Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 13. -

Вып. 4. - 2014. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/TITL-44.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-44-html/cont.htm

 

УДК 621.396.962

 

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО КОДОФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА В КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКЕ

 

Ó 2014 г. Митрофанов Д. Г., Азаров В. С., Терещенко А. А., Семченков С. М.

 

(semchenkov-1.doc)

 

В статье рассмотрены особенности приема и обработки широкополосного и сверхширокополосного кодофазоманипулированного сигнала в кольцевой антенной решетке. Приводятся основные аналитические выражения, описывающие тонкую структуру сигнала, отраженного точечной целью и принимаемого каждым антенным элементом кольцевой антенной решетки. Приведены рисунки диаграмм направленности и двумерной корреляционной при различных параметрах кодофазоманипулированного сигнала. На основе выявленных особенностей сделан вывод о необходимости разработки новых способов обработки кодофазоманипулированного сигнала в кольцевой антенной решетке.

Ключевые слова: кольцевая антенная решетка, кодофазоманипулированный сигнал, обработка широкополосного и сверхширокополосного сигнала, диаграмма направленности, двумерная корреляционная функция.

 

Кольцевые антенные решетки (КАР) представляют собой систему из-лучателей, размещенных вдоль одного или нескольких колец. КАР полу-чают все более широкое распространение в самых различных приложениях радиолокации и связи [1]. Основной причиной этого является свойство круговой симметрии таких решеток, благодаря которому упрощается реализация электронного сканирования за счет коммутации групп антенных элементов КАР, а также неизменность формы диаграммы направленности (ДН) в пределах 360°.

Среди многообразия типов КАР в последнее время получают развитие широкополосные (ШП) и сверхширокополосные (СШП) антенные решетки (АР) [2]. Достоинством таких антенных систем является высокая разрешающая способность по дальности и возможность быстрого обзора пространства, реализуемая за счет быстрого электронного сканирования ДН.

Несмотря на растущий в целом интерес к СШП АР, в том числе и кольцевым, в большинстве публикаций в качестве зондирующего сигнала рассматривается сверхкороткий импульс (СКИ), применение которого в силу недостаточной энергии возможно лишь на малых дальностях. Более предпочтительными с точки зрения одновременного получения высокой разрешающей способности и дальности действия являются протяженные радиоимпульсы с внутриимпульсной модуляцией, к числу которых относятся  кодофазоманипулированные (КФМ) радиоимпульсы.

Исследование особенностей такого сигнала в КАР является задачей настоящей статьи.

Простейшая геометрия кольцевой решетки представлена на рисунке 1. На этом рисунке R – радиус кольца, dxr, dyr – прямоугольные координаты элемента с номером r, β – направление излучения (приема) сигнала.

 

 

Рисунок 1 – Геометрия кольцевой решетки

 

Выражение, описывающее КФМ сигнал имеет вид

 

, tзr<t ≤ tзr + τи,               (1)

 

где tзr – время запаздывания сигнала антенного элемента с номером r;   – фазирующий множитель, величина которого равна

 

                                         (2)

 

Отраженный от точечной цели и принятый антенным элементом с номером n сигнал будет иметь вид

 

,

tзn + tзr < t ≤ tзn + tзr + τи, r = 0, …, R– 1.                                   (3)

 

Дальнейшая обработка сигнала вида (3) предполагает перенос его спектра на промежуточную или видеочастоту, преобразование в цифровой вид и выполнение в каждом канале антенной решетки согласованной корреляционной или фильтровой обработки.

После этого при помощи фазирующих множителей вида (2) в каждом отсчете дальности выполняется формирование диаграммы направленности (согласованная пространственная обработка). В результате формируется двумерная корреляционная функция (ДКФ), координатными осями которой являются азимут и дальность (время запаздывания).

Особенности применения СШП КФМ сигнала в КАР исследовались методом имитационного моделирования. При моделировании рассматривались решетки диаметром 0,5; 1 и 2 м. Средняя длина волны зондирующего сигнала 0,03 м. Расстояния между элементами антенной решетки равны половине длины волны. Число элементов в кольце составляет 104, 209 и 418 соответственно для диаметров решетки 0,5; 1 и 2 м. Ширина спектра сигнала изменялась от 100 МГц до 1 ГГц.

На рисунках 2–13 представлены результаты моделирования ДКФ сигналов, излученных и принятых кольцевой антенной решеткой. На рисунках 2, а–13, а показана сама ДКФ, на 2, б–13, б – ее главное сечение по оси азимута (ДНА), на 2, в–13, в – главное сечение по оси времени (огибающая сжатого сигнала).

Размерность на рисунках с ДНА – градусы, на рисунках с огибающей – отсчеты АЦП. Для более детального представления огибающей сжатого сигнала частота дискретизации задавалась в четыре раза выше ширины спектра сигнала.

 

а                                                   б                                            в

 

Рисунок 2 – ДКФ ПРИ, излученного и принятого кольцевой антенной

решеткой диаметром 0,5 м

 

На рисунке 2 представлена нормированная ДКФ простого радиоимпульса, излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 0,5 м. Направление фазирования здесь и далее составляет ноль градусов. Энергетические потери при исследовании широкополосных сигналов оценивались относительно пикового значения ДКФ простого радиоимпульса.

