спростити схему когерентної РЛС для систем ближньої радіолокації у КХЧ ММД порівняно з традиційною схемою на базі підсилювально-помножувального ланцюжка.

У зв'язку з тим, що стабільність частоти ГДВ задовольняє сформульованим вище вимогам, а рівень середньої потужності в КХЧ ММД досягає 5 Вт [1], даний тип генератора дуже перспективний для когерентних систем ближньої радіолокації. В роботі було докладно досліджено його характеристики для застосування як вихідний каскад в подібних системах. Зокрема було створено вимірювальний стенд і досліджено характеристики ГДВ у режимі зовнішньої синхронізації, за допомогою реєстрації биття між сигналами синхронізувального та синхронізованого генераторів. Показано, що завдяки високій добротності резонатора, ГДВ забезпечує значний коефіцієнт підсилення -23 дБ у неперервному режимі та 28 дБ у імпульсному режимі, а спад вершини імпульсу не може бути більшим за 0,1 %.

Було також створено вимірювальні стенди і досліджено параметри швидкодії ГДВ в режимі модуляції прискорювальної напруги [4, 5]. Показано, що ефективне значення сталої часу генератора змінюється в межах =2070 нс при оптимальній крутості фронту модульованого імпульсу, що модулює =0,3 1,0 кВ/мкс. У режимі внутрішньо-зонної перебудови напруги швидкодія ГДВ в 35 разів більше, а амплітуда модуляції мусить не перевищувати значення, відповідні глибині модуляції вихідних коливань -3 дБ.

Ширина смуги частотної перебудови складає в двоміліметровому діапазоні 1020 МГц, що недостатньо для формування зондувальних сигналів із високою роздільною здатністю, що представляє інтерес для сучасних РЛС. Але якщо час перетворення напруги не перевищує час загасання коливань у резонаторі ГДВ, а амплітуда напруги модуляції дорівнює відстані між сусідніми зонами генерації, то ширина смуги генерованих частот також дорівнює частотній відстані між зонами генерації. Явище самосинхронізації коливань ГДВ уперше виявлено в роботі експериментально і дозволяє генерувати частотно-модульовані когерентні коливання у смузі частот до 13 ГГц.

Другий розділ присвячений опису розроблених автором методик натурних досліджень і експериментального вимірювального устаткування для вивчення когерентних властивостей сигналів КХЧ ММД при поширенні в приземному шарі і розсіюванні різними об'єктами радіолокаційного спостереження.

Для проведення калібрування енергетичного потенціалу когерентної вимірювальної РЛС у натурних умовах було уперше запропоновано і досліджено еталонний відбивач [6], заснований на обертальному та зворотно-поступальному русі кутового відбивача (КВ). В обох випадках періодичний характер руху КВ приводить до розподілу енергії сигналу по гармоніках частоти руху, а значення ЕПР визначається не лише геометрією відбивача, але й характером його руху. В роботі отримані вирази для розрахунку ЕПР, створені експериментальні зразки, а також розроблена методика використання подібних КВ. Показано, що ефективність вібрувального відбивача помітно вища, але він забезпечує надто низькі значення допплерівської частоти <100 Гц. Проте, перевагою вібрувального відбивача є висока точність визначення ефективного значення його ЕПР, що дозволяє використовувати подібний імітатор у вигляді еталонного відбивача.

Для запровадження вимірювання характеристик відбитих сигналів від поверхнево розподілених об'єктів (наприклад, рослинність і ін.) в роботі отримані вирази для питомого значення досліджуваних об'єктів з урахуванням нерівномірного висвітлення ділянки та типу геометрії траси [8]. У разі об'ємно розподілених об'єктів (наприклад, опади й ін.) запропоновано метод вимірювання питомого значення ЕПР у ближній зоні антен з діаграмами спрямованості (ДС) антен, які перетинаються. Отримано вирази і показано, що подібний метод має переваги щодо можливості реєстрації дрібних крапель при дослідженні опадів.

