Экспериментальные исследования особенностей многопараметрического управления диаграммой направленности антенной решетки в РЛС с кодофазоманипулированным сигналом

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В РЛС С КОДОФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМ СИГНАЛОМ

Митрофанов Д.Г.,

Кичулкин Д.А.,

Красавцев О.О.,

Лещев М. С.,

Семченков С.М.

УДК 621.391.161

В статье представлены отдельные результаты экспериментальных исследований по приему и обработке сверхширокополосного кодофазоманипулированного сигнала в акустической антенной решетке с электронным сканированием диаграммы направленности антенны.

Ключевые слова: сверхширокополосный кодофазоманипулированный сигнал, антенная решетка, электронное сканирование.

электронное сканирование сигнал диапазон антенна

Метод и способы, обеспечивающие формирование, излучение, прием и пространственно-временную обработку сверхширокополосных (СШП) протяженных импульсных сигналов с внутриимпульсной модуляцией в радиолокационных станциях (РЛС) с электронным управлением диаграммой направленности антенны (ДНА), результаты аналитических исследований и математического моделирования, свидетельствующие об эффективности указанных метода и способов приведены в [1].

Основным способом оценки адекватности результатов аналитических исследований и математического моделирования является их экспериментальная проверка.

Кодофазоманипулированный радиоимпульс - один из наиболее часто применяемых импульсных сигналов с внутриимпульсной модуляцией.

Задачей настоящей статьи является представление результатов экспериментальных исследований метода и способов пространственно-временной обработки протяженных СШП кодофазоманипулированных (КФМ) радиоимпульсов в антенной решетке с электронным сканированием ДНА.

Эксперимент выполнялся на 8-канальной линейной антенной решетке звукового диапазона волн. Выбор звукового диапазона объясняется тем, что волновые процессы в этом диапазоне схожи с процессами в радиодиапазоне, а по причине относительно низкой скорости звука не предъявляются жесткие требования к быстродействию системы формирования и обработки сигнала.

Схема экспериментальной акустической линейной антенной решетки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема акустической экспериментальной установки

На рисунке 1 введены следующие обозначения: 1 - 8-канальная
приемная звуковая антенная решетка; 1.1 - антенные элементы решетки (микрофоны); 1.2 - поворотный штатив; 2 - излучатель звуковых сигналов; 2.1 - звукопоглощающий рупор; 2.2 - звуковой динамик; 3 - ПЭВМ
формирования и обработки звуковой информации с 8-канальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Излучаемый сигнал формировался в ПЭВМ, преобразовывался в звуковой файл и по кабелю передавался на звуковой динамик.

В качестве приемных элементов решетки использовались микрофоны типа МКУ-2П, расположенные на расстояниях d=4 см друг от друга. Диаметр микрофона - 4 мм.

К выходу каждого из микрофонов через устройство сопряжения подключался АЦП, преобразующий принятый звуковой сигнал в цифровой вид. Сигнал с АЦП передавался в ПЭВМ, где выполнялась его обработка.

Исследовались два типа КФМ радиоимпульса: кодофазоманипулированный по закону 13-позиционного кода Баркера с несущей частотой 8 кГц, общей длительностью ф_и = 1625 мкс и кодофазоманипулированный по закону 128-позиционной М-последовательности с несущей частотой 8 кГц, общей длительностью ф_и = 16 мс. Длительность дискреты обоих сигналов ф_д = 125 мкс, длина волны л = 4,125 см, коэффициент широкополосности з = 1, на длительность одной дискреты приходится одно колебание звуковой несущей частоты.

Протяженность сжатого КФМ радиоимпульса с указанными выше параметрами по дальности, определяющая его разрешающую способность по данной координате, составляет 4 см.

Формирование ДНА решетки производилось при помощи фазированного суммирования напряжений всех каналов решетки согласно выражению

,

где Ш - направление фазирования, И - направление прихода сигнала, r - номер антенного элемента, л - средняя длина волны.

Для устранения неидентичности частотной характеристики (ЧХ) микрофонов выполнялась частотная коррекция каналов решетки известным способом расположения источника сигнала в нормали решетки (Ш = И = 0°). Корректирующие коэффициенты, вычисленные для этого направления, запоминались и использовались при коррекции сигналов, принятых с других направлений.

На рисунке 2 представлены ДНА отдельных микрофонов, полученные без коррекции и после коррекции неидентичности ЧХ микрофонов.

Рисунок 2 - Экспериментальные ДНА антенных элементов (микрофонов), полученные при приеме СШП КФМ-радиоимпульса до (а) и после (б)

коррекции неидентичности ЧХ каналов решетки

Результаты, представленные на рисунке 2, показывают, что ДНА микрофонов в исследуемом диапазоне углов имеют изрезанный вид (степень неидентичности достигает 40 %).

Объясняется это тем, что ДНА отдельных элементов (микрофонов) имеют различную форму. Выбранный способ коррекции выравнивает их только в направлении нормали антенны, что видно из рисунка 2 б. По мере отклонения направления прихода сигнала от нормали антенны неидентичность начинает сказываться все в большей степени. Известны способы коррекции неидентичности ДНА отдельных элементов антенных решеток во всем рабочем диапазоне углов, однако при выполнении эксперимента они намеренно не использовались в интересах доказательства возможности формирования и обработки СШП-сигналов при электронном сканировании ДНА антенной решеткой с неидентичными ДНА отдельных ее элементов.

