Методи підвищення завадостійкості резонансних трактів радіотехнічних систем та пристрої їх практичної реалізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 621.396.984.2

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Методи підвищення завадостійкості резонансних трактів радіотехнічних систем та пристрої їх практичної реалізації

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Баришев Володимир Ігорович

Харків 2009

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток авіації світових держав у цей час і в майбутньому визначається розширенням і ускладненням цільових завдань, які виконуються у процесі польотів. При цьому більша частина необхідного інформаційного забезпечення формується вимірювальними радіотехнічними системами (РТС). Розробка й створення РТС із максимально можливим обсягом необхідного інформаційного забезпечення значною мірою пов'язані з підвищенням завадостійкості цих систем в умовах складної завадової обстановки.

З аналізу змісту чисельних робіт, що висвітлюють питання завадостійкого вимірювання параметрів руху маневруючого літального апарата, (МЛА) і, зокрема, вимірювання дальності й швидкості, для цього використовуються імпульсно-доплерівські РЛС (ІДРЛС) з підвищеною швидкодією відповідних вимірювачів. При цьому особлива увага приділяється резонансним трактам ІДРЛС, а саме, фільтрам доплерівської частоти (ФДЧ) і застосуванню частотних дискримінаторів (ЧД).

Існуючі ФДЧ як багатоканальні, так і слідкуючі (СФДЧ), мають низку істотних і загальновідомих недоліків, пов'язаних з погіршенням завадостійкості при розстроюванні доплерівського сигналу, наявністю доплерівських сигналів одночасно в декількох сусідніх фільтрах, розмиттям спектра при маневрі ЛА, зривом спостереження ФДЧ при обмеженій смузі дискримінаційної характеристики та ін.

Отже, вирішення задачі усунення або зниження впливу цих негативних факторів пов'язано з удосконаленням методів і розробкою нових ФДЧ і СФДЧ, які мають забезпечувати можливість підвищення відношення сигнал/шум при діянні доплерівського сигналу.

Таким чином, актуальність теми дисертаційної роботи визначається необхідністю подальшого удосконалення методів і засобів практичної реалізації обробки доплерівських сигналів, обумовлених зростанням вимог до вимірювальних РТС з оперативності й точності визначення траєкторних параметрів руху повітряних об'єктів, поліпшення робочих характеристик і полегшення настроювання в умовах експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з дослідженнями, виконаними в Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського «ХАІ». Це дослідження: з Держбюджетних тем № Д501-40/2006 «Методи і технології дистанційних досліджень поверхневих і підповерхневих середовищ із підвищеною проникаючою здатністю для радіохвиль», яка виконувалась відповідно до плану Міністерства освіти і науки України, № Д/Р 0106U001067; за договором (501-3/2006) про НДР «Технології максимально правдоподібного розподілу сигналів невідомої форми для радіотехнічних систем пасивного типу» з Інститутом радіофізики та електроніки ім. А.Я. Усикова Національної академії наук України (м. Харків); з НДР «Дослідження можливостей конверсії радіочастотного ресурсу в діапазоні 800 МГц за рахунок поліпшення параметрів електромагнітної сумісності диспетчерських радіолокаторів (конверсія CDMA 800) для Українського державного центру радіочастот» (м. Київ).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення завадостійкості каналу вимірювання швидкості МЛА, що включає резонансний тракт і частотний дискримінатор бортової РЛС.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- аналіз особливостей побудови доплерівських РЛС вимірювання швидкості МЛА;

- удосконалення методів обробки доплерівського сигналу в резонансних трактах радіотехнічних систем шляхом застосування ФДЧ і ЧД, реалізованих на основі синтезу та математичного моделювання за безконтурними схемами;

- доведення можливості підвищення відношення сигнал/шум на виході резонансного тракту при діянні широкосмугового шуму й доплерівського сигналу;

- удосконалення методів, засобів практичної реалізації й поліпшення робочих характеристик частотних дискримінаторів;

- можливість практичної реалізації розроблених ФДЧ і ЧД як на аналогових елементах схеми, так і на основі цифрового трансверсального фільтра;

- апробація методом лабораторних експериментальних досліджень практично реалізованих удосконалених схем ФДЧ і ЧД, виконуваних на аналогових електронних схемах і електромагнітних лініях затримки;

- моделювання одноканального фільтра доплерівської частоти й амплітудно-частотного дискримінатора на основі цифрового трансверсального фільтра в програмному додатку Simulink середовища MatLab.

Об'єкт дослідження - процеси обробки доплерівського сигналу в резонансних трактах бортових радіотехнічних пристроїв, які містять формуючий фільтр, а також ФДЧ і ЧД, виконані за безконтурними схемами.

Предмет дослідження - методи підвищення завадостійкості доплерівських радіотехнічних систем вимірювання швидкості ЛА і їхня практична реалізація.

