Методи підвищення частотної точності акустооптичного аналізатора спектра радіосигналів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи підвищення частотної точності акустооптичного аналізатора спектра радіосигналів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Забезпечення максимально ефективного використання радіочастотного ресурсу України ґрунтується на чіткому розмежуванні смуг частот з дотриманням інтересів усіх категорій користувачів і здійсненні строгого державного нагляду в цій сфері. Радіочастотний моніторинг виступає як практична процедура державного нагляду за використовуванням радіочастотного ресурсу, а задача вдосконалення технічних засобів радіочастотного моніторингу набуває особливої актуальності.

Однією із задач радіочастотного моніторингу є отримання, узагальнення і аналіз параметрів сигналів, формованих радіотехнічними пристроями, що випромінюються у відповідних діапазонах радіочастот. Застосування для вирішення даної задачі акустооптичних методів спектрального аналізу дозволяє, на відміну від інших методів (фільтрових, дисперсійно-часових, кореляційно-часових), проводити панорамне виявлення радіосигналів у широкому динамічному і частотному діапазоні в реальному масштабі часу.

Аналіз критерію розрізнення Релея показує, що він, по суті, орієнтований на якісні спостереження. Величина роздільної здатності, отримана на підставі такого визначення, не відповідає сучасним вимогам до вимірювальної техніки. Частотну точність існуючих акустооптичних аналізаторів спектра (АОАС), вибір параметрів фотоприймальних пристроїв яких ґрунтується на принципах релеєвського розрізнення, можна істотно поліпшити шляхом застосування спеціальних процедур реєстрації і оптимізації методів обробки оптичних сигналів, що враховують їх статистичні властивості, обумовлені природою їх формування. При цьому, під частотною точністю АОАС розуміється комплексний (складний) показник, що характеризує клас точності даного типу вимірювальних приладів і визначається через поняття точності відліку частоти зареєстрованого радіосигналу і роздільної здатності. Точність відліку частоти радіосигналів і роздільна здатність є суміжними характеристиками даного класу приладів. В практиці проектування і побудови акустооптичних і зокрема оптичних пристроїв спектрального аналізу роздільна здатність і точність відліку частоти визначаються параметрами апаратної функції, що формується даними пристроями у фокальній площині, і при дискретній просторовій реєстрації сигналу - розмірами елементів фотоприймачів.

У якості теоретичної основи для розробки таких процедур можна використати математичні моделі сигналів і процесів, що протікають в АОАС підчас аналізу спектральних характеристик радіосигналів, які розроблені на основі спільного використання основних положень хвильової і корпускулярної теорії світла та статистичної теорії випадкових потоків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з госпдоговірною темою №24/01-27 «Розробка принципів побудови виявника пачок коротких оптичних сигналів блока Ч-1» №ДР 0104U0902072, 2001 р.; госпдоговірною темою №05-22 «Розробка методів збільшення динамічного діапазону та роздільної здатності акустооптичних аналізаторів спектра (АОАС) та рекомендації щодо їх реалізації» №ДР 0105U007073, 2005 р. У всіх НДР здобувач був виконавцем. Здобувачем проведено аналіз наявності можливості виділення слабких оптичних сигналів на фоні сильних при невеликих кутових відстанях між ними у фокальній площині АОАС; досліджено питання підвищення частотної точності АОАС при реєстрації монохроматичних сигналів та розробки алгоритмів обробки оптичних сигналів в АОАС.

Мета та задачі досліджень. Метою дисертаційних досліджень є підвищення частотної точності акустооптичного аналізатора спектру радіосигналів.

Науково-прикладна задача дослідження - розробка методів розрізнення та виміру частоти радіосигналів в АОАС. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі часткові науково-технічні задачі: аналіз методів і засобів радіочастотного моніторингу; аналіз структури і принципів обробки сигналів АОАС радіосигналів; аналіз потенційної можливості підвищення частотної точності АОАС; розробка математичної моделі оптичних сигналів АОАС радіосигналів при їх адитивній взаємодії та без неї; синтез оптимальної оцінки параметрів просторового положення оптичного сигналу у площині зображень АОАС радіосигналів; оптимізація методу оцінки частоти радіосигналів в АОАС; оптимізація методу розрізнення оптичних сигналів в АОАС; експериментальні дослідження методу оцінки частоти радіосигналів в АОАС та розробка рекомендацій та пропозицій з технічної реалізації запропонованих методів.

