Устранение искажений при локации пространства антенной решеткой с электронным сканированием со сверхширокополосным ЛЧМ-импульсом

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

УСТРАНЕНИЕ ИСКАЖЕНИЙ ПРИ ЛОКАЦИИ ПРОСТРАНСТВА АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ С ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ СО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМ ЛЧМ-ИМПУЛЬСОМ

Абраменков В.В.,

Васильченко О.В.,

Семченков С.М.,

Муравский А.П.

УДК 623.4

В статье показаны искажения, возникающие при обработке сверхширокополосных сигналов в антенной решеткой с электронным сканированием, а также описывается последовательность действий, позволяющая устранить данные искажения. Полученные результаты подтверждены имитационным моделированием.

Ключевые слова: сверхширокополосная антенная решетка, электронное сканирование диаграммой направленности антенны, ЛЧМ-импульс, искажения характеристики направленности.

искажение сверхширокополосный сигнал антенная решетка

В последнее время все большее распространение получают антенные решетки, использующие широкополосные (ШП) и сверхширокополосные (СШП) сигналы. Причина этого заключается в том, что антенные решетки обладают рядом преимуществ, связанных с возможностями электронного сканирования диаграммой направленности антенны (ДНА), адаптации ее формы к складывающейся сигнальной и помеховой обстановке. В свою очередь ШП и СШП сигналы имеют свои преимущества, основанные на высоком разрешении по дальности, помехозащищенности. Объединение преимуществ, которыми обладают антенные решетки и ШП и СШП сигналы позволяет существенно повысить основные тактические характеристики радиолокационных станций (РЛС).

Задача электронного сканирования ДНА при использовании ШП и СШП сигналов сложна сама по себе. Дополнительные трудности появляются за счет того, что на практике спектры таких сигналов искажены в силу различных причин. Характеристики направленности антенных элементов решетки отличаются по форме друг от друга, имеют различные фазовые характеристики. Эти факторы приводят к разрушению структуры сигналов, не позволяют сформировать ДНА требуемой формы. Результаты обработки СШП сигнала в 16-канальной линейной антенной решетке акустического диапазона волн полученные путем моделирования представлены на рис. 1-4, а полученные в результате обработки экспериментальных данных
на рис. 5-8. В качестве антенных элементов использовались микрофоны. Сигнал излучался из звукового динамика.

Излучаемый сигнал - прямоугольный линейно частотно модулированный (ЛЧМ) импульс со следующими параметрами: длительность импульса ф_и=0,05 с, девиация частоты Дf=5 кГц, частота дискретизации F_д=20 кГц, нижняя частота f_н=3 кГц, длительность сжатого импульса ф_{и сж}=50 мкс, коэффициент широкополосности з=2(f_в - f_н)/(f_в + f_н)=0,9.

Согласно принятой в настоящее время классификации к СШП относятся сигналы, у которых з>0,25.

На рис. 1-4 показаны результаты обработки сигнала с указанными параметрами, полученные моделированием (идеальный сигнал без искажений в идеальной антенной решетке). На рис. 1 представлен амплитудно-частотный спектр (АЧС) этого сигнала. На рис. 2 а входной сигнал первого канала решетки. На рис. 2 б сжатые сигналы всех 16-ти каналов. Направление прихода сигнала совпадает с направлением нормали решетки. По этой причине сигналы всех каналов совмещены по времени.

Рис. 1. АЧС прямоугольного ЛЧМ импульса

(моделирование)

Рис. 2. Прямоугольный ЛЧМ импульс и сжатые сигналы в 16-ти каналах решетки (моделирование)

На рис. 3 показана пространственно-временная двумерная корреляционная функция (ДКФ) сжатого сигнала.

На рис. 4 показаны главные сечения ДКФ, которые представляют собой ДНА (рис. 4 а) и огибающую сжатого сигнала (рис. 4 б).