Методи досліджень. У роботі застосовувалися: евристичний підхід до побудови й формування алгоритмів ФДЧ і ЧД, теоретичний і числовий аналізи при обґрунтуванні застосування й працездатності запропонованих ФДЧ і ЧД, а також при вдосконаленні методів обробки доплерівських сигналів; статистичний синтез і аналіз при доведенні ефективності й переваги розроблених методів підвищення завадостійкості, а також поліпшення робочих характеристик резонансних трактів БРЛС; експериментальні дослідження при лабораторному макетуванні й комп'ютерному моделюванні, які показали можливість практичної реалізації розроблених методів підвищення завадостійкості резонансних трактів БРЛС як на основі аналогової, так і цифрової елементної бази.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше науково обґрунтовано метод фільтрації, який відрізняється тим, що завадостійкість в області нульових розстроювань не гірше, а в області великих розстроювань при діянні доплерівського сигналу вище, ніж для резонансних трактів, використовуваних в існуючих ІДРЛС.

2. Вперше запропоновано методи обробки сигналів, що мають функціональні можливості, близькі до оптимальних, а також вищу завадостійкість і стабільність дискримінаційної характеристики порівнянно з існуючими частотними дискримінаторами.

3. Доведено можливість побудови ЧД із асиметричною (розширеною в один бік) лінійною дискримінаційною характеристикою, що дозволяє спостерігати доплерівські сигнали з широким діапазоном його частотних змін.

4. Одержали подальший розвиток методи обробки доплерівського сигналу в резонансних трактах БРЛС за рахунок цифрової реалізації синтезованих фільтрів доплерівських частот і частотних дискримінаторів.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Запропоновані ФДЧ при їх використанні в багатоканальных трактах фільтрації інформаційного сигналу забезпечують простоту настроювання каналу при високій оперативності виконання цієї операції з мінімальною кількістю вимірювальних приладів.

2. Застосування електромагнітної лінії затримки забезпечує стійкість і тривалість температурних параметрів розроблених ФДЧ порівняно з резонансними фільтрами, реалізованими на індуктивно-ємнісних елементах.

3. Цифрові варіанти практичної реалізації ФДЧ і ЧД забезпечують високу ідентичність і стабільність їх технічних характеристик у жорстких умовах експлуатації ІДРЛС на ЛА.

4. З'являється можливість на базі розроблених методів і засобів реалізації доплерівських фільтрів і частотних дискримінаторів застосувати адаптивні варіанти цих елементів за рахунок автоматичного перемикання й зміни числа відводів аналогової лінії затримки або її цифрового аналога.

5. Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» у курсах «Сигнали та процеси у радіотехніці», «Радіотехнічні системи» (акт використання).

6. Результати дисертаційної роботи реалізовано в Українському державному центрі радіочастот, м. Київ, при виконанні НДР «Дослідження можливостей конверсії радіочастотного ресурсу в діапазоні 800 МГц за рахунок поліпшення параметрів електромагнітної сумісності диспетчерських радіолокаторів» (акт реалізації).

Особистий внесок здобувача. Самостійно автором опубліковано роботу [1], у якій виконано розробку й статистичний аналіз функціонування безконтурного фазового частотного дискримінатора, оцінено флуктуаційні похибки і крутість дискримінаційної характеристики, а також розраховано коефіцієнт погіршення якості роботи ЧД порівняно з оптимальним. У роботі [2] автором виконано апробацію та дослідження цифрових алгоритмів оцінювання доплерівської частоти за потоком нульових переходів адитивної суміші сигналу та нормального шуму. У роботі [3] автором розроблено безконтурну структуру ФДЧ і отримано основні математичні співвідношення для оцінювання величини відношення сигнал/шум на виході ФДЧ залежно від його параметрів. У роботі [4] авторові належить ідея реалізації ФДЧ на базі цифрового трансверсального фільтра, ним проведено порівняльний аналіз аналогового та цифрового доплерівського фільтрів. Особистий внесок здобувача в роботу [5] складається з апробації теоретичних результатів на експериментальній установці з обчисленням оцінок частоти за некорельованою вибіркою випадання нулів суміші нормального шуму та гармонічного сигналу. У роботі [6] здобувачу належить ідея можливості реалізації ЧД на цифрових елементах і проведення порівняльного аналізу аналогового та цифрового варіантів реалізації частотного дискримінатора.

Апробація результатів дисертації проводилася на міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2005» (м. Харків, 2005, НАКУ «ХАІ») [7, 8]; міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2006» (м. Харків, 2006, НАКУ «ХАІ») [9]; четвертій міжнародній молодіжній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій «РТ-2008» (м. Севастополь, 2008, СевНТУ) [10]; четвертій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (м. Харків, 2008, ХУПС) [11].

Публікації. Основні положення та результати дисертаційної роботи опубліковано в 6 статтях у періодичних виданнях, які входять у перелік ВАК України, 5 тезах доповідей на Міжнародних науково-технічних конференціях і звітах з НДР.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, трьох додатків і списку використаних джерел.

Повний обсяг дисертації складає 179 сторінок, у тому числі 79 рисунків, з яких 27 на 15 окремих сторінках, 5 таблиць, з яких 4 на 2 окремих сторінках, 3 додатки на 13 сторінках, список з 96 використаних літературних джерел на 10 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і основні задачі дисертаційного дослідження, сформульовано нові наукові положення, які виносяться на захист, оцінено практичну значущість отриманих результатів, наведено конкретні відомості про зв'язок роботи з науковими програмами та планами, доведено обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій, наведено основні публікації автора, що відображають результати дисертаційних досліджень і особистий внесок здобувача.