Об'єкт дослідження - явище акустооптичної взаємодії, процеси реєстрації і обробки оптичних сигналів в акустооптичному аналізаторі спектру радіосигналів.

Предмет дослідження - методи обробки оптичних сигналів в акустооптичному аналізаторі спектру.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використані теоретичні і експериментальні методи досліджень, а саме: для описання властивостей і аналізу характеристик сигналів в АОАС з урахуванням операцій їх перетворення використані методи і основні положення хвильової і корпускулярної теорії світла, теорії ймовірності та теорії випадкових потоків, теорії побудови оптико-електронних систем (ОЕС); при вирішенні задачі оцінки параметрів оптичних сигналів АОАС і аналізу характеристик точності використані методи статистичного синтезу і основні положення теорії оцінювання параметрів випадкових сигналів; для підтвердження адекватності результатів теоретичних досліджень і перевірки працездатності розроблених методів оцінки параметрів і розрізнення оптичних сигналів АОАС проведені експериментальні дослідження з застосуванням методів планування експерименту та імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації, під час розробки методів оцінки параметрів просторового положення і розрізнення оптичних сигналів АОАС, отримані такі нові наукові результати:

1. Вдосконалено математичну модель оптичних сигналів в площині зображень акустооптичного аналізатора спектру. На відміну від відомих моделей, для опису сигналів в кожній точці площини зображень застосовується корпускулярне уявлення про структуру оптичного випромінювання. Для знаходження параметрів закону розподілу інтенсивності сигналів в площині зображень використовується хвильовий опис оптичних сигналів. [1, 3]

2. На основі вдосконаленої математичної моделі розроблено метод оцінки просторового положення оптичного сигналу в площині зображень акустооптичного аналізатора спектру, що дозволяє підвищити точність відліку частоти радіосигналу. [1, 2]

3. На основі вдосконаленої математичної моделі розроблено метод розділення оптичних сигналів в площині зображень, що дозволяє підвищити роздільну здатність акустооптичного аналізатора спектру за частотою радіосигналів. Знайдено нижню межу Рао-Крамера для дисперсії оцінки розузгодження геометричних центрів оптичних сигналів в площині фотоприймача при дії на вхід двох радіоімпульсів з прямокутною огинаючою. [3 - 8]

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи визначення геометричного центру апаратної функції акустооптичного модулятора (АОМ) і розрізнення оптичних сигналів, застосування яких дозволяє підвищити точність визначення частоти РС в 7 - 10 разів та роздільну здатність АОАС в 3 - 5 разів, що важливо для підвищення якості моніторингу радіочастотного ресурсу України.

Основні наукові результати дисертаційних досліджень, а саме: вдосконалена математична модель оптичних сигналів в АОАС радіосигналів; метод оцінки частоти радіосигналів в АОАС; метод розрізнення радіосигналів за частотою в АОАС реалізовано в практичній діяльності СКБ РТП «Топаз», що підтверджено актом реалізації.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати, що є суттю дисертаційної роботи і знайшли відображення в пунктах новизни, наукового і практичного значення, отримані автором самостійно. В роботах, опублікованих в співавторстві, особисто отримані такі результати.

У роботі [1] синтезована оптимальна оцінка параметра просторового положення апаратної функції АОМ у фокальній площині АОАС.

У [2] отримано аналітичні вирази для дисперсії оптимальної та квазіоптимальної оцінки параметра просторового положення апаратної функції АОМ у фокальній площині АОАС. Розроблена методика експериментальних досліджень запропонованих алгоритмів оцінки.

У [3] досліджено вплив кінцевого часу реєстрації на роздільну здатність некогерентних сигналів АОАС з просторовим інтегруванням. Розроблена математична модель оптичних сигналів при дії на вхід АОАС адитивної суміші двох радіосигналів з прямокутною огинаючою.

У [4] проведено аналіз роздільної здатності АОАС при застосуванні монохроматичних сигналів, розроблена математична модель оптичних сигналів.

У [5] сформульовано методику розрізнення оптичних сигналів у фокальній площині АОАС, при дії на вхід двох радіосигналів. Отримано аналітичні вирази для оцінки величини і точності роздільної здатності.

У [6] отримано аналітичні вирази для величини роздільної здатності і точності відліку частоти радіоімпульсів великої тривалості в АОАС.

У [7] проведено оцінку потенційної точності відліку частоти радіосигналів при дії на вхід АОАС двох радіоімпульсів і адитивної перешкоди.