Для дослідження когерентних властивостей сигналів, відбитих від природних утворень, а також об'єктів радіолокаційного спостереження, було створено та досліджено ряд когерентних вимірювальних РЛС на базі розробленої вище концепції формування сигналів на робочій частоті за допомогою генератора із високою добротністю коливальної системи [7, 9]. У тому числі:

гомодінна двочастотна РЛС для вимірювання ЕПР об'єктів у лабораторних умовах в діапазоні 35 ГГц і 70 ГГц;

- гомодінна когерентно-імпульсна РЛС у діапазоні 95 ГГц із автономним живленням для дослідження характеристик когерентних сигналів, відбитих транспортними об'єктами та будівлями;

- напівпровідникова когерентно-імпульсна РЛС у діапазоні 95 ГГц на основі генератора на ЛПД, приймача із плаваючою проміжною частотою, а також цифровим обробленням сигналів;

- когерентна РЛС у діапазоні 140 ГГц на основі ГДВ із випромінюванням немодульованих і частотно-модульованих коливань.

Як приклад в табл. 2 наведені параметри РЛС, за допомогою яких проведені вимірювання підзавадової видимості рухомої окремої людини (ЕПР=12 м2) на відстані 1 км на тлі нерухомого транспортного засобу, який мав ЕПР на 17,5 дБ більше. Показано, що значення підзавадової видимості дорівнює 36 дБ, що збігається з наведеними у першому розділі оцінками.

Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню спектральних характеристик когерентних сигналів двоміліметрового діапазону при поширенні на приземних трасах, яке проведено за допомогою вимірювальної когерентний РЛС відповідно до методик та апаратури, описаних в попередньому розділі.

Таблиця 2

Параметри вимірювальної когерентної РЛС із використанням ГДВ

Зокрема флуктуації параметрів приземного шару атмосфери (температура, тиск й ін.) призводять до просторово-часових змін коефіцієнта заломлення, які можуть впливати на систему як мультиплікативна завада. В роботі показано [10], що її вплив визначається за допомогою структурної функції флуктуацій показника заломлення і для характерних значень параметрів турбулентності (СКВ фази 0,2 рад, зовнішній масштаб турбулентності 12 м) відносна помилка вимірювання швидкості не перевищує одиниць відсотків навіть у випадку повільних швидкостей переміщення 1 м/c, що є наслідком усереднення вимірника допплерівської частоти. Однак у випадку сигналів із широкою базою, вплив фазових флуктуацій стає помітним, якщо час когерентного накопичення порівняний з інтервалом їх кореляції . Для реально досяжних значень часу кореляції ( с) впливом подібних мультиплікативних завад можна знехтувати для більшості радіосистем з когерентним обробленням сигналів, що використовують складні сигнали порівняно невеликої тривалості. У той же час, якщо тривалість когерентно оброблюваного сигналу значна (наприклад у системах зв'язку, для протяжних інтерферометрів у радіоастрономії), то фазові флуктуації на трасі поширення можуть значно погіршити роботу подібних систем.

Для оцінки впливу опадів на роботу когерентних систем було запроваджено натурні дослідження спектральних характеристик когерентних сигналів у діапазоні 2 мм, відбитих від снігу, дощу та граду протягом року [11, 12]. Як було показано, у зв'язку з великою мінливістю фізико-хімічних і структурних параметрів опадів, характеристики відбитих сигналів погано корелюють з інтегральними метеопараметрами (наприклад, інтенсивність опадів). Тому в результаті статистичного оброблення даних натурних експериментів були отримані інтегральні розподіли максимуму спектральної щільності, питомого значення ЕПР і ефективної ширини спектра. Найменшу відбиваність має сніг, а дощ і град мають на порядок вищі значення питомої ЕПР. Ефективна ширина спектра за рівнем забезпеченості =1% ( - загальний час спостережень) має порядок величини 6,5 кГц для дощу, 10 кГц для снігу і 18 кГц для граду, причому в даному випадку ширина спектра сигналів, відбитих від граду, найбільша. Порівняння з даними, отриманими у сантиметровому діапазоні, показує, що в КХЧ ММД ширина спектра відбитих сигналів істотно більша за рахунок підвищеного впливу взаємного затінення та вібрацій частинок опадів при падінні.