На рис. 5-8 показаны аналогичные результаты, полученные экспериментально. Из рис. 5 видна степень искажения АЧС сигнала.

На рис. 6 а показан искаженный входной сигнал первого канала решетки. Из рис. 6 б видно, что в результате различных амплитудных и фазовых характеристик отличается как форма, так и временное положение сжатых сигналов 16-ти каналов. Форма существенно отличается от идеального сигнала, показанного на рис. 2 б.

Рис. 3. Пространственно-временная ДКФ сжатого прямоугольного ЛЧМ импульса (моделирование)

Рис. 4. Главные сечения ДКФ прямоугольного ЛЧМ импульса (огибающая сжатого сигнала и ДНА) (моделирование)

Рис. 5. АЧС прямоугольного ЛЧМ импульса (эксперимент)

Рис. 6. Прямоугольный ЛЧМ импульс и сжатые сигналы в 16-ти каналах решетки (эксперимент)

На рис. 7 показана ДКФ сжатого импульса. На рис. 8 - главные сечения ДКФ. Из рисунков видно, что структура сжатого сигнала разрушена, ДНА не сформировалась.

Рис. 7. Пространственно-временная ДКФ сжатого прямоугольного ЛЧМ импульса (эксперимент)

Рис. 8. Главные сечения ДКФ прямоугольного ЛЧМ импульса (огибающая сжатого сигнала и ДНА) (эксперимент

Представленные результаты доказывают необходимость разработки способа коррекции искажений характеристик направленности антенных элементов и спектра сигнала в широкополосной антенной решетке.

Для реализации способа необходимо сформировать цифровую копию «идеального» ШП сигнала, принятого с направления нормали решетки и имеющего нулевую дальность

,

где s - номер дискретного отсчета; S - число отсчетов в импульсе; f₀ - частота; ДT - интервал дискретизации; ц_s фаза дискретного отсчета с номером s, определяемая законом манипуляции; b - индекс частотной модуляции.

Поскольку направление прихода сигнала совпадает с направлением нормали решетки, в выражении (1) отсутствуют сомножители, связанные с номером антенного элемента. Копия вида (1) будет использоваться во всех каналах антенной решетки. Введем в (1) подстановку f₀ДT=X/N. С учетом этого получим

.

Для получения спектра выполним над последовательностью отсчетов (1) дискретное преобразование Фурье (ДПФ).

В результате получим выражение, описывающее спектральную составляющую с номером n идеального сигнала.

Запишем выражение для «идеального» сигнала, направление прихода которого не совпадает с положением нормали антенны и имеющего задержку t_з относительно нулевой дальности.

где - комплексная амплитуда сигнала; r - номер антенного элемента (канала решетки; ц_r - фазовый набег, зависящий от направления прихода сигнала; k₀ - номер дискретного отсчета, в котором начинается принятый сигнал.

Выражение для спектральной составляющей с номером n сигнала (4) имеет вид

Величина содержит все сомножители выражения (4), не зависящие от индекса суммирования s. Знак примерного равенства учитывает, что выражение (5) получено в предположении, что частота дискретизации сигнала достаточно высока. В этом случае можно считать, что величина (k₀ДT - t_з)?0.

Процесс коррекции искажений спектра состоит из этапа настройки и рабочего этапа.

На этапе настройки в направлении нормали антенной решетки излучается зондирующий сигнал. Переотраженный сигнал используется в качестве эталонного. После оцифровки сигнал переносится в начало дальности. Выражение, описывающее эталонный сигнал имеет вид.

где - комплексная амплитуда сигнала; a(t) - амплитудная модуляция сигнала, возникающая в результате искажений сигнала; ш_s - искаженная фаза s-го отсчета; g - искаженный индекс частотной модуляции; - комплексная характеристика направленности антенного элемента с номером r, которая в общем случае неодинакова в различных каналах. Над принятыми сигналами всех каналов решетки выполняется ДПФ. Выражение для спектральной составляющей с номером n канала r имеет вид

Корректирующие коэффициенты для каждой спектральной составляющей каждого канала антенной решетки формируются как отношение выражения (3) к (7).