У першому розділі дисертаційної роботи наведено результати аналітичного огляду особливостей побудови доплерівських радіотехнічних систем вимірювання параметрів руху повітряних об'єктів.

У процесі аналітичного огляду було проаналізовано основні фактори, що впливають на побудову каналів вимірювання дальності та швидкості доплерівськими РЛС повітряного базування. Основні труднощі при практичній реалізації бортових ІДРЛС спостереження за маневруючим літальним апаратом (МЛА) пов'язані з усуненням сліпих зон за дальністю і швидкістю. Для усунення ефекту сліпих зон використовують лінійну внутрішньоімпульсну частотну модуляцію зондувального сигналу, зміну частоти повторення (ВЧПІ, СЧПІ, НЧПІ), ноніусний спосіб і різні варіанти їхніх комбінацій.

Проведений аналіз пристроїв обробки відбитих сигналів ІДРЛС показав, що найбільш проробленими в теоретичному й практичному відношеннях є пристрої у вигляді набору неперенастроюваних узгоджених фільтрів резонансного типу.

При роботі ІДРЛС у режимі супроводу одиночного МЛА видача безперервної інформації про швидкість повітряного об'єкта (селекція за доплерівською частотою) здійснюється вузькосмуговим слідкуючим фільтром доплерівської частоти (СФДЧ).

Результати аналізу завадостійкості багатоканального ФДЧ і СФДЧ показали, що за наявності розстроювання оброблюваного сигналу в межах смуги пропускання одного каналу неперенастроюваного ФДЧ має місце істотний програш у відношенні сигнал/шум порівняно з узгодженим фільтром. У СФДЧ завадостійкість, в основному, визначається завадостійкістю частотного дискримінатора. Наявність розстроювання доплерівського сигналу істотно погіршує завадостійкість ЧД порівняно з оптимальним настроюванням дискримінатора (нульовим розстроюванням), що в остаточному підсумку призводить до зриву спостереження за МЛА за швидкістю та прискоренням.

На основі виконаного в розділі аналітичного огляду особливостей побудови доплерівських радіотехнічних систем вимірювання швидкості МЛА визначено два основних напрямки вирішення задачі підвищення завадостійкості ФДЧ і СФДЧ за наявності розстроювання доплерівського сигналу. Перший з них основано на використанні нерезонансних методів у багатоканальних неперенастроюваних ФДЧ, другий напрямок також основано на застосуванні аналогічних методів при побудові ЧД.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячено розробці та дослідженню завадостійкості ФДЧ, реалізованого на електромагнітній лінії затримки (ЛЗ). В основу розробки (синтезу) фільтруючої схеми покладено метод часткової компенсації гаусівської завади за наявності розстроювання доплерівського сигналу в смузі частот формуючого фільтра (ФФ), що являє собою фільтр ППЧ.

При евристичному синтезі ФДЧ і цільовому досягненні найкращої якості фільтрації було отримано математичну модель синтезованого фільтра, описувану виразом

, (1)

де - вихідний ефект (амплітуда сигналу) ФДЧ;

- амплітуда вхідної суміші сигналу й шуму;

- часовий параметр фільтра, що визначає часову затримку лінії затримки;

- коефіцієнт підсилення.

Частотна характеристика (ЧХ) розробленого ФДЧ визначається таким виразом:

, (2)

де - ЧХ формуючого фільтра (ФФ) кожного з каналів багатоканальної фільтруючої схеми.

У розділі проведено аналіз впливу на систему ФФ та синтезовано ФДЧ суміші доплерівського імпульсного сигналу та широкосмугового шуму з нормальним законом розподілу. Через лінійність синтезованого фільтра вплив сигналу і шуму розглядався окремо. Обвідна й фаза флуктуаційного коливання на виході ФФ, для якого виконується умова (де - центральна частота, а - смуга пропускання ФФ), протягом періоду

практично не змінюються. Тому значення завади, розділені відрізками часу

,

виявляються сильно корельованими. При цьому

, ,

де - фіксована частота, яка визначається величиною - час затримки ЛЗ. Таким чином, величини , , визначаються параметрами ЛЗ. Коефіцієнт у цьому випадку визначається з умови мінімізації дисперсії шуму на виході фільтра. У результаті аналізу проходження шуму та сигналу через ФФ і послідовно підключений синтезований ФДЧ було знайдено залежності нормованої дисперсії шуму і коефіцієнта ефективності застосування ФДЧ від відносного розстроювання сигналу та параметрів ФДЧ .

З наведених даних можна зробити висновок про те, що підключення синтезованого ФДЧ до ФФ дає можливість поліпшувати енергетичне відношення між сигналом і шумом в області великих розстроювань при певних значеннях . Однак для цих спостерігається погіршення умов прийому поблизу нульового розстроювання, що є недоліком даного фільтра.

Цей недолік усувається шляхом побудобви фільтра з двома каналами, частотні характеристики яких описуються такими виразами:

;

,

, - для першого каналу;

, - для другого каналу.

З урахуванням особливостей кожного каналу фільтра було знайдено автокореляційні та взаємнокореляційні функції флуктуацій коливань, а також енергетичне відношення сигнал/шум на виході двоканального фільтра при зміні відносного розстроювання сигналу .