Для оцінки впливу відбиття від рослинності на роботу когерентних систем було запроваджено натурні дослідження спектральних характеристик когерентних сигналів у діапазоні 2 мм, відбитих від трави, кущів, окремого дерева та узлісся під ковзним кутом близько 1 кут. град. протягом року []13, 14]. Було показано, що форма спектра відбитих сигналів не може бути апроксимована відомими законами (гаусова, степенева і ін.). Тому в роботі було запропоновано і досліджено двокомпонентну спектральну модель у вигляді суми розподілу Накагамі та степеневої функції, параметри яких отримані після статистичного оброблення результатів натурних експериментів. Залежність параметрів від швидкості вітру апроксимована за допомогою інтерполяційного полінома Лагранжа, що значно полегшує практичне використання розробленої моделі. Внаслідок порівняльного аналізу показано, що ширина спектра когерентних сигналів, відбитих від рослинності, значно менша, ніж передбачалося на підставі даних некогерентного зондування. Це підтверджує висновок про відмінність формування відбитих сигналів у випадку когерентного зондування в КХЧ ММД в основному за рахунок внесення великих розсіювачів у доплеровську складову спектра, що призводить до зменшення його ширини й маскувального ефекту при виявленні корисних сигналів.

Також було досліджено характеристики розсіяння типових об'єктів радіолокаційного спостереження у діапазоні 2 мм. Зокрема для людини [2, 15] отримані значення коефіцієнта проходження та питомого значення ЕПР для зразків одягу і тіла людини, а також виміряні форма і параметри спектра відбитих сигналів залежно від ракурсу, швидкості руху і типу одягу. Показано, що ЕПР людини визначається в основному ЕПР її тіла, а форма спектра має двогорбу форму - в області нульових частот за рахунок рухів рук і ніг, а також в області середньої допплерівської частоти за рахунок руху тулуба. Таким чином, найбільш інформативною частиною спектра є область частот поблизу допплерівського максимуму, яка добре селектується на тлі відбиттів від підстилаючої поверхні, спектр яких зосереджений в області частот 80 200 Гц.

У частині спектральних характеристик когерентних сигналів, відбитих від колісного та гусеничного транспорту, показано, що форма спектра має двогорбу форму і не може бути апроксимована за допомогою відомих моделей, а його ширина значно більше. Зазначені відмінності обумовлені модуляцією допплерівської частоти в широкій смузі за рахунок погойдуванням транспорту на нерівностях місцевості і добре описуються моделлю твердої гантелі. В результаті обробки даних натурних вимірювань обчислені параметри спектрів залежно від ракурсу спостереження і швидкості руху, у тому числі: ефективна ширина спектра, максимум спектральної щільності, нормоване значення усередненої інтегральної ЕПР, а також значення коефіцієнта варіації. Порівняння з даними вимірювань в сантиметровому діапазоні показує, що ширина спектра практично незмінна при більше, ніж десятикратній зміні робочої частоти РЛС. Це підтверджує якісні припущення, зроблені вище щодо трансформації механізму формування сигналів, відбитих від складних об'єктів з переходом у КХЧ ММД, і не узгоджується із поширеною думкою про розширення спектра пропорційно . Вказаний висновок має важливе значення для селекції рухомих наземних транспортних засобів на тлі завад від рослинності і гідрометеорів. Так, допплерівський зсув частоти зростає пропорційно несійній частоті, та збереження ширини спектра відбитих сигналів дозволяє очікувати істотного поліпшення радіолокаційного контрасту.

