Принципы построения и методы оценки эффективности и погрешностей измерений характеристик нелинейных информационно-измерительных радиосистем ближнего действия

В диссертационной работе дополнительно исследованы следующие погрешности и законы их распределения:

- погрешность , обусловленная невысоким уровнем отношения сигнал/шум на входе приемников нелинейных РЛС и РНС (энергетическая погрешность);

- погрешность из-за несовершенства экранирования приемников нелинейных НИИРС от внешних и внутренних помех (погрешность экранирования);

- погрешность влияния переотражений от земли и окружающих предметов (погрешность переотражений).

Путем теоретического анализа и метрологических экспериментов показано, что систематические составляющие этих погрешностей могут быть аппроксимированы зависимостями следующего вида:

(16)

где - энергопотенциал источника радиоизлучения (ИРИ);

- чувствительность приемника нелинейного НИИРС;

- соответственно, эффективные площади антенн ИРИ и приемника НИИРС на частоте принимаемого сигнала;

- ширина занимаемой излучением полосы частот и ширина полосы пропускания приемника РТС, соответственно;

- коэффициент прямоугольности полосы пропускания приемника;

- площадь подверженной воздействию радиопомех экранированной поверхности корпуса приемника НИИРС;

- среднее значение ЭПР земли и фона на частоте приема.

Показано, что в типовых ситуациях можно использовать упрощенные соотношения

(17)

Масштабные коэффициенты подбирают опытным путем по результатам метрологических экспериментов, заключающихся в создании аттестованных электромагнитных полей, измерении мощности излучений и оценке соответствующих погрешностей.

Применение полученных соотношений позволяет оптимизировать метрологические характеристики НИИРС в типовых условиях их функционирования.

Восьмая глава содержит обобщение результатов исследований автора по проблеме реализации принципов построения и методов оценки эффективности НИИРС ближнего действия в практике их разработки и испытаний на эффективность, электромагнитную совместимость и радиолокационную заметность.

Наиболее значительные результаты заключаются в следующем. В практику испытаний РБД на эффективность и ЭМС введены информационные показатели для оценки точности измерения характеристик излучений и приема НИИРС.

Общий информационный показатель для оценки качества измерительной информации и средств измерений радиотехнических величин имеет следующий физический смысл. В качестве универсального показателя точности и эффективности НИИРС предложено использовать количественную меру различия между действительными (или принимаемыми за них) и измеренными значениями характеристик закона распределения измеряемой величины. Аналитическое выражение для показателя в общем виде выглядит как , где - мера различия между энтропийными коэффициентами действительного и измеренного законов распределения измеряемой величины, характеризующая отличие формы указанных законов распределения; - статистическая мера различия между средними квадратическими значениями действительного и измеренного законов распределения измеряемой величины. При использовании энтропийной меры различия выражение для универсального информационного показателя точности и эффективности принимает вид

(18)

где - условная энтропия.

Физический смысл показателя заключается в численном значении относительного количества измерительной информации, потерянной в процессе измерений из-за влияния погрешностей, имеющих в общем случае вероятностный характер. В диссертации предложена процедура количественной оценки показателя (18) экспериментальным методом, которая сводится к сравнению законов распределения измеряемой величины на входе и выходе измерительной системы с помощью выпускаемых серийно измерителей вероятностных характеристик (ИВХ).

Структурная схема установки для количественной оценки информационного показателя приведена на рис. 4. В качестве калиброванного источника случайных радиосигналов (КИРС) используют генераторы шума, генераторы случайных и шумоподобных сигналов, параметры которых подчиняются определенному закону распределения с известными характеристиками. Для определения значения показателя (18) включают КИРС на излучение и измеряют ПРВ сигнала излучения на приемном конце с помощью вспомогательного ИВХ, на входы которого одновременно подают образцовый и измерительный сигналы. Показано, что в установках подобного рода целесообразно измерять коэффициент взаимной корреляции и использовать его в качестве меры точности и эффективности.