Шляхом аналітичного та графічного досліджень виразу енергетичного відношення сигнал/шум з'ясовано, що найкращі результати можуть бути одержані для таких значень параметрів: ; або ;

,

де індекси 1 - перший канал, 2 - другий канал.

При цих значеннях параметрів фільтра з'являється можливість поліпшити умови прийому в області великих розстроювань сигналу, не погіршуючи їх в області нульових розстроювань.

У третьому розділі, враховуючи маневрені властивості та підвищення швидкості руху сучасних літальних апаратів, розглядається можливість використання широкосмугових ЧД вимірювання та компенсації відхилення частоти прийнятого сигналу внаслідок доплерівського ефекту. Було синтезовано та проаналізовано чотири види ЧД, виконані на широкосмугових ЛЗ. Їхні дії описуються такими співвідношеннями:

- для амплітудно-частотного дискримінатора з підсилювачем (АЧД(П))

, (5)

- для амплітудно-частотного дискримінатора з ослаблювачем (АЧД(О))

, (6)

- для амплітудно-фазового частотного дискримінатора (АФЧД)

, (7)

- для фазового частотного дискримінатора (ФЧД)

, (8)

завадостійкість резонансний тракт радіотехнічний

де - вхідний сигнал;

- коефіцієнт передачі амплітудного детектора;

- коефіцієнт передачі лінійного підсилювача;

- коефіцієнт передачі лінійного ослаблювача;

- коефіцієнт передачі фазового детектора з фільтром низьких частот;

- коефіцієнт передачі помножувача з фільтром низьких частот;

- час затримки лінії затримки.

Перші дві схеми основані на перетворенні ЧМ в АМ з наступним післядетекторним відніманням сигналів, що знімають із лінійного суматора і середнього відводу ЛЗ. При цьому передбачається, що коефіцієнти передачі амплітудних детекторів . Нульова точка дискримінаційної характеристики (ДХ) встановлюється шляхом відповідного вибору коефіцієнтів або .

Величина в перших двох схемах впливає тільки на крутість ДХ, тому що зсув нульової точки компенсується вибором або .

У третій схемі в одному з каналів також здійснюється перетворення ЧМ в АМ шляхом підсумовування сигналів із крайніх відводів ЛЗ. Сигнал, що знімається із середнього відводу, служить як опорний, причому амплітуда його не залежить від розстроювання за наявності широкосмугової лінії затримки. При подачі цих сигналів на фазовий детектор з його виходу знімається напруга, амплітуда якої пропорційна амплітуді сигналу в першому каналі, а фаза визначається різницею фаз сигналів. При цьому обов'язково має виконуватися умова

, (9)

де - частота настроювання частотного дискримінатора.

Четверта схема основана на лінійності ФЧХ ЛЗ. Тут здійснюється перетворення ЧМ в ФМ затриманого сигналу. Після перемножування затриманого й незатриманого сигналів і відфільтровування високочастотної складової одержують сигнал, амплітуда якого пропорційна різниці фаз. Для цієї схеми

. (10)

При впливі на розглянуті ЧД сигналу й шуму, що пройшли через тракт ППЧ із гаусівською АЧХ, оцінювалися такі характеристики: , , , у функції від характеристик сигналу й завади , у, h і параметрів схеми (де - ДХ; - крутизна ДХ; - еквівалентна спектральна щільність флуктуацій сигналу (або дисперсія помилки одиничного виміру); - кількісний еквівалент погіршення завадостійкості реалізованих ЧД порівняно з оптимальним частотним дискримінатором (ОЧД); - ефективна ширина спектра сигналу; у - розстроювання сигналу; h - відношення сигнал/шум на виході ППЧ; - середній рівень вихідного сигналу, що забезпечується системою АРУ; - відношення ефективної смуги тракту ППЧ, охопленого петлею АРП, до ефективної ширини спектра сигналу, - фіксована різниця частот і ).

Проведений аналіз показав, що при належному виборі параметрів схеми можна одержати узгодження з ОЧД.

В області малих виходить повне узгодження з оптимальним частотним дискримінатором при , але при цьому спостерігається розбіжність в узгодженні при . Однак, збільшуючи , можна добитися кращого узгодження при великих , але погіршити результати для малих . Якщо порівняти запропоновані схеми між собою, то перевагу можна віддати першим двом.

Для останніх двох схем потрібна ЛЗ цілком конкретної величини. Дійсно, відхилення від необхідної величини (9), (10) призведе до зсуву середньої частоти настроювання дискримінатора. Для перших двох схем вибір довжини ЛЗ на середню частоту настроювання не впливає через те, що вона встановлюється відповідним вибором коефіцієнтів або .

Якщо порівняти існуючі частотні дискримінатори, розглянуті в першому розділі, із запропонованими, то останні більш прості й широкосмугові через відсутність неперенастроюваних контурів.

Таким чином, залежно від апріорних відомостей про характер зміни доплерівської частоти з'являється можливість використання або двоканального фільтра ФДЧ, або широкосмугових ЧД, виконаних на ЛЗ.