Проте, незважаючи на укорочення довжини хвилі, використання інтегральних характеристик відбитих сигналів (ширина спектра, ЕПР і ін.), не дозволяє сподіватися на поліпшення їхньої інформативності в плані розпізнавання об'єктів. Для цього необхідне залучення більш тонких параметрів відбитих сигналів, що адекватно відображує їх індивідуальні властивості, а також застосування більш складних методів оброблення прийнятих сигналів.

Четвертий розділ присвячений розгляду особливостей надближньої радіолокації у сфокусованих пучках. З використанням леми Лоренца і враховуючи неплаский характер падаючого поля отримано рівняння радіолокації. Показано, що у випадку гаусового розподілу поля в апертурі антени сигнал на вході РЛС визначається коефіцієнтом відбиття від об'єкту спостереження. В роботі розроблено методику та проведено експериментальне дослідження властивостей типових провідних об'єктів за допомогою двочастотної вимірювальної РЛС ММД. Особливу увагу було приділено дослідженню впливу крайових ефектів. Показано, що:

- для провідного диска коефіцієнт відбиття дорівнює значенню від нескінченної площини, якщо радіус диска задовольняє умові (- радіус плями поля);

- для двогранного кутового відбивача коефіцієнт відбиття практично не змінюється в кутовому секторі ±400, а для ортогональної площини індикатриса розсіювання не відрізняється від плоскої поверхні. Поляризаційні властивості відбивача не відрізняються від аналогічних властивостей при опроміненні пласкою хвилею;

- для тригранного кутового відбивача індикатриса розсіювання практично не залежить від довжини опромінювальної хвилі і радіуса хвильового пучка, коли розмір ребра істотно перевищує радіус “плями” поля ;

- для бічної поверхні циліндра коефіцієнт відбиття зростає пропорційно радіусу першої зони Френеля( - радіус циліндра), а для сфери - квадрату її радіуса.

Крім того, в роботі проведено дослідження характеристик розсіювання гладких і кручених проводів для високовольтних ліній електропередач [17] і показано, що:

відбиваність гладких і кручених проводів визначається розмірами першої зони Френеля і відрізняється коефіцієнтом шорсткості, середнє значення якого дорівнює 0,33;

- відбиваність кручених проводів для Н - поляризації падаючого поля завжди більше на 24 дБ, ніж для E - поляризації за рахунок збудженням H-поляризованої хвилевідної моди в пазах між жилами крученого проводу;

- діаграма розсіювання кручених проводів осцілює з періодом за рахунок періодичності системи “блискучих” крапок уздовж осі проводу, утворених опуклими ділянками кручених жил;

- радіолокаційне спостереження кручених проводів можливе у секторі кутів , визначається кутом накручування жил і не залежить від типу проводу.

П'ятий розділ присвячений розробленню методу формування інформативних ознак для радіолокаційного розпізнавання наземних рухомих об'єктів на базі адаптивного оброблення когерентних сигналів у площині “частота-час”. Наведені результати експериментального дослідження ознак на прикладі типових об'єктів у двоміліметровому діапазоні хвиль, а також описані особливості рішення задачі багато - альтернативного радіолокаційного розпізнавання [18-22].

Уведено поняття радіоакустичного портрету, який являє собою слуховий образ низькочастотного допплерівського сигналу з виходу фазового детектора когерентної РЛС і має багато спільного з традиційним акустичним сприйняттям. Це обумовлено глибокою модуляцією відбитого сигналу в КХЧ ММД, коли індекси фазової та амплітудної модуляції мають порядок , (- радіальне переміщення об'єкта за рахунок погойдування корпуса, - дисперсія кутів хитання об'єкта, - характерний розмір об'єкта). У такий спосіб ефекти, зв'язані з порушенням когерентності відбитих сигналів при русі об'єкта, що розглядалися у третьому розділі як завадний фактор, у даному випадку збільшують інформативність відбитих сигналів. Подоба слухового сприйняття при акустичному і радіолокаційному зондуванні підтверджує доцільність використання методів аналізу і розпізнавання мовних повідомлень, зокрема аналізу сигналів у площині “частота-час”. У випадку складних об'єктів відбитий когерентний сигнал у КХЧ ММД являє собою квазістаціонарний вузькосмуговий процес, інтервал кореляції якого практично не залежить від характеру хитання і взаємного розташування окремих розсіювачів. Тому обвідна і фаза сигналу повільно змінюються на періоді допплерівської частоти, що дозволило запропонувати два класи інформативних ознак для рухомих об'єктів: на базі вибіркових середніх і їх вторинних спектрів, які описують динамічні властивості сигналу.

