Определение пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) широко применяются в различных областях техники: системах связи, радиоизмерениях, радионавигации, радиолокации. При решении задач повышения энергоэффективности систем связи и ряде других требуется определение пространственных параметров элементов этих систем. Устройства определения пространственных параметров могут быть построены на основе антенных решеток при наличии многоканальной обработки принимаемых сигналов, что является ограничением для их применения. Для систем расположенных на подвижных носителях хорошо зарекомендовали себя устройства, построенные на основе доплеровского метода. Антенная система таких устройств состоит из одного элемента, но влияние девиации частоты сигналов источников приводит к систематическим погрешностям определения пространственных параметров.

В работе [1] предложены математическая модель и алгоритм решения задачи определения углового положения источников OFDM сигналов на основе применения виртуальных частотных решёток. В ней рассматривается задача при условии применения аппаратно-программного средства, которое расположено на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации частоты сигналов источников. Область применения разработанного научно-методического аппарата не ограничивается случаем OFDM сигналов. Она может быть расширена на случай определения пространственных параметров источников любых широкополосных сигналов, в том числе и источников ЛЧМ-сигналов. Цель работы: обеспечение определения пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации частоты их сигналов.

Решаемая задача: разработка методики оценки пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации частоты их сигналов.

Рассмотрим математическую модель ЛЧМ-сигнала , мгновенная частота которого линейно меняется в диапазоне от до за время , описывается выражением:

, (1)

где - центральная частота ЛЧМ-сигнала; - скорость изменения мгновенной частоты ЛЧМ-сигнала; - начальная фаза сигнала; - амплитуда сигнала; - мнимая единица. В диапазоне частот ЛЧМ-сигнала можно выделить характерные частоты (примером характерных частот для OFDM сигналов являются частоты подканалов [1]):

, , (2)

где - количество характерных частот, - обозначение отбрасывания дробной части; - разность между характерными частотами, определяемая параметрами аппаратно-программного средства; - частота дискретизации.

В этом случае обобщенную математическую модель задачи определения пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации частоты их сигналов примет вид:

, (3)

где - пространственные параметры (например, угловые); - ширина полосы ЛЧМ-сигнала, соответствующего стандарту; - вектор скорости перемещения подвижного носителя; - измеренная разность характерных частот ЛЧМ-сигналов.

Методику оценки пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации их частоты можно представить в виде следующей последовательности действий:

1. Выполняется процедура приёма сигналов от источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе;

2. Во время приёма измеряются и запоминаются характеристики вектора скорости подвижного носителя, пространственные координаты антенны и выполняется оценка разности характерных частот ЛЧМ-сигналов .

3. По результатам измерения формируется вектор первичных пространственно-информационных параметров сигнала. Компонентами этого вектора являются измеренные значения .

4. Определяются векторы опорного пространственного сигнала для различных значений с учётом измеренного значения модуля вектора скорости . Компоненты вектора рассчитываются по формуле:

, (4)

где - скорость распространение электромагнитных волн.

5. Выполняется оценка углового положения источников ЛЧМ-сигнала относительно вектора скорости подвижного носителя на основе процедуры решения оптимизационной задачи [2]:

(5)

где T - обозначение операции транспонирования; - обозначение нормы.

В качестве примера применения разработанной методики рассмотрим построение зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) оценки углового положения источника ЛЧМ-сигналов от модуля вектора скорости подвижного носителя и углового положения источника для следующего набора данных: км/ч; источник СШП неподвижен или его скорость мала по сравнению с ; сигналы источников используют ЛЧМ для расширения спектра. Центральная частота ЛЧМ-сигнала от МГц; ширина полосы ЛЧМ-сигнала = 1МГц; время = 10 мс.

При формировании вектора учитывалась факторы: ОСШ 20 дБ, многолучевость (не более 4), а также частотно селективные замирания и искажения, связанные с эффектом Доплера.

Для этих условий методом имитационного моделирования с числом экспериментов 1000 для каждого набора условий в соответствии с разработанной методикой получены оценки углового положения источников ЛЧМ-сигнала и рассчитано СКО для различных значений модуля скорости , и углового положения , источника ЛЧМ-сигнала (Рис. 1)

Рис. 1. Зависимость СКО оценки углового положения от модуля скорости и углового положения

пространственный сигнал частотный модуляция

Теоретически точность определения пространственных параметров определяется погрешностями определения искажений частотно временного плана излучаемого ЛЧМ-сигнала. Эти искажения тем больше, чем больше величина проекции скорости подвижного носителя на направление на источник излучения сигнала и чем больше ширина полосы излучаемого сигнала.

Полученные результаты (Рис. 1) не противоречат теоретическим зависимостям. При этом СКО определения углового положения источников ЛЧМ-сигнала для углов из диапазона от -70 до 70 при скорости перемещения подвижного носителя 90 км/ч составила менее 0,75.

Таким образом, разработанная методика оценки пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов аппаратно-программным средством, расположенным на подвижном носителе с одноэлементной антенной в условиях девиации частоты сигналов источников позволила обеспечить определение пространственных параметров источников ЛЧМ-сигналов. СКО определения углового положения источников ЛЧМ-сигналов составила менее 0,75 для углов из диапазона от -70 до 70 при скорости 90 км/ч.

Литература

1. А.В. Аверьянов, П.П. Гончаров, А.А. Строцев Обобщённые решётчатые структуры для оценки углового положения источников радиоизлучения // 19-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение-DSPA-2017». Доклады. Выпуск XIX, т.1, М: РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2017. - С. 41-44.

2. А.В. Аверьянов, Ю.А. Ломанцова, А.А. Строцев, И.А. Сухенький Двухэтапный алгоритм работы многоканального корреляционного интерферометра // Общие вопросы радиоэлектроники. - 2016. - №1. - С.35-49.

Размещено на Allbest.ru