Причому першу схему ЧД при малих і великих можна застосувувати як систему грубого пошуку сигналу за частотою (грубий пошук через великі помилки вимірювання частоти прийнятого сигналу при малих ). Після захоплення сигналу, змінюючи довжину лінії затримки шляхом перемикання крайніх відводів (тим самим збільшуючи до значень, при яких виходять мінімальні помилки), можна перейти на більш точне вимірювання частоти прийнятого сигналу.

У четвертому розділі наведено результати лабораторних експериментальних досліджень характеристик доплерівського фільтра й частотного дискримінатора. Основна задача виконаних досліджень полягала в зіставленні ступеня відповідності теоретичних оцінок параметрів, розроблених у попередніх розділах ФДЧ і ЧД, з фізично реалізованими лабораторними макетами, виконаними на аналогових елементах і методами комп'ютерного моделювання.

У розділі описано структуру й елементний склад лабораторного стенда, розроблено методики проведення досліджень і послідовність операцій налагодження, досліджено проходження сигналу й шуму через формуючий фільтр (аналог ППЧ прийомного тракту ІДРЛС), описано методику настроювання й реєстрації дискримінаційної характеристики ЧД, досліджено вплив рівня вхідного сигналу й шуму на положення нульової точки дискримінаційної характеристики.

До складу лабораторного стенда входили: формуючий фільтр, реалізований на п'єзокерамічному резонансному фільтрі типу ФП1П-024 ( кГц) з корекцією його АЧХ, близької до гаусівської, у смузі 445…485 кГц і кГц на рівні 0,7; підсилювач високої частоти, зібраний на мікросхемі К157ХА2; два одноканальних фільтри ФДЧ1, ФДЧ2 з лініями затримки ЛЗ-1 ( мкс) і ЛЗ-2 ( мкс), пасивні суматори й два підсилювачі на транзисторах КТ3102 з регульованими коефіцієнтами підсилення; генератори сигналів (Г4-102, Г3-7А); генератор шуму Г2-1; цифровий частотомір Ч3-34; вольтметр В3-6; осцилограф С1-93, а також імітатор радіоімпульсів, реалізований на генераторі з контуром ударного збудження.

Параметри двоканального фільтра вибиралися виходячи з найкращих результатів, отриманих при теоретичному дослідженні. Так, для першого каналу фільтра довжина лінії затримки вибиралася з умови (при , мкс), а для другого каналу - з умови (при , мкс ).

Порівняльний аналіз кривих показує, що розбіжність теоретичних і експериментальних результатів (суцільна лінія _ теоретичні результати, пунктирна _ практичні) не перевищує величин, припустимих в експерименті.

Зменшення відношення сигнал/шум поблизу нульового розстроювання порівняно з теоретичними даними пояснюється збільшенням потужності шуму внаслідок більш широкої ефективної смуги пропускання практичного ФФ ( кГц, кГц). При цьому амплітуда нерозстроєного сигналу в тому й іншому випадках однакова.

При розстроюванні частоти сигналу його амплітуда зменшувалася повільніше в практичному формуючому фільтрі внаслідок більш пологих схилів АЧХ. Звідси й деяке перевищення пунктирної кривої над суцільною для .

Модель цифрового варіанта системи формуючого фільтра й одноканального фільтра доплерівської частоти (ФФ+ФДЧ), синтезована в програмному додатку Simulink середовища моделювання MatLab, показала повну відповідність отриманих у другому й четвертому розділах теоретичних і практичних результатів.

За рахунок підключення ФДЧ відбувається вирізання центральної частини спектра флуктуаційної завади. Цей ефект приводить до енергетичного ослаблення завади. Спектр сигналу (його основний максимум) суміщується з основним максимумом АЧХ системи ФФ+ФДЧ. Бічна пелюстка спектра сигналу, протилежна напрямку розстроювання доплерівського сигналу, збігається з повторним максимумом АЧХ системи ФФ+ФДЧ.

Отримані дані підтверджують теоретичні й практичні дослідження, виконані в другому та четвертому розділах даної роботи.

При зніманні ДХ ЧД основна увага приділялася питанням зміни крутості та положення нульової точки ДХ залежно від інтенсивності шуму й параметрів схеми. Дослідження проводилися для першої схеми ЧД (АЧД(П)).

Залежність вихідної напруги дискримінатора від розстроювання сигналу знімалася для трьох значень відношення сигнал/шум і для двох значень . При цьому відповідало і , при другому значенні - і . При виборі мкс нульова точка дискримінаційної характеристики відповідає при . Це значення буде справедливо для розглянутого від до 0,3, але вже при нульова точка зміщується на 200 Гц у бік більших частот. Якщо ще збільшувати інтенсивність шумів, наприклад , то нульова точка взагалі може бути відсутньою при . Щоб одержати нульову точку ДХ на частоті 465 кГц для і необхідно відповідно прийняти і . Якщо , то сигнал не виявляє керуючого діяння на частотний дискримінатор.

Крутість ДХ зменшується зі збільшенням інтенсивності шуму.

При мкс, нульову точку характеристики одержують при .