Рис.4. Структурная схема измерительной установки

В работе приводятся примеры применения универсального показателя точности и эффективности в практике испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС. Так, например, при измерении шумовых излучений передатчиков при прохождении исходного измеряемого шума в виде нормального случайного процесса через функциональные преобразователи с нелинейными свойствами (например, детектор) происходит изменение формы ПРВ исходного процесса. На выходе нелинейного элемента - квадратичного детектора нормальный случайный процесс при выполнении условий нормализации преобразуется к одностороннему экспоненциальному вида

(19)

Энтропия этого распределения

(20)

Окончательная формула для оценки точности результата имеет вид

(21)

Получены также аналогичные (21) соотношения для логарифмической и линейной передаточных характеристик приемника НИИРС и показаны преимущества показателя точности вида (18).

Полученные результаты нашли практическое применение в линейных и нелинейных радиолокационных измерительных комплексах при измерении характеристик рассеяния радиолокационных целей, при разработке измерительных комплексов для антенных измерений и при испытаниях НИИРС на эффективность и ЭМС.

В заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты работы

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Усовершенствованы принципы построения, обоснованы структурные схемы и созданы экспериментальные установки, реализующие перспективную технику нелинейной радионавигации, радиопеленгации и радиодальнометрии, радиоподавления и технической защиты информации. Обоснованы требования к точности измерения дальности и угловых координат с помощью устройств и аппаратуры нелинейной радионавигации.

2. Применительно к теории и технике нелинейной радиолокации обоснованы алгоритмы оптимального обнаружения целей с нелинейными электрическими свойствами фильтровыми и корреляционными методами радиоприема, учитывающие специфику нелинейного рассеяния радиоволн и позволяющие оптимизировать структуру нелинейных обнаружителей и оценивать потенциальную точность определения параметров нелинейных радиолокационных целей.

3. Усовершенствованы схемы параметрических нелинейных обнаружительных устройств и получены расчетные соотношения для оптимизации характеристик нелинейных обнаружителей, использующих принципы параметрических эффектов в нелинейных рассеивателях.

4. На основе анализа новых информационных признаков излучений целей с нелинейными электрическими свойствами разработан защищенный патентом способ обнаружения нелинейного объекта с его распознаванием, отличающийся высокой вероятностью определения типа объекта (цели).

5. Развиты основы информационно-вероятностной теории приема и обработки сигналов в НИИРС. Обоснован альтернативный энергетическому энтропийный критерий качества приема, имеющий преимущества при обработке сигналов в нелинейных устройствах. Разработаны практически реализуемые структурные схемы и алгоритмы оптимальной обработки сигналов в НИИРС.

6. С помощью математического аппарата теории статистических измерений, теории принятия решений и методов интервального анализа разработана математическая модель метрологического обеспечения испытаний НИИРС на эффективность и ЭМС, описывающая в единой терминологии, показателях, критериях и методах измерений характеристик излучений и приема метрологические свойства и особенности НИИРС. Модель имеет иерархический характер (принципы - показатели - методы измерений) и математически описывает процедуру получения количественной информации об эффективности НИИРС и точности оценки информативных параметров систем.

7. На основе математической модели метрологического обеспечения НИИРС обоснованы обобщенный (эффективность/качество метрологического обеспечения) и частные показатели для оценки эффективности и точности функционирования НИИРС, отличающиеся от известных простым физическим смыслом, возможностью количественной оценки экспериментально-расчетным методом и предназначенные для антенных и радиолокационных измерений.

8. На основе теоретического и экспериментального анализа погрешностей ближней зоны, влияющих на точность оценки параметров и эффективность НИИРС, показано, что наиболее значительными из них являются систематические погрешности, обусловленные качеством экранирования измерительной аппаратуры, нелинейными эффектами при преобразовании и обработке сигналов, амплитудной и фазовой неравномерностью фронта электромагнитной волны, высоким уровнем ЭПР антенны. Показано, что учет и компенсация этих погрешностей с помощью предложенных специальных методических приемов обеспечивает повышение результирующей точности измерений в пределах (0,5 - 5) дБ. Обоснованы новые способы измерения характеристик излучения и приема НИИРС, отличающиеся улучшенной точностью измерений.

9. Разработаны способы измерений параметров ЭМС РЭС, отличающиеся от известных повышенной точностью измерений и возможностью реализации в ближней зоне и применяемые в практике испытаний НИИРС.

