автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование методов электронной стабилизации многолучевых диаграмм направленности антенн

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ПАЛАЗИЕНКО АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОЛУЧЕВЫХ ДИАГ РАММ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН

Специальность: 05.13.14 - системы обработки информации и управления

ТАГАиПЛГПГМЙ П А ПТ/К-ЧТСЛ^ТУТ*ТТС/-ЧГТ,ГТ1 ни 11И1 ЧУ 1 ч^^хш 1 11 г ,

П Г П л ч УНИВЕРСИТЕТ

Р Г 5 ОД

1 Я «а. *Г,г>г*

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 1996

Работа выполнена в Таганрогском государственном радиотехническом университете

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Л.К.Самойлов

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

О.Н.Пьявченко

доктор технических наук, профессор Е.И.Духнич

Ведущее предприятие:

НИИ "Бриз", г.Таганрог

Защита состоится "___"__

1996 г. в

ча-

сов на заселении специализированного совета Д 063.13.02 по присуждению ученых степеней в Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу : 347928, Таганрог ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44, ауд.Д-406. ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "_"_1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

А.Н.Целых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I. Актуальность проблемы. Успешное решение задач эффективного мчимьЮиании йодных ресурсов, безопасного судовождения л контроля за состоянием,модной среды в значительной мере зависит от степени и уровня оснащенности судов различного назначения гидроакустическими средствами, так как акустическое поле порой является единственным источником информации о состоянии водной среды и объектах расположенных под водой и на ее поверхности.

Создаваемые в настоящее время многофункциональные гидролокационные станции (ГЛС) (решение задачи поиска, сопровождения нескольких целей, передачи данных и т.д.) используют фазированные антенные решетки (ФАР). Ядром таких систем является электронный формирователь диаграмм направленности (ДФ), который формирует сканирующую диаграмму направленности (ДН) (последовательный обзор), либо статический веер диаграмм (параллельный обзор). Современные требования к точности и скорости решения задач пеленгования и сопровождения цели вынуждают разработчиков средств ГАС создавать электронные формирователи с шириной луча диаграммы порядка 1-2 градусов. Носители такт антенн (корабль, буксируемая платформа) подвержены постоянному влиянию факторов (качка моря, вибрации), которые дестабилизируют положение антенны, а следовательно, и веера диаграмм в пространстве. Амплитуда качки может достигать 10-15 градусов, что сводит на нет усилия по увеличению точности пеленгования объектов.

Предлагаются различные механические и электронные способы стабилизации в пространстве таких ДН в условиях качки и вибрации носителя. Реализация механических способов сопряжена с трудностями из-за инерционности исполнительных механизмов. Существующие алгоритмы электронной стабилизации оказываются работоспособными лишь при значительных ограничениях к характеристикам ГАС. Аппаратурная или программная реализация этих способов приводит либо к чрезмерным затратам оборудования, либо не-обеспечивает должной производительности. ,

Таким образом, существут проблема исследования методов элек-. тронной стабилизации многолучевых диаграмм направленности и разработки на его основе оптимальной программно-аппаратной системы стабилизации, в связи с чем тема диссертационной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является исследование методов п разработка оптимальной программно-аппаратной системы электронной стабилизации многолучевых диаграмм направленности с учетом современного состояния и тенденций развития аналоговой и цифровой техники.

. Основные задачи исследования.

1. Анализ возможных способов построения диаграммоформпровак:-лей с учетом влияния качки и вибрации носителя на качесшо решения за-

дич пеленговании п слежения п разработка укрупненной классификации возможных систем со стабилизацией.

3. Исследование устройств систем формирования статическою веера диаграмм с целью построения систем с дискретной стабилизацией комму-1;штншо1 о типа.

4. Исследование структур систем временного типа и фазового типа с непрерывным сканированием веера диаграмм и их сравнительного анали-;а с сиаемами коммуташюшюго типа с дискретной стабилизацией.

5. Анализ системных вопросов работы ДФ с дискретной стабилизацией.

(>. Ра ¡работка имитационной модели и проверка полученных резуль-I а I он с ее помощью.

Научная новизна работ.

I. Предложен принцип перекоммугацин лучей при стабилизации веера диаграмм направленности.

1. Докашна во ¡можноез 1. построения и разработана структура оти-ма.н.ною по аппаратурным за тратам многоступенчатого ДФ с дискрет ж :н сабилп нишей.

3. Разработана зффекппшая многоступенчатая структура ДФ со стабилизацией для узкого сектора обзора.

4. Разработан алгоритм расчета оптимальной схемы формирования и перекоммутации диаграмм ступеней многоступенчатого ДФ.

5. Предложена структура комбинированного ДФ с перекомму тацнен лучей при больших углах качки н непрерывным сканированием в пределах луча.

(>. Предложен принцип включения режима стабилизации веера оператором при наличии цели в каналах ГАС.

7. Разработана структура синхронизатора переключений веера диаграмм в моменты равенства мгновенных значений сигнала в соседних дна-I раммах.

8. Разработаны принципы функционирования и структура зкетрапо-ляцип сигнала качки и управляющих воздействий в реальном .масштабе времени.

Практическая ценность работы заключается в том. что исследование средсзв дшн раммоформировання позволило получить структуры ДФ, стабилизирующие положение веера диаграмм направленности в пространстве.

Предложенный в диссертации принцип стабилизации диаграмм их перекомму заиией привел к созданию многоступенчатой структуры ДФ и специальных негшмш агельнмх средств, которые позволили решить гд.щ.чу I (абилнзании в .максимально широком спектре существующих в настоящее время ДФ с минимальным ухудшением их характеристш и затратами оборудования.