Значення є практично справедливим для від до 0,3. Зсув нульової точки відбувається при на 50 Гц, при на 600 Гц. У цьому випадку менше впливає на положення нульової точки. Крім того, ДХ виходить більш симетричною, ніж при , але крутість для відповідних зменшується. За відсутності завад робоча ділянка характеристики частотного дискримінатора вибирається в діапазоні розстроювань . Тут ДХ симетрична та лінійна.

Модель цифрового АЧД синтезовано в програмному додатку Simulink середовища моделювання MatLab.

При діянні на модель системи ФФ+АЧД сигналу з лінійною частотною модуляцією та широкосмугового шуму на виході системи має місце випадковий процес, після усереднення якого виходить ДХ. Діяння шуму призводить до все більшого зсуву нульової точки ДХ зі збільшенням його рівня. Для настроювання АЧД необхідно підібрати відповідне значення коефіцієнта підсилення .

Для того щоб здійснити настроювання ДХ необхідно змінити коефіцієнт . Так, при величина ; при величина . При цьому крутість ДХ зменшується зі збільшенням рівня шуму.

Результати моделювання цифрового АЧД повною мірою узгоджуються з теоретичними викладами, які були отримані в третьому розділі та при стендових випробуваннях четвертого розділу даної дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі сформульовано й вирішено актуальну задачу вдосконалення методів підвищення завадостійкості систем спостереження за МЛА на основі розроблення та застосування безконтурних ФДЧ і ЧД, що забезпечують поліпшення робочих характеристик доплерівського радіолокатора при розстроюванні інформаційного сигналу.

Отримані при дослідженнях основні наукові й практичні результати зводяться до такого.

1. Проведено огляд і проаналізовано особливості побудови доплерівських радіолокаційних систем спостереження за МЛА. Розглянуто методи вимірювання швидкості руху об'єкта та завадостійкість резонансного фільтруючого тракту радіолокаційної системи за наявності розстроювання доплерівського сигналу порівняно з оптимальним варіантом. Сформульовано напрямки підвищення завадостійкості доплерівської фільтрації за наявності розстроювання.

2. Розроблено фільтр доплерівської частоти, виконаний на електромагнітній ЛЗ, і на прикладі впливу широкосмугового шуму та імпульсного сигналу досліджено його завадостійкість.

3. Методом статистичного аналізу проведено мінімізацію дисперсії шуму на виході фільтра. З результатів теоретичних досліджень випливає, що завадостійкість (відношення сигнал/шум) для одноканального варіанта ФДЧ в області нульового розстроювання буде погіршуватися залежно від вибраних параметрів формуючого й синтезованого фільтрів від нуля і до -40 дБ. Однак при збільшенні розстроювання сигналу і при значенні параметра фільтра відношення сигнал/шум на виході ФДЧ збільшується до 50 дБ.

4. Розроблено і реалізовано двоканальний ФДЧ, який усуває недоліки одноканального фільтра, досліджено вплив зміни його параметрів на завадостійкість.

При виборі певним чином параметрів фільтра спостерігаються задовільні результати енергетичного відношення сигнал/шум у широкому діапазоні розстроювань сигналу (як при великих розстроюваннях, так і в області нульових розстроювань). Порівняння здійснювалося з випадком, коли розроблений двоканальний ФДЧ був відсутній. Найкращі результати отримано для при .

5. Запропоновано використання широкосмугового ЧД, виконаного на ЛЗ у випадках, коли застосування двоканального ФДЧ стане малоефективним внаслідок значного збільшення швидкостей і маневреності руху повітряного об'єкта.

6. Розроблено й досліджено кілька варіантів практичної реалізації ЧД, виконаних на безконтурній основі (амплітудні, амплітудно-фазові й фазові частотні дискримінатори). Для визначення ефективності роботи дискримінаторів обчислено еквівалентну спектральну щільність флуктуацій на виході дискримінатора (або дисперсія помилки одиничного виміру) і коефіцієнт погіршення якості дискримінатора порівняно з оптимальним.

7. Проведений у роботі порівняльний аналіз розроблених частотних дискримінаторів за ступенем близькості до оптимального дискримінатора, складністю практичної реалізації, простотою й оперативністю настроювання показав, що амплітудні дискримінатори найбільш близькі до оптимального при відношеннях сигнал/шум , і більш прості в реалізації, амплітудно-фазові й фазові частотні дискримінатори чутливі до вибору довжини лінії затримки (можливий зсув середньої частоти настроювання), для амплітудних дискримінаторів фактор вибору довжини лінії затримки не є суттєвим.

8. Порівняльний аналіз існуючих частотних дискримінаторів і розроблених показав, що останні більш широкосмугові, прості в реалізації та настроюванні, оскільки відсутні настроювані резонансні контури.

9. Залежно від апріорних відомостей про швидкість руху повітряного об'єкта розроблені ЧД дуже зручно використовувати як для грубого пошуку (при малих і великих ), так і для захоплення доплерівського сигналу шляхом простого перемикання крайніх відводів електромагнітної ЛЗ (тим самим збільшуючи параметр до значень, при яких виходять мінімальні помилки).

10. Виконано експериментальні дослідження характеристик доплерівських фільтрів і ЧД на спеціально розробленому стенді. Досліджувалися аналогові варіанти практичного виконання. Отримані результати в основному підтвердили теоретичні висновки.

