CC BY
218
УДК 621.396.677.33 В. А. БЕРЕЗОВСКИЙ
И. Д. ЗОЛОТАРЁВ Е. Ю. МИХАЙЛОВ
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского
ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНЫХ МЕТОДОВ ПЕЛЕНГАЦИИ В СИСТЕМЕ С ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ
Исследовано влияние искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем и цифровым диаграммообразующим устройством, на точность амплитудных методов пеленгации. Представлены результаты моделирования диаграммы направленности цифрового диаграммообразующего устройства. Оценена погрешность пеленгации. Ключевые слова: цифровое диаграммообразующее устройство, амплитудные методы пеленгации, многолучевая диаграмма направленности.
Использование антенных решеток (АР) в задачах радиопеленгации не всегда подразумевает применение их свойств направленности. Однако в случае пеленгации сигналов с низким отношением сигнал/ шум усиление сигнала за счет формирования максимума диаграммы направленности (ДН) в направлении его прихода является главной функцией антенной решетки. Из этого следует, что в подобных случаях необходимо применять методы пеленгации, основанные на использовании направленных антенных решеток, одними из которых являются амплитудные методы.
Теория амплитудных методов пеленгации, реализованных на основе фазированных антенных решеток (ФАР), подробно описана в работах [1 — 2]. Однако в настоящее время стремительное развитие получают системы, использующие цифровые антенные решетки (ЦАР) [3]. Исследование различных методов пеленгации в системах с ЦАР с целью их усовершенствования является актуальной задачей.
Целью данной работы является исследование влияния искажений, вносимых аналого-цифровым преобразователем и цифровым диаграммообразующим устройством (ЦДОУ), на точность определения угла прихода сигналов при реализации амплитудных методов пеленгации.
ЦАР — это антенная система, в которой сигнал, приходящий на каждый антенный элемент (АЭ), подвергается аналого-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке. Это позволяет обеспечить высокую скорость управления ДН, сопровождать быстро перемещающиеся объекты и следить за многими объектами в реальном времени [4].
В состав аппаратных средств ЦАР должны входить набор цифровых радиоприемных устройств (ЦРПУ) и ЦДОУ [4]. Структурная схема системы цифрового формирования ДН представлена на рис. 1.
Процесс цифрового формирования ДН представляет собой перемножение массива отсчетов комплексных выходных напряжений приемных каналов, полученных в единый момент времени, с отсчетами комплексных весовых коэффициентов, определен-
ными в результате синтеза ДН в расчетной электронно-вычислительной машине (ЭВМ) [5]:
(1)
где п= 1, ..., А—номер элемента АР, а — азимутальный угол, Р — угол места, !5п (а,Р) —входной оцифрованный сигнал, принятый п-м излучателем, реализованный в виде квадратурных составляющих, Шп — весовые коэффициенты, обеспечивающие необходи-мое амплитудно-фазовое распределение токов в АР:
„Л
(2)
Перемножение сигналов с весовыми коэффициентами происходит в ЦДОУ, на входы которого поступают цифровые отсчеты квадратур с 2Ы каналов цифрового РПУ.
При пеленгации источников излучения в определенном секторе углов осуществляется сканирование лучом ДН (метод максимума) или сканирование двумя взаимно-перекрывающимися лучами ДН (равносигнальный метод) в пространстве. При увеличении сектора обзора и, как следствие, возрастании времени обзора существует вероятность пропустить сигнал, если он является кратковременным. Снизить данную вероятность позволяет увеличение количества парциальных независимо управляемых ДН в К раз за счет увеличения каналов
АР Ї ЦГГІЇ ЦДРУ
/ —N
и. 1
Г .V
ТУ
■>іам
Рис. 1. Цифровая антенная решетка
П=1
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
255
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Рис. 2. Цифровое диаграммообразующее устройство
Рис. 3. Комплексный умножитель, входящий в состав ЦДОУ
ЦДОУ. Таким образом, происходит разбиение сектора обзора на более узкие сектора, в каждом из которых происходит сканирование лучами ДН. При этом время обзора уменьшается в К раз.
При одновременном формировании К парциальных ДН первым этапом работы ЦДОУ является разделение 2Ы входных каналов на 2АХК каналов. Далее происходит умножение цифровых отсчетов квадратур на весовые коэффициенты и последующее суммирование по N каналам.
5(к\а Ь) = ¿¡п (а Ь) = £ К (а,р№)® +
п=1 . п=1 . .
+ЛЖ„е Грп + ]е„), (3)
где 5(к\а,Р) -к-япарциальная ДН, 1п, Оп — цифровые отсчеты синфазной и квадратурной составляющих входных сигналов, (Ш'п)® , (Ж^)® —цифровые отсчеты синфазной и квадратурной составляющих весовых коэффициентов, Рп(а,Р) — ДН п-го излучателя, к = 1, ..., К—номер канала.
Преобразуем выражение (3)
5»»(а, Р) = £К(а, РХ1*(ЖГ} -Яп(Ке)®) +
+ Р(а РШ„(№ Г) + Ь(Кв)® =
(4)
= ^ )(а,Р) + \а,Р),
где Б^к) (а,р), 50(А) (а,Р)— соответственно синфазная и квадратурная составляющие к-й парциальной ДН. На рис. 2 представлена структурная схема ЦДОУ, в котором осуществляется параллельное формирование К парциальных ДН с независимым управлением.
Согласно выражению (4), комплексный умножитель, входящий в состав ЦДОУ, должен иметь структуру, представленную на рис. 3. В этом случае на выходы ЦДОУ будут выводиться результаты синтеза парциальных ДН.
Для исследования влияния искажений, вносимых АЦП и ЦДОУ, на точность определения угла прихода сигналов было проведено математическое моделирование формирования ДН при использовании АЦП и комплексных умножителей с различной разрядностью.