10. Получены аналитические соотношения для количественной оценки влияния характеристик рассеяния антенны на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне, подтвержденные данными экспериментальных исследований. Предложена новая запатентованная конструкция рефлекторной антенны, отличающаяся от известных пониженным уровнем ЭПР

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Занюк И. Т., Панычев С. Н. Оценка возможности контроля норм на характеристики побочных излучений и приема РЭС в зоне Френеля // Измерительная техника. 1990, №5. С. 56 - 58.

2. Дубина А. Р., Панычев С. Н. Информационно-вероятностная модель для оценки электромагнитной совместимости РЭС // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1990, №11. С. 96 - 98.

3. Панычев С. Н. Методика оценки влияния особенностей натурных условий измерений на точность определения энергетических характеристик излучающих систем // Радиотехника. 1991, №7. С. 11.

4. Михайлов Г. Д., Панычев С. Н. Оптимизация выбора условий измерений параметров электромагнитной совместимости ЭМС РЭС в промежуточной зоне по критерию точности // Измерительная техника. 1991, №10. С. 45 - 47.

5. Михайлов Г. Д., Панычев С. Н., Соломин Э. А. Научно-технические проблемы создания базы по сертификации антенн // Законодательная и прикладная метрология. 1993, №6. С. 33 - 38.

6. Панычев С. Н. Информационный показатель для оценки точности измерения шумовых излучений передатчиков РЭС // Измерительная техника. 1993, №7. С. 46 - 49.

7. Панычев С. Н., Соломин Э. А. Оценка влияния относительных размеров эталона и объекта на точность определения характеристик рассеяния радиолокационных целей // Измерительная техника. 1994, №1. С. 25 - 27.

8. Гладышев А. К., Иванкин Е.Ф., Панычев С. Н. Влияние характеристик рассеяния антенны на показатели качества функционирования РЭС // Измерительная техника. 1995, №2. С. 48 - 50.

9. Панычев С. Н., Соломин Э. А. Влияние характеристик рассеяния антенн на точность измерения параметров излучающих систем в ближней зоне // Измерительная техника. 1995, №5. С. 56 - 58.

10. Еремин В. Б., Панычев С. Н. Применение методов теории информации для оценки точности радиотехнических измерений // Метрология. 1996, №7. С. 24 - 36.

11. Еремин В. Б., Панычев С. Н. Характеристики рассеяния антенн и фазированных антенных решеток // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1997, №8. С. 61 - 70.

12. Панычев С. Н., Мусабеков П. М. Нелинейная радиолокация: методы, техника и области применения // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2000, №5. С. 54 - 61.

13. Панычев С. Н. Оценка влияния характеристик рассеяния антенн на энергетические параметры спутниковых систем связи // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2001, №3-4. С. 74 - 79.

14. Панычев С. Н. Методика расчета энергетических потерь в радиолиниях, обусловленных рассеянием радиоволн на антеннах СВЧ // Антенны. 2001. Вып. 5(51). С. 68 - 70.

15. Забалуев В. Е., Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Оптимальный фильтр для обнаружения объекта методом нелинейного радиолокационного зондирования // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2002, №3. С. 12 - 17.

16. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Оценка влияния характеристик антенны на точность определения расстояния в зоне дифракции Френеля методом фазовой нелинейной дальнометрии // Антенны. 2002. Вып. 7 (62), С. 65 - 67.

17. Панычев С. Н., Подлужный В. И., Хакимов Н. Т. Активный фазовый однопозиционный радиодальномер для измерения расстояния до объектов с нелинейными рассеивателями // Радиотехника. 2002, №12. С. 65 - 67.

18. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Статистический метод обнаружения флуктуирующей цели способом нелинейной радиолокации по энтропийному критерию различения // Телекоммуникации. 2002, №11. С. 21 - 25.

19. Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Принципы построения фильтрового квазиоптимального приёмника многочастотного нелинейного радиолокатора // Телекоммуникации. 2003, №1. С. 36 - 41.

20. Иванов А. В., Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Исследование влияния параметров антенны на точность отсчёта дальности однопозиционным фазовым нелинейным радиолокатором // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2003. Т. 6, №2. С. 49 - 53.

21. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Радиолокационное обнаружение нелинейного объекта методом зондирования шумоподобным сигналом // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2003, № 5. С. 39 - 42.