Запропонований метод формування ознак було застосовано для рішення задачі радіолокаційного розпізнавання наступних об'єктів: пішохід, тварина (собака), автомобіль вантажний з КУНГ (“Урал”), автобус (ПАЗ), колісний тягач, колісний трактор (“Бєларусь”), гусеничний тягач. Об'єкти рухались з ракурсами 00, 150, 800, 1800150 щодо лінії візування зі швидкістю 34 км/год і 1819 км/год (крім перших двох об'єктів), обсяг масиву даних, що вводяться в комп'ютер, дорівнює 64 КБ, а аналогово-цифрове перетворення здійснювалося за допомогою 8-розрядного АЦП. Щоб забезпечити стійкість вимірюваних параметрів при зміні умов спостереження (ракурс руху, характер траси й ін.) на кожному ракурсі реєструвалося не менше 1011 реалізацій, а результати оброблення усереднювались за ансамблем реалізацій, швидкості і ракурсами руху. Крім того, для підвищення стійкості ознак обчислення відбитих сигналів провадилося для моментних функцій не вище другого порядку. У результаті аналізу визнано доцільним обмежитися набором із семи ознак, середні значення яких разом зі значенням їхнього середньоквадратичного відхилення утворюють поняття радіоакустичного портрету.

Для прийняття рішення про належність вибірки ознак даному класу нами застосовано відношення правдоподібності і порівняння його з порогом. Ураховуючи, що функція правдоподібності має описуватися багатовимірним законом, аналіз якого відтепер можливий, за рідкісним винятком, лише в задачах, де розглядається нормальний закон, то нами використано припущення про нормальність закону розподілу. Враховуючи багатоальтернативний характер задачі нами досліджено послідовну процедуру розпізнавання на основі методу дихотомії, що, у даному випадку, являє собою ланцюжок простих (двоальтернативних) рішень. Це дозволяє шляхом вибору найбільш значимих інформативних ознак на кожнім етапі підтримувати високу ймовірність розпізнавання для всіх класів об'єктів.

Для еталонних портретів зазначених об'єктів у складі розробленого програмного забезпечення для персонального комп'ютера сформовано банк даних, на вхід системи оброблення також подавався запис реалізації відбитих сигналів, а потім здійснювалися необхідні обчислення інформативних ознак відповідно до описаного вище алгоритму. Багаторазове повторення подібних обчислень з використанням не менше 10 реалізацій для об'єкта кожного класу, визначило ймовірність правильного розпізнавання по кожному класу об'єктів. Показано, що застосування описаної процедури послідовного розпізнавання, забезпечується упевнена ідентифікація всіх досліджених об'єктів із практично однаковою імовірністю правильного розпізнавання 80%.