У [8] розроблено метод автокомпенсації шумового фону з окремим компенсаційним каналом, що дозволяє здійснювати розрізнення оптичних сигналів в АОАС.

Апробація результатів дисертаційних досліджень. Основні результати дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на ІІ і IV Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми інформатики і моделювання», Харків, «НТУ-ХПІ», 2002, 2004; І Міжнародному радіоелектронному форумі «Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку», Харків, ХНУРЕ, 2002; Міжнародній науково-технічній конференції «Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації», Туапсе, 2003; XI Міжнародній науково-практичній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, освіта, здоров'я», Харків, 2003; VІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Людина і космос», Дніпропетровськ, НЦАОМУ, 2005.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 14 наукових праць, із яких 8 статей в наукових збірниках і журналах, рекомендованих ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та трьох додатків. Повний обсяг дисертації становить 151 сторінку, з них дисертації без додатків - 149 сторінок, 57 рисунків, список використаних джерел, що містить 97 найменувань, займає 8 сторінок, а також 1 додаток на 2 сторінках.

Основний зміст роботи

радіочастотний моніторинг акустооптичний аналізатор

Вступ містить загальну характеристику проблемного питання, обґрунтування необхідності проведення досліджень за темою дисертації та їх актуальність. Вказано на зв'язок теми роботи з науковими програмами, планами, темами. У вступі сформульовано мету, наукову задачу та окремі науково-технічні задачі, об'єкт та предмет дисертаційних досліджень, визначено новизну, наукову та практичну цінність нових отриманих результатів. Висвітлено особистий внесок автора в опублікованих працях, результати апробації результатів досліджень.

Перший розділ присвячений аналізу використання радіочастотного ресурсу, який характеризується високою інтенсивністю використання і, як наслідок, перевантаженістю радіочастотних діапазонів усіма категоріями користувачів. При цьому рівень розвитку засобів радіочастотного моніторингу в більшості випадків не відповідає рівню розвитку засобів радіозв'язку і телекомунікацій, що є потенційним чинником зниження ефективності і безпеки використання радіочастотного ресурсу України.

У відповідності до результатів фундаментальних і прикладних досліджень вітчизняних і зарубіжних авторів обмежена ефективність методів обробки сигналів засобів вимірювання параметрів радіосигналів часто обумовлена неадекватністю математичних моделей сигналів і використовуваних критеріїв якості. Отже, обрано напрямок дисертаційних досліджень, пов'язаний з удосконаленням АОАС за рахунок оптимізації методів обробки сигналів з використанням адекватних математичних моделей і показників, критеріїв ефективності виконання операцій. Структурну схему АОАС наведено на рис. 1. Досягнення мети дисертаційних досліджень - підвищення частотної точності АОАС - можливе за рахунок застосування для синтезу статистичних методів обробки оптичних сигналів їх корпускулярно-хвильової математичної моделі і відповідних критеріїв якості вирішення задач оцінки частоти і розрізнення радіосигналів, що приймаються. Останнє дозволить відмовитися від застосування критерію Релея, який описує «технічну» межу розрізнення і точність вимірювання сигналів, при проектуванні АОАС. Це дасть змогу наблизитися до природної, флуктуаційної межі розрізнення у АОАС в задачі вимірювання параметрів радіосигналів.

Другий розділ містить результати розробки математичної моделі оптичних сигналів в фокальній площині АОАС. Також в другому розділі проведено аналіз розробленої математичної моделі, синтез алгоритму оцінки просторового положення оптичного сигналу у фокальній площині АОАС і аналіз його характеристик точності.

Під час розробки математичної моделі та статистичного синтезу оптимальної оцінки були використані підходи до описання оптичних сигналів, що базуються на основних положеннях хвильової і корпускулярної теорії світла, геометричної оптики і теорії дифракції.