Этап настройки завершается запоминанием коэффициентов (8).

На рабочем этапе излучаются и принимаются сигналы, время и направление прихода которых неизвестно.

Выражение, описывающее такой сигнал имеет вид

где - комплексная амплитуда принятого сигнала.

Выражение для спектральной составляющей с номером n сигнала канала r имеет вид

Коррекция выполняется путем перемножения напряжений (10) и корректирующих коэффициентов (8). Результат такого перемножения имеет вид

Сравнение этого выражения с выражением для идеального сигнала в идеальной антенной решетке (5) показывает, что они совпадают с точностью до постоянного множителя, что подтверждает возможность коррекции искажений характеристик направленности антенных элементов и спектра сигнала в широкополосной антенной решетке предложенным способом.

Для подтверждения этого вывода на рис. 9-12 показаны результаты эксперимента, аналогичные изображенным на рис. 5-8. Из рисунков видно, что искажения устранены с точностью до шумов, ДКФ, огибающая сжатого сигнала и ДНА близки по форме к изображенным на рис. 3, 4.

Представленные результаты эксперимента являются доказательством эффективности разработанного способа коррекции.

Рис. 9. Амплитудно-частотный спектр прямоугольного ЛЧМ импульса (эксперимент с коррекцией)

Рис. 10. Прямоугольный ЛЧМ импульс и сжатые сигналы в 16-ти каналах решетки (эксперимент с коррекцией)

Рис. 11. Пространственно-временная ДКФ сжатого прямоугольного ЛЧМ импульса (эксперимент с коррекцией)

Рис. 12. Главные сечения ДКФ прямоугольного ЛЧМ импульса (огибающая сжатого сигнала и ДНА) (эксперимент с коррекцией)

Таким образом, для реализации способа коррекции искажений характеристик направленности антенных элементов и спектра сигнала в широкополосной антенной решетке необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Сформировать спектр «идеального» сигнала вида (3);

2. На этапе настройки излучить и принять всеми каналами решетки эталонный сигнал;

3. Перенести эталонный сигнал в начало дальности;

4. Сформировать спектр эталонного сигнала;

5. Получить корректирующие коэффициенты (8) для каждой спектральной составляющей каждого элемента решетки;

6. На рабочем этапе излучать и принимать сигналы;

7. Формировать их спектры в каждом канале решетки;

8. Осуществлять коррекцию искажений согласно выражению (11)

ЛИТЕРАТУРА

1.Воскресенский Д. И., Канащенков A. И. Активные фазированные антенные решетки, Под ред. Д. И. Воскресенского и A. И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. 488 с: ил.

2.Ипатов В. Широкополосные системы м кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения, Москва: Техносфера, 2007. - 488 с.

3.Гимаров В. А., Дли М. И., Круглов В. В. Задачи распознавания нестационарных образов //Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2004. № 3. С. 92-96.

4.Дли М.И., Какатунова Т.В. Нечеткие когнитивные модели региональных инновационных систем // Интеграл. 2011. № 2. С. 16-18.

5.Бояринов Ю. Г., Борисов В. В., Мищенко В. И., Дли М. И. Метод построения нечеткой полумарковской модели функционирования сложной системы // Программные продукты и системы. 2010. № 3. С. 26.

6.Гимаров В. А., Дли М. И., Битюцкий С. Я. Нейро-нечеткий метод классификации объектов с разнотипными признаками //Системы управления и информационные технологии. 2004. Т. 16. № 4. С. 13-18.

7.Бояринов Ю. Г., Стоянова О. В., Дли М. И. Применение нейро-нечеткого метода группового учета аргументов для построения моделей социально-экономических систем // Программные продукты и системы. 2006. № 3. С. 7.

Размещено на Allbest.ru