На рисунках 3–5 представлены ДКФ КФМ-радиоимпульса, излученного и принятого кольцевой антенной решеткой с диаметром 0,5 м. Ширина спектра сигнала составляла 100, 500 МГц и 1 ГГц для рисунков 3, 4 и 5 соответственно.

 

а                                                 б                                             в

 

Рисунок 3 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 100 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 0,5 м. Потери 1,1 дБ

 

а                                                  б                                            в

 

Рисунок 4 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 500 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 0,5 м. Потери 3,7 дБ

 

а                                               б                                              в

 

Рисунок 5 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 1 ГГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 0,5 м. Потери 7,5 дБ

 

Из результатов, представленных на рисунке 3, видно, что форма ДКФ и ее главные сечения практически не имеют искажений. Объясняется это тем, что этот сигнал не является СШП по отношению к решетке такого размера. Однако даже в этом случае наблюдаются энергетические потери около одного децибела.

Из рисунков 4 и 5 видно, что по мере увеличения ширины спектра сигнала наблюдаются расширение ДКФ по оси дальности и уменьшение ее пикового значения. Энергетические потери при ширине спектра сигнала 500 МГц составляют 3,7 дБ и увеличиваются до 7,5 дБ для сигнала с шириной спектра 1 ГГц.

На рисунках 6–8 представлены результаты моделирования процесса излучения, приема и обработки КФМ-радиоимпульса кольцевой антенной решеткой диаметром один метр. Из рисунков видно, что увеличение размеров решетки привело к увеличению искажений формы ДКФ по оси дальности и росту потерь.

 

а                                                  б                                            в

 

Рисунок 6 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 100 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 1 м.

Потери 1,6 дБ

 

а                                                 б                                              в

 

Рисунок 7 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 500 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 1 м.

Потери 7,6 дБ

а                                                  б                                            в

 

Рисунок 8 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 1 ГГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 1 м.

Потери 11,3 дБ

 

Так, уже для сигнала с шириной спектра 100 МГц потери составляют 1,6 дБ и возрастают до 11,3 дБ при расширении спектра до 1 ГГц. Очевидно, что столь существенные потери недопустимо велики.

На рисунках 9–12 представлены результаты, полученные применительно к кольцевой антенной решетке диаметром два метра. Из рисунков видно, что в этом случае уровень потерь достигает 16 дБ при использовании сигнала с шириной спектра 1 ГГц. Протяженность сжатого сигнала по дальности увеличивается в несколько раз. Как и прежде, не происходит существенных искажений формы ДНА.

 

а                                                б                                            в

 

Рисунок 9 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 100 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 2 м.

Потери 3 дБ

 

а                                                  б                                             в

 

Рисунок 10 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 500 МГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 2 м.

Потери 11 дБ

а                                                б                                             в

 

Рисунок 11 – ДКФ КФМ-радиоимпульса с шириной спектра 1 ГГц,

излученного и принятого кольцевой антенной решеткой диаметром 2 м.

Потери 16 дБ

 

Таким образом, особенности использования ШП и СШП КФМ-сигналов в кольцевых антенных решетках состоят в следующем:

энергетические потери появляются при любом направлении фазирования;

уровень потерь возрастает по мере увеличения ширины спектра зондирующего сигнала;

форма ДНА с увеличением спектра сигнала изменяется мало, происходит снижение ее уровня;

без принятия дополнительных мер при формировании и обработке протяженность сжатого сигнала по дальности не может быть меньше величины удвоенного диаметра кольцевой антенной решетки независимо от ширины спектра.

требуется разработка новых способов формирования и обработки такого типа сигнала в КАР.

 

Литература

 

1.  Разиньков С. Н. Синтез кольцевых антенных решеток с максимальными коэффициентами направленного действия и нулями диаграмм направленности / С. Н. Разиньков, А. В. Богословский // Антенны. – 2011. – № 5.

2.  Иммореев, И. Я. Практическое использование сверхширокополосных радаров / И. Я. Иммореев // Радиотехника и электроника. – 2009. – Т. 54. – № 1.

 

FEATURES USED ultra-wideband CODE PHASE-SHIFT KEYED MODULATING SIGNAL IN THE CIRCULAR ANTENNA ARRAY

 

Mitrofanov D. G., Romanchuk А. S., Terechenko А. А., Semchenkov S. M.

 

The article describes the features of the reception and processing of wideband and ultra-wideband code phase-shift keyed modulating signal a circular antenna array. The basic analytical expressions describing the fine structure of the signal reflected point goal and received by each antenna element circular antenna array. Drawings and diagrams of two-dimensional correlation with the different parameters code phase-shift keyed modulating signal. Based on the identified features of the conclusion of the need to develop new ways of processing code phase-shift keyed modulating signal on the ring antenna array.

Key words: circular antenna array, code phase-shift keyed modulating signal, processing of wideband and ultra-wideband signal, radiation pattern, the two-dimensional correlation function.

 

Военная академия войсковой ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации

 имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского

(ВА ВПВО ВС РФ)

Общество с ограниченной ответственностью

«Смоленский научно-инновационный центр

радиоэлектронных систем «Завант»

 

Поступила в редакцию 17.12.2014.