Запропонована математична модель дозволяє описати структуру оптичного сигналу у фокальній площині АОАС, з урахуванням хвильової і корпускулярної структури оптичного випромінювання. З цієї позиції апаратну функцію можна уявити як просторовий розподіл інтенсивності оптичного сигналу у фокальній площині акустооптичного модулятора, з амплітудою електричної складової світлової хвилі в точці :

. (1)

Її реалізацію можна подати за допомогою випадкової величини, розподіленої по простору фотокатода за умовно-пуасонівським законом

, (2)

що описується багатовимірними дискретними функціями ймовірності

, (3)

. (4)

Задача синтезу оптимальної оцінки параметра зводилася до синтезу умовної оцінки невідомого параметра в умовах апріорної параметричної невизначеності. Таке формулювання задачі дозволило вибрати критерій синтезу оцінки на користь методу максимальної правдоподібності. Використовуючи (3) і (4), можна записати відношення правдоподібності:

. (5)

Це рішення отримано з урахуванням вибраного критерію та для випадку просторово-безперервної реєстрації дифракційної картини

. (6)

Отже, оптимальну оцінку параметра можна знайти з умови максимуму виразу (6) . Звідси для значень запишемо

, (7)

де . (8)

Як видно з (7), (8) процедуру пошуку оцінки параметра на практиці можна здійснити чисельними методами інтегрування. Вирази (7) і (8) визначають процедуру пошуку оптимальної, за критерієм максимуму відношення правдоподібності, оцінки параметра сигналу . У цьому випадку процедура обробки реалізації, що приймається, подібна кореляційній, коли реалізація, що приймається, перемножується на строб вигляду (рис. 2).

Детальний аналіз виразу (8), що описує форму оптимального строба при оцінці параметра , в області значень дозволяє побачити наявність невизначеності виду «». Для розкриття вказаної невизначеності введемо позначення , , тоді для (8) буде вірно

.

Після простих перетворень і відповідних підстановок остаточно отримаємо для вказаної межі такий запис:

.

Отже, невизначеність в (8) можна зняти, а значення функції в області, близькій до значення параметра , що шукається, дорівнює нулю. Дійсно, в силу асиметричності форми строба (рис. 2) відносно осі ординат результат інтегрування (8) дорівнюватиме нулю чи матиме значення, близьке до нуля за наявності перешкодової компоненти і квантових шумів сигналу.

Для визначення дисперсії оцінки параметра інтегрування сигналу по стробу змінного знака (8) інтеграл по всьому стробу можна замінити сумою

. (9)

Інтеграли (9) можна також уявити як суму інтегралів, що описують поведінку сигнальної та перешкодової складових

, , , . (10)

Позначивши помилку в оцінці параметра як , отримаємо вираз для величини дисперсії

, (11)

де (12)

Очевидно, що величина буде пропорційна енергії сигналу, що очікується.

На рис. 3 подана розрахункова залежність дисперсії оцінки при використанні прямокутного двополярного строба кінцевої тривалості для різних значень відношення сигнал/шум (рис. 3.а) та значень параметру (рис. 3.б).

При фіксованому розмірі дифракційної плями спостерігається мінімум дисперсії оцінки від тривалості строба (рис. 2). Наявність такого мінімуму припадає на точку збігу тривалості строба з розмірами дифракційної плями. Розузгодження параметрів строба з параметрами апаратної функції АОМ приводить до збільшення величини дисперсії оцінки.

У відповідності до синтезованого алгоритму пошуку оцінки, структурна схема якого подана на рис. 4. та запропоновано метод, його реалізуючий.

Третій розділ містить розгляд питань математичного описання адитивної взаємодії оптичних сигналів в АОАС, розглядається можливість застосування для вирішення задач просторового розрізнення оптичних сигналів у фокальній площині АОМ методів кореляційної обробки, отримані характеристики точності розробленого методу розрізнення оптичних сигналів.

У математичній моделі розглядається ситуація, коли на вхід аналізатора одночасно поступають два радіоімпульси прямокутної форми однакової одиничної амплітуди, але з різними несучими частотами , тривалостями і часом затримки (): .

Показано, що в цьому разі сумарний сигнал, що реєструється фотоприймачем, можна записати у вигляді

, (13)

де є сигналом за наявності на вході тільки -го імпульсу, а третій доданок

(14)

виникає як результат інтерференції перших двох.

Дані математичного моделювання підтверджують слабку ефективність алгоритму розрізнення сигналів при середньому (за критерієм Релея) розрізненні імпульсів, заснованому на фільтрації інтерференційного члена в (13) за допомогою пропускання через низькочастотний фільтр. Оскільки при таких значеннях розузгодження сигналів інтерференційний член порівнянний за величиною з відкликами від окремих імпульсів і дає порівнянний з ними внесок в сумарний сигнал виходу, то його фільтрація приведе до зниження рівня корисного сигналу і, відповідно, падінню ефективності такого алгоритму.