11. Розроблено та досліджено одноканальний варіант безконтурного ФДЧ і АЧД на основі застосування цифрових трансверсальних фільтрів. Моделювання цих елементів з використанням синтезування в програмному додатку Simulink середовища MatLab повністю підтвердило результати теоретичних і практичних досліджень.

12. Розроблені методи підвищення завадостійкості резонансних трактів і пристрої їхньої практичної реалізації, виконувані на електромагнітній ЛЗ і на основі використання цифрових трансверсальних фільтрів, можуть бути успішно використані в радіотехнічних системах різного призначення (радіонавігаційних, радіолокаційних, системах радіокерування, дистанційного зондування та ін.)

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Барышев В. И. Статистический анализ бесконтурного фазового частотного дискриминатора / В. И. Барышев // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба. - 2007. - Вип. 3(15). - С. 19-22.

2. Печенин В. В. Цифровые алгоритмы усредненной оценки доплеровской частоты при полиномиальном законе ее изменения / В. В. Печенин, В. И. Барышев // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - Вип. 1(13). - С. 13-15.

3. Барышев В. И. Анализ помехоустойчивости доплеровского фильтра, реализованного на электромагнитной линии задержки и резонансном усилителе / В. И. Барышев, В. В. Печенин, О. А. Горбуненко // Вестник Национального технического университета «ХПИ». - 2007. - № 11. - С. 7-14.

4. Барышев В. И. Методика и результаты исследования помехоустойчивости одноканального фильтра доплеровской частоты / В. И. Барышев, В. В. Печенин, А. В. Мазуренко // Вестник Национального технического университета «ХПИ». - 2008. - № 12. - С. 10-16.

5. Баришев В. І. Цифровий алгоритм вимірювання доплерівської частоти гармонічного сигналу / В. І. Баришев, В. В. Печенін, О. А. Коршец // Системи озброєння і військова техніка. - 2008. - Вип. 1(13). - С. 86-89.

6. Барышев В. И. Реализация бесконтурного частотного дискриминатора на цифровых элементах / В. И. Барышев, А. В. Мазуренко, В. В. Печенин // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - Вып. 3(50). - С. 89-93.

7. Анализ частотных дискриминаторов, выполненных на электромагнитной линии задержки / В. В. Печенин, В. И. Барышев // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2005 : міжнар. наук.-техн. конф. : тези доповідей. - Х. : Нац. аерокосм. ун-т «ХАІ», 2005. - С. 287.

8. Анализ современного состояния и перспективных направлений развития радиоэлектронных систем самонаведения истребителей / Е. А. Коршец, В. В. Поляков, В. И. Барышев // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2005 : міжнар. наук.-техн. конф. : тези доповідей. - Х. : Нац. аерокосм. ун-т «ХАІ», 2005. - С. 312.

9. Влияние маневренных свойств летательных аппаратов на показатели эффективности бортовых РЛС / В. И. Барышев, Радван М. Джавад // Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2006 : міжнар. наук.-техн. конф. : тези доповідей. - Х. : Нац. аерокосм. ун-т «ХАІ», 2006. - С. 257.

10. Разработка бесконтурных фильтров доплеровской частоты / В. И. Барышев, В. В. Печенин, А. В. Мазуренко // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2008» : четвертая междунар. молодежн. научн.-техн. конф., 21-25 апр. 2008 г. : тезисы докл. - Севастополь : СевНТУ, 2008. - С. 49.

11. Синтез цифровых фильтров доплеровской частоты / А. В. Мазуренко, В. И. Барышев // Четверта наук. конф. Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, 16-17 квіт. 2008 р. : тези доповідей. - Х. : ХУПС, 2008. - С. 100.

Анотація

Баришев В.І. Методи підвищення завадостійкості резонансних трактів радіотехнічних систем і пристрої їх практичної реалізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 _ радіотехнічні та телевізійні системи. _ Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", Харків, 2009.

У дисертаційній роботі основну увагу приділено вирішенню задачі підвищення завадостійкості резонансних трактів радіотехнічних систем шляхом вдосконалення методів доплерівської фільтрації та збільшення ширини лінійної частини дискримінаційної характеристики слідкуючого фільтра доплерівської частоти.

Результати досліджень показали працездатність синтезованих фільтрів доплерівської частоти. Для одноканального фільтра при розстроюваннях до граничних частот смуги пропускання формуючого фільтра (фільтр ППЧ) забезпечується поліпшення результатів прийому до 50 дБ, але при нульових розстроюваннях - погіршення до -40 дБ. Цей недолік усувається двоканальним фільтром, не погіршуючи умови прийому в області нульового розстроювання, спостерігається поліпшення прийому до 50 дБ на граничних розстроюваннях.

Розроблені ЧД при їхній порівняльній простоті технічної реалізації та хорошому узгодженні з оптимальним ЧД виявилися більш широкосмуговими, що мають стабільність параметрів дискримінаційної характеристики, прості й оперативні при настроюванні.

Проведені в цій частині роботи дослідження вірогідно й об'єктивно підтвердили теоретичну й, головне, практичну можливість і доцільність використання розроблених схем ФДЧ і ЧД для подальшого вдосконалювання й поліпшення завадостійкості резонансних трактів радіотехнічних систем всілякого цільового призначення.