На рисунке 3 представлена ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления фазирования И = 0° без коррекции ЧХ приемных каналов. На рисунке 4 представлена эта же ДКФ, полученная после коррекции частотных характеристик.

Рисунок 3 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 0° без коррекции ЧХ приемных каналов

Рисунок 4 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 0° после коррекции ЧХ приемных каналов

Результаты, представленные на рисунке 4, убедительно показывают, что коррекция неидентичности ЧХ позволяет полностью, вплоть до боковых лепестков, восстановить структуру КФМ-радиоимпульса, промодулированного 13-позиционным кодом Баркера. Из рисунка 4 видно, что ДНА имеет дифракционные максимумы. Объясняется это тем, что отношение d/л в данном случае равно 0,97.

После проверки алгоритмов коррекции неидентичности ЧХ приемных каналов исследовалось влияние отклонения направления прихода
сигнала от нормали антенны.

На рисунках 5 и 6 представлены ДКФ и их главные сечения, полученные по результатам моделирования и эксперимента в ситуации, когда направление прихода сигнала отклонено на 30° от нормали решетки.

Рисунок 5 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная моделированием для направления прихода сигнала И = 30°. Потери 10 дБ

Рисунок 6 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 30°. Потери 7 дБ

Результаты моделирования и эксперимента имеют схожий вид. Из рисунков 5, г и 6, г видно - отклонение от нормали привело к тому, что пиковые значения сжатых сигналов в различных каналах антенной решетки образовались в различные моменты времени. Это привело к расширению сечения ДКФ по оси дальности и появлению энергетических потерь.

Рисунок 7 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная моделированием для направления прихода сигнала И = 60°. Потери 13 дБ

Рисунок 8 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 60°. Потери 11 дБ

Рисунок 9 - Главные сечения ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученные Моделированием

Рисунок 10 - Главные сечения ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученные экспериментально

На рисунках 7 и 8 представлены аналогичные результаты, полученные для направления прихода сигнала 60° от нормали антенны. Видна степень дальнейшего увеличения потерь и искажений.

Обобщающие результаты в виде главных сечений ДКФ, сформированных для всех направлений прихода сигнала в секторе ±60°, полученные моделированием и экспериментально, представлены на рисунках 9 и 10.

Из рисунков видно, что если ограничиться допустимым уровнем
потерь в минус три децибела, то ширина сектора сканирования как
по результатам моделирования, так и эксперимента ограничена величиной ±10°, что явно мало.

Потери, оцененные путем моделирования, оказываются несколько больше потерь, полученных экспериментально. Объяснить это можно наличием некоторого фонового переотражения от стен помещения.

Частота дискретизации АЦП в четыре раза превышала ширину спектра сигнала. На рисунках 11-14 представлены результаты моделирования
и эксперимента, полученные при отклонениях направления прихода сигнала от нормали антенны на 30 и 60°.

Сравнение этих результатов с аналогичными, полученными без применения способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР, показывают, что потери и искажения КФМ-сигнала устранены.

Рисунок 11 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная моделированием для направления прихода сигнала И = 30° с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР. Потери 0,15 дБ

Рисунок 12 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 30° с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР. Потери 0,3 дБ

Рисунок 13 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная моделированием для направления прихода сигнала И = 60° с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР. Потери 0,2 дБ

Рисунок 14 - ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученная экспериментально для направления прихода сигнала И = 60° с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР. Потери 0,8 дБ

На рисунках 15 и 16 представлены главные сечения ДКФ, полученные путем моделирования и проведения эксперимента при отклонении направления прихода сигнала в секторе ±60°. Уровень потерь по результатам моделирования не превышает величины 0,2 дБ. Экспериментально полученный уровень потерь в секторе не превышает одного децибела.

Рисунок 15 - Главные сечения ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученные моделированием с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР

Рисунок 16 - Главные сечения ДКФ КФМ-радиоимпульса, полученные экспериментально с учетом способа фазовременного управления ДНА СШП АЦАР

Результаты исследований КФМ-сигнала с законом манипуляции М-последовательности практически полностью совпадают с приведенными результатами для 13-позиционного кода Баркера и по этой причине в работе не приводятся.

Заключительным этапом экспериментальных исследований в звуковом диапазоне стала проверка влияния отклонения направления прихода СШП-сигнала от нормали антенны на разрешающую способность по дальности и угловым координатам. Для этого звуковой сигнал в направлении решетки излучался одновременно двумя рупорами, отстоящими друг от друга по дальности приблизительно на 0,3 м и на половину ширины ДНА в азимутальной плоскости (разрешающая способность обоих типов СШП-сигнала 4 сантиметра).

В целом результаты экспериментальных исследований подтвердили справедливость положений, представленных в [1], и доказали возможность широкоугольного электронного сканирования ДНА антенной решетки,
использующей протяженный по времени сверхширокополосный сигнал
с внутриимпульсной модуляцией.

Литература

1.Абраменков В. В., Васильченко О. В., Муравский А. П. Обработка протяженных сверхширокополосных сигналов в РЛС с электронным сканированием ДНА//Электромагнитные волны и электронные системы, 2013. Т. 18. № 3. С. 7-9.

Размещено на Allbest.ru