Шостий розділ присвячений розгляду прикладів розроблення і практичного використання когерентних РЛС у діапазоні 30140 ГГц для дослідження процесів горіння і вибуху, вимірювання характеристик пароводяної суміші в турбогенераторах, безконтактного вимірювання механічних вібрацій, а також для систем охоронної сигналізації протяжних периметрів і винесених об'єктів [2, 7, 9, 16, 23-32]. Описано ряд систем, які створено та впроваджено у практику, у тому числі:

давач швидкості розльоту дисперсійних часток у діапазоні 70 ГГц, призначений для роботи в складі камери високого тиску при вивченні динаміки процесів горіння твердого та газоподібного палива;

- вимірник спектра швидкостей водяних крапель у діапазоні 75 ГГц для дослідження характеристик пароводяної суміші в турбогенераторах;

безконтактний давач вібрацій з випромінюванням фазо-маніпульованих сигналів у діапазоні 35 ГГц;

бістатична когерентно-імпульсна РЛС для систем периметричної охоронної сигналізації у діапазоні 35 ГГц;

когерентно-імпульсна РЛС у діапазоні 35 ГГц для охорони винесених об'єктів із автоматичним розпізнаванням “порушник - випадковий перехожий”;

когерентна РЛС у діапазоні 140 ГГц з випромінюванням фазокодоманіпульованих сигналів для охорони віддалених винесених об'єктів;

когерентна РЛС у діапазоні 140 ГГц з випромінюванням сигналів, маніпульованих за частотою для охорони віддалених винесених об'єктів.

Технологічні РЛС повинні мати порівняно низьку вартість, у зв'язку з чим в описаних пристроях широко використовується гомодінна схема, чутливість якої у КХЧ ММД досліджена для генераторів НВЧ різних типів. Для введення випромінювання у камеру високого тиску при вивченні динаміки процесів горіння твердого та газоподібного палива, а також дослідження пароводяної суміші в турбогенераторах розроблено спеціальний гермоввід, для охоронних систем проведено оптимізацію геометрії відбивних екранів для зміни напрямку поширення електромагнітних хвиль, а також описані особливості створення компонент антенно-фідерного тракту.

У висновках сформульовані основні результати дисертаційної роботи і зроблені висновки про їх значення.

сигнал радіоакустичний когерентний випромінювання

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми - створення когерентних систем ближньої та надближньої радіолокації в КХЧ ММД, засноване на розробленні методів формування та оброблення сигналів з урахуванням особливостей при генеруванні, поширенні та розсіюванні випромінювання.

Отримані результати дозволяють поліпшити ефективність РЛС при формуванні когерентних сигналів, фільтрації завад від опадів і рослинності, при радіолокаційному розпізнаванні, а також при створенні нового класу когерентних систем надближньої радіолокації - технологічних та охоронних РЛС.

У процесі теоретичного й експериментального дослідження в роботі отримані такі нові результати:

1. У частині когерентних властивостей випромінюваних сигналів у системах ближньої та надближньої радіолокації КХЧ ММД уперше доведено, що

1.1 Оцінкою когерентності випромінювання є структурне значення модифікованої структурної функції (МСФ) флуктуацій частоти, що узагальнює оцінки когерентності на випадок нестаціонарних флуктуацій частоти. Запропонована оцінка адекватно характеризує властивості генератора в умовах когерентної РЛС і може бути досить просто виміряна за допомогою розроблених методик.

1.2 Формування когерентних сигналів можна здійснювати безпосередньо на робочій частоті за допомогою генераторів НВЧ з високою добротністю коливальної системі та малим значенням електронного зміщення частоти, що підвищує якість сигналів та спрощує апаратуру РЛС у порівнянні з традиційною схемою підсилювально - помножувального ланцюжка.

1.3 Когерентні сигнали у широкій смузі частот можна забезпечити за допомогою генераторів з високою добротністю коливальної системи при швидкій перебудові анодної напруги між сусідніми зонами генерації за час, менший часу встановлення коливань у резонаторі генератора, наприклад у генераторі дифракційного випромінювання (ГДВ). Запропонований метод дозволяє отримати ширину спектра коливань, яка дорівнює відстані за частотою між сусідніми зонами генерації.

2. У частині когерентних властивостей сигналів КХЧ ММД при поширенні та розсіюванні уперше доведено, що:

2.1 Флуктуації набігу фази у приземному шарі турбулентної атмосфери практично не впливає на оброблення складних сигналів у системах ближньої радіолокації, коли час когерентного накопичення менший часу кореляції атмосферної турбулентності.