Ключові слова: завадостійкість, фільтр доплерівських частот (ФДЧ), частотний дискримінатор (ЧД), евристичний метод, радіотехнічна система, експериментальні дослідження, теоретичні дослідження, практична можливість.

Аннотация

Барышев В.И. Методы повышения помехоустойчивости резонансных трактов радиотехнических систем и устройства их практической реализации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, 2009.

В диссертационной работе основное внимание уделено решению задачи повышения помехоустойчивости резонансных трактов радиотехнических систем путем совершенствования методов доплеровской фильтрации и увеличения ширины линейной части дискриминационной характеристики следящего ФДЧ.

После проведения анализа задачи повышения помехоустойчивости доплеровских систем измерения скоростных параметров МЛА в работе показаны основные недостатки резонансных трактов, фильтрующих доплеровский сигнал.

К их числу относятся: ухудшение помехоустойчивости при расстройке доплеровского сигнала относительно резонансной частоты настройки фильтрующей системы, наличие доплеровского сигнала в соседних каналах многоканального фильтра доплеровских частот (ФДЧ), размывание спектра сигнала при маневре ЛА, срыв слежения в одноканальных ФДЧ следящего типа при ограниченной ширине линейной части дискриминационной характеристики.

В диссертационной работе разработаны и исследованы на теоретическом и экспериментальном уровнях следующие методы достижения сформулированной задачи: эвристический, позволивший решить вопросы построения и формирования алгоритмов работы ФДЧ и частотных дискриминаторов; теоретический и численный анализы, показавшие обоснование преимуществ и работоспособности предложенных ФДЧ и ЧД; статистический синтез и анализ, обеспечившие решение вопросов эффективности и преимуществ разработанных методов помехоустойчивости; экспериментальный и метод компьютерного моделирования, которые показали практическую возможность реализации ФДЧ и ЧД на базе аналоговых и цифровых элементов построения и подтвердившие основные теоретические положения и практические результаты.

Результаты исследований показали работоспособность синтезированных фильтров доплеровской частоты. Для одноканального фильтра при расстройках до предельных частот полосы пропускания формирующего фильтра (фильтр УПЧ) обеспечивается улучшение результатов приема до 50 дБ, но при нулевых расстройках - ухудшение до -40 дБ. Этот недостаток устраняется двухканальным фильтром, не ухудшая условия приема в области нулевой расстройки, наблюдается улучшение приема до 50 дБ на предельных расстройках.

Результаты выполненных в работе теоретических и экспериментальных исследований показали, что основные параметры разработанных ЧД примерно одинаковы и близки к оптимальным при отношениях сигнал/шум . Вместе с тем амплитудно-фазовые и фазовые дискриминаторы чувствительны по помехоустойчивости к выбору длины линии задержки, поскольку возможно смещение нулевой точки. Для амплитудных дискриминаторов фактор выбора длины линии задержки несуществен.

Разработанные ЧД при их сравнительной простоте технической реализации и хорошем согласовании с оптимальным ЧД оказались более широкополосными, обладающими стабильностью параметров дискриминационной характеристики, простотой и оперативностью настройки.

Проведенные в этой части работы исследования достоверно и объективно подтвердили теоретическую и, главное, практическую возможность и целесообразность использования разработанных схем ФДЧ и ЧД для дальнейшего совершенствования и улучшения помехоустойчивости резонансных трактов радиотехнических систем самого различного целевого назначения.

Ключевые слова: помехоустойчивость, фильтр доплеровских частот (ФДЧ), частотный дискриминатор (ЧД), эвристический метод, радиотехническая система, экспериментальные исследования, теоретические исследования, практическая возможность.

Abstract

Baryshev V.I. Methods of Noise Immunity of Radiotechnical System Resonance Channels and Device of their Practical Implementation. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Technical Sciences (Philosophy Doctor) on specialty 05.12.17 - radiotechnical and television systems. - National Aerospace University named after N.Ye. Zhukovsky “KhAI”, Kharkiv, 2009.

The thesis pays the main attention to solving a task of increasing noise immunity of radiotechnical system resonance channels by means of improving the methods of Doppler filtering and enlarging the width of a linear part of discriminating characteristic of Doppler frequency tracker.

Result of the research have shown serviceability of synthesized Doppler frequency trackers. For a one-channel filter at detunings up to limiting frequencies of generating filter pass band (RTF filter) reception results are improved to 50 dB? But at zero detunings they are worsened to -40 dB. This drawback is eliminated by a twochannel filter without worsening conditions of reception in the region of zero detuning, reception is improved to 50 dB at limiting detunings.

At their comparatively simple technical implementation and good matching with the optimal FD the developed FDs turned out to be more wide-band and have discriminating characteristic parameters stability, simplicity and responsiveness of adjustment.

The research done in this part of work evidently and objectively confirmed theoretical and, above all, practical possibility and expediency of using the developed circuits of DFF and FR for further improvement and increasing of multi-purpose radiotechnical system resonance channels noise immunity.

Keywords: noise immunity, Doppler frequency filter (DFF), frequency discriminator (FD), heuristic method, radiotechnical system, experimental research, theoretical research, practical possibility.

Размещено на Allbest.ru

...