Математичне моделювання для випадку когерентних сигналів проводилося аналогічно вищезазначеному. Отримані результати повторюють (13), де

(15)

. (16)

Головна відмінність цих розрахунків полягає в тому, що в загальній частині двох радіосигналів на різних частотах можна знайти флуктуації амплітуди сигналу виходу з частотами набагато нижчими несучих частот досліджуваних монохроматичних радіосигналів. Розрахунки (15), (16) проводилися без інтегрування за часом, що дозволило знайти, визначити і ідентифікувати коливання на комбінаційних частотах, що неможливо при допущеннях, на яких базувалися попередні дослідження.

Задача синтезу була поставлена, як задача виявлення одиночних шумоподібних сигналів по зареєстрованій реалізації, а саме синтезувати оцінки і . При відомій формі апаратної функції і її параметрах, задачу можна звести до пошуку оцінок двох незалежних параметрів адитивної суміші, що характеризують просторове і взаємне положення спектральних складових радіосигналів.

Пошук оцінки параметра просторового положення адитивної суміші двох сигналів можна знайти з умови забезпечення максимально правдоподібної оцінки , яка при буде забезпечуватися при виконанні умови максимуму кореляційного інтеграла

, (17)

де - зображення реалізації адитивної суміші сигнальних і завадової складової у фокальній площині системи; - строб, сформований відповідно до параметрів очікуваного сигналу. Вираз (17) визначає суть методу розрізнення адитивної суміші двох оптичних сигналів АОАС, принцип якого, в загальному випадку, зводиться до відшукання «максимуму максиморум» інтеграла від добутку реалізації і строба. Топологія пристрою кореляційного вимірювача, що реалізує даний метод, наведено на структурній схемі (рис. 5).

Результати розрахунків величини кореляційного інтеграла для різних параметрів апаратної функції АОМ а і значень розузгодження між сигналами () наведені на рис. 6 та рис. 7.

З даних рисунків видно, що значення кореляційного інтеграла, крутизна піку поверхні і його положення однозначно визначаються параметрами сигналу, що очікуються.

У роботі отримано вирази для потенційної точності величини розузгодженя по частоті двох імпульсів за наявності помилок вимірювання шляхом вирішення рівняння Рао-Крамера для умов, що розглядаються

. (18)

Вирішення (18) дозволило визначити вирази для мінімальної дисперсії оцінки параметра розузгодження двох оптичних сигналів у фокальній площині АОАС

. (19)

Аналіз (19) показує, що залежність середньоквадратичної помилки оцінювання розузгодження сигналів за частотою від її величини носить періодичний характер, оскільки доданками в (19) є також періодичні функції. Проте при зменшенні величини періодичність на вибраному інтервалі стає менш помітною. При малому числі дискрет і невеликій величині розузгодження середньоквадратична помилка параметра порівняна з його величиною. Це означає, що отримання достовірних оцінок в цих умовах малоймовірно. Із збільшенням числа дискрет на вибраному інтервалі величина середньоквадратичної помилки складає менше 10% від величини параметра, що оцінюється, на всьому інтервалі.

Четвертий розділ включає в себе результати експериментальних досліджень, проведених з використанням методів імітаційного моделювання, що дозволяють констатувати можливість підвищення частотної точності АОАС при застосуванні розроблених оптимальних і квазіоптимальних методів оцінки просторового положення оптичних сигналів у площині зображень та їх розрізнення.

Основою для проведення імітаційного моделювання послужила математична модель оптичних сигналів АОАС, а також синтезовані методи.

Об'єктом моделювання були оптичні сигнали АОАС, предметом - процес їх формування і обробки, метою - перевірка працездатності розроблених методів, отримання експериментальних результатів для розробки пропозицій щодо їх технічної реалізації.

Перевірка адекватності математичної і імітаційної моделі процесам формування і обробки оптичних сигналів у реальних пристроях-прототипах здійснювалася шляхом порівняння законів просторового і часового розподілу сигналів у площині зображень АОАС за критерієм Колмогорова. Для його застосування була використана методика, що дає змогу пояснити дуалізм корпускулярних і хвильових властивостей фотонів, згідно з якою квадрат амплітуди оптичної хвилі в будь-якому місці простору можна інтерпретувати, як щільність ймовірності появи в цьому місці частинок світла - фотонів. Порівняльний аналіз даних математичного, імітаційного моделювання і експериментальних досліджень дозволив прийняти гіпотезу про їх адекватність.