22. Параметрический метод обнаружения объектов с нелинейными рассеивателями /А. В. Иванов, С. Н. Панычев, В. И. Подлужный, Н. Т. Хакимов // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2003, №9-10. С. 11 - 16.

23. Кулюкин А. О., Панычев С. Н., Хакимов Н. Т. Способ нелинейной радиопеленгации методом интермодуляции источника радиоизлучения // Телекоммуникации. 2004, №2. С. 32 - 35.

24. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Нелинейная радиодальнометрия источника радиоизлучения методом преднамеренной перекрестной модуляции его сигналов // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. 2004, №9, С. 74 - 77.

25. Иванов А. В., Кузьминов Ю. В., Панычев С. Н. Оценка результирующей точности нелинейных антенных измерений методом интервального анализа // Антенны. 2005. Вып. 7 - 8. С. 79 - 82.

26. Авдеев В. Б., Панычев С. Н., Сенькевич Д.В. Методы и техника нелинейной радиодальнометрии и радиопеленгации (обзор) // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2005. Т. 3. №6. С. 27 - 35.

27. Алиев Д. С., Панычев С. Н., Сидоров В. Е. Методы нелинейной фазовой радиодальнометрии и их применение в антенной технике и связи // Телекоммуникации. 2006, №3. С. 36 - 39.

28. Авдеев В. Б., Бердышев А. В., Панычев С. Н. Сверхкороткоимпульсная сверхширокополосная нелинейная радиолокация // Телекоммуникации. 2006, №8. С. 23 - 27.

29. Нелинейные радио- и радиотехнические средства: современное состояние и перспективы развития / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, Г. Б. Волобуев, Н. И. Козачок, С. Н. Панычев // Нелинейный мир. 2006. Т. 4. №11. С. 628 - 638.

30. Авдеев В. Б., Панычев С. Н., Сенькевич Д. В. Энтропийно-вероятностный фильтр для обнаружения шумоподобных сигналов // Информационно- измерительные и управляющие системы. 2007, №6. С. 3 - 8.

31. Кравцов Е. В., Панычев С. Н. Математические модели для аппроксимации проходных характеристик нелинейных антенн // Антенны. 2007. Вып. 4 (119). С. 20 - 22.

32. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления / Д. С. Алиев, В. Б. Авдеев, М. С. Ваганов, С. Н. Панычев // Телекоммуникации. 2007. №7. С. 35 - 40.

33. Дидук Л.И., Никольский В. И., Панычев С.Н.Однопозиционный метод определения координат источника радиоизлучения в ближней зоне // Телекоммуникации. 2007, № 2. С. 31 - 34.

34. Панычев С. Н. Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов в нелинейных радиотехнических системах // Телекоммуникации. 2008, №6. С. 10 - 14.

35. Панычев С. Н., Кравцов Е. В. Информационно-энтропийный критерий качества приема радиосигналов // Телекоммуникации. 2008, №7. С. 32 - 37.

36. Панычев С.Н., Сенькевич Д.В. Способ нелинейной фазовой радиодальнометрии источников радиоизлучения // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4, №11. С. 40 - 42.

Книги:

37. Панычев С. Н. Нелинейные радиоизмерения и контроль характеристик изделий военной электроники: монография. - Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004. - 178 с.

38. Энергетические характеристики радиоканалов передачи-приема сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов: коллективная монография / Под ред. В.Б. Авдеева. Воронеж: Военный институт радиоэлектроники, 2004. - 104 с.

39. Мощные сверхкороткоимпульсные и сверхширокополосные электромагнитные излучения и их помеховое и поражающее воздействие на электронную аппаратуру передачи-приема, обработки и хранения информации: монография / В.Б. Авдеев и др.; под ред. В.Г. Герасименко, В.Б. Авдеева, А.В. Бердышева. - Воронеж: Научная книга, 2008. - 397 с.

Патенты и авторские свидетельства:

40. Пат. 2205419 Россия, G 08 В 13/28. Способ обнаружения нелинейного объекта с распознаванием типа нелинейности / С. Н. Панычев, Н. Т. Хакимов (Россия); заявл. 20.04.2001; опубл. 27.05.2003, Бюл. №15.