2.2 Форма спектра когерентних сигналів, відбитих від опадів (сніг, дощ, град) не описується за допомогою відомих моделей, залежить від напрямку вітру, а його ширина зростає швидше, ніж -1. Уперше отримані статистичні розподіли параметрів спектра когерентних сигналів, відбитих від опадів, які дозволяють оцінювати рівень пасивних завад від опадів.

2.3 Запропонована і досліджена двокомпонентна модель спектра когерентних сигналів, відбитих від рослинності при ковзних кутах падіння, досить точно апроксимує експериментальні дані. Уперше отримані статистичні параметри питомих значень ЕПР рослинності і спектра відбитих когерентних сигналів, які дозволяють оцінювати рівень пасивних завад від рослинності.

2.4 Характеристики когерентних сигналів, відбитих людиною, цілком визначаються відбиваністю його тіла, а спектр містить два максимуми відповідно до рухів кінцівок і тулуба. Уперше отримані статистичні параметри ЕПР, а також спектра відбитих когерентних сигналів, які дозволяють оцінювати характеристики виявлення людини в КХЧ ММД.

2.5 Спектр когерентних сигналів, відбитих від колісного і гусеничного транспорту має двогорбу форму, а його ширина істотно перевищує значення для існуючих моделей у зв'язку з доплеровським зсувом частоти при погойдуванні транспорту на нерівностях ґрунту. Уперше отримані статистичні параметри ЕПР і спектра відбитих когерентних сигналів, які дозволяють оцінювати характеристики виявлення транспортних засобів в КХЧ ММД.

3. При радіолокації в сфокусованих хвильових пучках уперше отримано:

3.1 Рівняння радіолокації і показано, що потужність сигналів на вході РЛС визначається коефіцієнтом відбиття об'єкта. Значення коефіцієнтів відбиття від провідних тіл простої форми у широкому діапазоні змін геометричного і частотного параметрів дозволяють оцінювати параметри технологічних РЛС.

3.2 Модель розсіювання хвиль на кручених проводах високовольтних ліній передачі, що враховує неоднорідність амплітудно-фазового розподілу поля в межах освітленої ділянки, а експериментальні дані для ЕПР та індикатриси розсіювання проводів дозволяють оцінювати характеристики їх спостереження.

4. Уперше запропоновано та досліджено метод формування інформативних ознак для радіолокаційного розпізнавання рухомих наземних об'єктів в КХЧ ММД за допомогою адаптивного оброблення когерентних сигналів у площині “частота-час”. Показано, що результати розпізнавання практично не залежать від умов радіолокаційного спостереження, а вірогідність розпізнавання для типових наземних об'єктів (транспортні засоби, людина і тварина) не менша 80 %.

5. Уперше запропоновано і досліджено метод безконтактного вимірювання механічних вібрацій за допомогою когерентної РЛС ММД. Потенційна точність вимірювання визначається похибкою вимірювання робочої частоти РЛС, метод належить до класу абсолютних, а новизна розроблення підтверджена патентом.

Основні положення та результати дисертації мають значну практичну значущість, яка визначається ось чим:

1. Розроблений метод побудови когерентних систем ближньої і надближньої радіолокації в КХЧ ММД на основі автогенератора із високою навантаженою добротністю (наприклад ГДВ, генератор на ЛПД із зовнішньою стабілізацією та ін.) відрізняється значною простотою і практично впроваджений на підприємстві НДІ “ Оріон” при створенні зразків когерентних приймально-передавальних систем, що підтверджено Актом упровадження.

2. Розроблені методика і стенди для дослідження когерентних властивостей випромінювання генераторів КХЧ ММД дозволяють оцінювати властивості генераторів у лабораторних умовах без дорогих натурних іспитів у складі РЛС.