На рис. 4 представлены результаты расчета ДН 26-элементной кольцевой антенной решетки, формирующей две парциальные ДН, разнесенные на углы ±5о, для непрерывного сигнала (штриховая линия) и для цифрового сигнала (непрерывная линия) при наличии 4-разрядного АЦП и 4-разрядного комплексного умножителя.
Как видно из рис. 4, ДН, формируемая ЦАР, заметно отличается от идеальной ДН в области главных максимумов, что приводит к ошибке в определении угла прихода сигнала методом максимума. В области линейной центральной части главных лепестков отличия не столь большие, что говорит о преимуществе использования равносигнального метода по сравнению с методом максимума. Оценим ошибку определения угла прихода сигнала при использовании равносигнального метода, построив пеленгационную характеристику.
Как видно из рис. 5 ошибка определения угла прихода сигнала составляет не более 0,7 градуса, в то вре-= мя как при использовании метода максимума ошибка составляет не более 2 градусов.
Увеличим разрядность АЦП и ЦДОУ до 6 бит. ДН ЦАР, соответствующая этому случаю, представлена на рис. 6. Из рисунка видно, что кривая, соответствующая 6 битам квантования, практически не отличается от кривой, для непрерывного сигнала в канале, При этом ошибка определения угла прихода сигнала составляет менее 0,1 градуса, что в несколько раз меньше максимальной точности равносигнального метода при данной ширине ДН. При использовании метода максимума пеленгации ошибка составляет 1 градус, что также меньше максимальной точности данного метода.
п=1
п=1
а> град
Рис. 4. Идеальная ДН (штриховая линия) и ДН ЦАР с разрядностью АЦП и ЦДОУ - 4 бита (непрерывная линия)
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-I
а, град
Рис. 5. Пеленгационная характеристика для идеальной ДН и ДН ЦАР
\F(a) |
а, град
Рис. 6. Идеальная ДН (штриховая линия) и ДН ЦАР с разрядностью АЦП и ЦДОУ - 6 бит (непрерывная линия)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Из вышесказанного следует, что для формирования луча ДН достаточно оцифровывать входной сигнал с точностью до 6 бит квантования, при этом ошибка пеленгации меньше максимальной точности амплитудных методов пеленгации. Дальнейшее увеличение разрядности АЦП и цифрового умножителя приводит к увеличению точности определения угла прихода сигнала.
Проведенные в данной работе исследования показали, что ЦАР вносит заметную погрешность в определение угла прихода сигнала методом максимума и равносигнальным методом лишь при малом числе бит представления данных.
Таким образом, быстрое развитие вычислительной техники делает возможным переход антенной техники и радиотехники в целом на новый качественный уровень. Кроме того, развитие и удешевление элементной базы может значительно снизить стоимость подобных антенных систем, что позволяет надеяться на широкое распространение цифровых антенных решеток и использование их преимуществ.
Библиографический список.
1. Леонов, А.И. Моноимпульсная радиолокация [Текст] / А. И. Леонов, К. И. Фомичев — М.: Радио и связь, 1984. — 312 с.
2. Свиридов, Э.Ф. Сравнительная эффективность моноим-пульсных радиолокационных систем пеленгации [Текст]/ Э.Ф. Свиридов — СПб.: Судостроение, 1964. — 116 с.
3. Слюсар, В. Цифровые антенные решетки — будущее радиолокации. [Текст] / В. Слюсар // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2001. — № 3. — С. 42 — 47.
4. Кольчугин, И.Ю. Анализ вариантов построения цифрового диаграммообразующего устройства [Текст] / И. Ю. Кольчугин, Е.Н. Маслов // Вестник СОНИИР. - 2008. - № 2. - С. 62-67.
5. Активные фазированные антенные решетки [Текст] / Братчиков А.Н. [и др.]; под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащен-кова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.
БЕРЕЗОВСКИЙ Владимир Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского, директор Омского научно-исследовательского института приборостроения.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] ЗОЛОТАРЁВ Илья Давыдович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected] МИХАЙЛОВ Евгений Юрьевич,научный сотрудник Омского научно-исследовательского института приборостроения, аспирант кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 01.06.2010 г.
© В. А. Березовский, И. Д. Золотарёв, Е. Ю. Михайлов
УДК 621.371.55/621.396.7 В. С. БУДЯК
В. П. КИСМЕРЕШКИН А. А. ВОРФОЛОМЕЕВ, О. В. КАРАСЁВА
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ
Представлены результаты оценки энергетических потерь в коротковолновых радиолиниях, возникающих из-за несогласованности характеристик коротковолновых приемных и передающих антенн из состава приемопередающих радиоузлов с динамическими параметрами радиотрасс.
Ключевые слова: низкоэнергетические КВ системы радиосвязи, согласованность характеристик направленности КВ антенн с параметрами радиотрасс.
Разработка асимметричных коротковолновых (КВ) систем связи с подвижными корреспондентами как общегражданского назначения [1 — 2], так и предназначенных для организации специальной радиосвязи [3 — 4] является актуальной. В таких системах связи корреспондентские радиостанции (переносные или размещаемые на подвижном объекте), характеризующиеся низким энергетическим потенциалом (низкоэнергетические КВ системы радиосвязи), вза-
имодействуют с радиоузлами корпоративной системы связи, в состав которых входят комплексы приемных и передающих антенн повышенной эффективности [1 — 2]. В процессе проектирования таких систем связи необходима оценка степени согласованности пространственных параметров приемных и передающих антенных комплексов радиоузлов с динамическими параметрами КВ радиотрасс различной протяженности для реальных геофизических условий (ГФУ).