41. Пат. 2292058 Россия, МКИ G 01 S 7/38. Способ создания немодулированных активных помех / В. Б. Авдеев, А. Н. Катруша, С. Н. Панычев, Н. Т. Хакимов, Т. М. Хакимов (Россия); заявл. 29. 06.2005; опубл. 20. 01. 2007, Бюл. №2.

42. А. с. СССР №1524787. МКИ Н 04 В 17/00. Способ измерения относительных уровней мощности / С. Н. Панычев, В. Я. Климов; заявл. 30.06.87г.; опубл. Бюл. № 7.

43. А. с. СССР №1617390. МКИ G 01 R 29/10. Способ измерения диаграммы направленности антенны / С. Н. Панычев, В. Б. Авдеев, А. Б. Галузо; заявл. 07.02.89, опубл. 30.12.90г., Бюл. №48.

44. А. с. СССР №1705769. МКИ G 01 R 29/10. Способ определения диаграммы направленности антенны / В. Б. Авдеев, С. Н. Панычев; заявл. 23.06.89г. 1992, опубл. Бюл. №2.

45. А. с. СССР №14709716. МКИ G 01 R 29/10. Способ определения диаграммы направленности антенны / В. Б. Авдеев, С. Н. Панычев, Е. М. Воробьев, Д. Д. Герасименко; заявл. 03.11.88г., опубл. 1990, Бюл. №7.

46. Пат. Республики Казахстан №6321. МКИ Н 01 Q 19/10. Рефлекторная антенна и способ её юстировки / С. Н. Панычев (Россия); заявл. 28.03.1997г.; опубл. 15.06.1998, Бюл. №5.

47. Пат. 2292653 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ скрытного подавления подслушивающего устройства, содержащего микрофонный усилитель / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 12. 10. 2005; опубл. 2007. Бюл. №2.

48. Пат. 2292652 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ скрытного подавления подслушивающего устройства, содержащего логические электронные компоненты / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 12. 10. 2005; опубл. 2007. Бюл. №2.

49. Пат. 2300174 Россия. МКИ Н 04 К 3/00. Способ активного противодействия оптико-электронной телевизионной системе наблюдения / В. Б. Авдеев, А. В. Бердышев, А. А. Бурушкин, В. Г. Герасименко, А. Ю. Кораблев, С. Н. Панычев; заявл. 10. 01. 2006; опубл. 2007. Бюл. №6.

Статьи и материалы конференций:

50. Eremin V. B., Panitchev S. N. Influence of Antenna Scattering Characteristics on Parameters of Stations Funcfioning Quality. - Proceedings of 1996 Wroclaw EMC Symposium, Poland, 1996, p.p. 36 - 38.

51. Панычев С. Н. Информационно-статистический алгоритм оптимального обнаружения нелинейной радиолокационной цели методом зондирования шумоподобным сигналом // Физика и технические приложения волновых процессов: сб. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. Самара, 2003. С. 78 - 79.

52. Дубина А. Р., Панычев С. Н., Михайлов Г. Д. Оценка возможности контроля норм на параметры ЭМС РЭС в зоне дифракции Френеля // Сборник научных докладов Международного симпозиума по ЭМС. СПб., 1993. Ч. 2. С. 522 - 526.

53. Оценка эффективности средств создания мультипликативных помех, формируемых в передатчике стороннего радиоэлектронного средства / В. Б. Авдеев, Е. В. Кравцов, С. Н. Меркулов, С. Н. Панычев // Радиолокация, навигация, связь (RLNC - 2007): сб. докл. XIII Междунар. науч.-техн. конф., 2007. Т.3. С. 2016 - 2023.

54. Авдеев В. Б., Бердышев А. В., Панычев С. Н. Применение сверхкоротких сверхширокополосных импульсов в нелинейной радиолокации // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: труды I I-ой Всерос. науч. конф. Муром: Владимирский госуниверситет. 2006. С. 122 - 124.

55. Авдеев В. Б., Панычев С. Н. Сенькевич Д. В. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиолокации и противорадиолокации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Т.3. №4. С. 115 - 119.

56. Оценка эффективности параметрического нелинейного радиомаркера на основе контура с варикапом / С.Н. Панычев, А.В. Губин, Е.Б. Дмитриева, Д.В. Филиппов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т.4. №3. С. 25 - 27.

Размещено на Allbest.ru