Комбинированная структура на основЬ элементов дискретных и непрерывных систем со стабилизацией обеспечила оптимальную погрешность стабилизации ДН в пространстве в широком сектсрё обзора.

Разработка синлринюатора переключений уменьшила нежелательные разрывы фаз сигнала при коммутациях, а экстраполяция качки и управляющих воздействий обеспечила работу многоступенчатых структур и разгрузила устройство управления ДФ, делая это в реальном масштабе времени.

Таким образом, полученные результаты позволили качественно улучшить уровень решения задач пеленгования и слежения с минимальными аппаратными затратами и в рамках существующих сейчас систем.

Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы и внедрены при выполнении хоздоговорной работы № 12307 (НИИ "Риф") и двух госбюджетных НИР (№ ГР 01950004517 и "Салют-М"), что подтверждено соответствующим актом.

Апробация работы. По результатам работы делались доклады на Всесоюзной конференции "Проблемы разработки и внедрения микропроцессорных комплексов с сетевой архитектурой", Севастополь, 1990; 8-й межотраслевой научно-технической конференции по цифровой обработке информации, Таганрог, 1990; Всесоюзной научно-технической конференции "Измерительные информационные системы", С.-Петербург, 1991; Областной научно-технической конференции посвященной Дню радио, Ростов-на-Дону, 1992.

Результаты работы докладывались также в течение ряда лет на науч: но-технических конференциях профессорско-преподазагельского состава ТРТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения , пяти разделов, заключения, перечня использованных источников, а также приложений. Основная часть (кроме приложений и перечня использованных источников) содержит 148 страниц машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 79 страницах. Перечень использованных, источников вюпочаег 51 наименований.

Автор защищает:

1. Принцип перекоммутации лучей при стабилизации диаграмм направленности.

2. Структуру оптимального по аппаратурным затратам многоступенчатого ДФ со стабилизацией.

3. Многоступенчатую структуру ДФ со стабилизацией для узкого сектора обзора.

4. Алгоритм расчета оптимальной схемы формирования и перекоммутации диаграмм ступеней многоступенчатого ДФ.

5. Структуру комбинированного ДФ с перекоммутацией лучей при больших углах качки и непрерывным"сканированием в пределах луча.

6. Структуру синхронизатора переключений веера диаграмм в моменты равенства мгновенных значений сигнала в соседних диаграммах.

7. Принципы функционирования и структуру блока экстраполяции сигнала качки и управляющих воздействий в реальном масштабе времени.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во-введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены новые научные результаты, которые, выносятся на защиту.

В разделе 1 определяется структура базовой многолучевой ДФС и ее основные характеристики. Описываются факторы дестабилизирующие положение ДН и на примере задачи определения пеленга определяется характер и значимость влияния качки носителя на результат решения задачи. В результате анализа перечисленных общих вопросов делается формальная постановка задачи, детализируется классификация анализируемых ДФС и возможных систем со стабилизацией, конкретизируются цели и задачи дальнейших исследований.

В основу исследования положен принцип перекоммутации (перенумерования) лучей при стабилизации веера диаграмм. Этот принцип заключается в следующем. Б результате работы на выходе ДФ должна быть многолучевая ДН из М диаграмм в секторе обзора ±атах. В общем случае ДФС формирует веер перекрывающихся ДН с шагом позиционирования равным абсолютной погрешности стабилизации, а количество лучей М1 определяется величиной ±«тах и максимальным углом качки гекач. Этот веер поступает на систему коммутации, которая производит перенумерование лучей в зависимости от текущего угла качки и выдает на выход ДФС стабильный веер М диаграмм.

В разделе 2 исследуются известные системы и узлы формирования веера ДН с целью построения на их основе ДФ с дискретной (перенумерованием) стабилизацией. Анализируются имеющиеся и разрабатываются и минимизируются по аппаратурным затратам новые средства и способы управления ДФ со стабилизацией. Делается оценка аппаратурных затрат на построение таких систем. Рассматриваются особенности применения ДФ со стабилизацией для антенн сложных форм.

Возможность использования традиционных структур диаграммо-формирования в системах со стабилизацией определяется способностью позиционирования луча в заданную точку пространства. Это , в свою очередь, определяется элементами, задающими угол компенсации (позиционирования) диаграммы. Для временных методов - это элемейт задержки, а для фазовых - фазовращлющее звено.

Диа1раммоформирователи временного типа в качестве элемента задержки матрицы могут использовать электромагнитные линии задержки и аналоговые линии задержки с промежуточным преобразованием информации и дискретную форму с последующим восстановлением на выходе ячейки. Дискретные линии задержки строятся1 на основе эффекта временного хранения информации в электрическом поле конденсатора. Такая линия может использоваться в виде ячейки, состоящей из квантователя, ячеек дискретной задержки и устройства восстановления, а время задержки в ней определяется частотой тактирующих импульсов. Для аналогового ДФ может быть предложена структура, когда имеется "длинная" дискретная линия задержки, с отводов которой через устройства восстановления сигналы поступают на сумматоры. При дискретной форме представления устройства восстановления не нужны и на сумматоры сигналы могут подаваться прямо с отводов ДЛЗ. Согласование их по времени обеспечивается использованием общего источника тактирующих импульсов и соблюдением одинаковости фаз снимаемых импульсов. Как видно из этих рассуждений, дискретная форма представления сигнала получается наиболее экономичной для случая получения веера диаграмм. В максимальном случае число элементов задержки ( С^ад) равно (2зад=М*М, где число элементов антенны; М-число формируемых диаграмм.

Фазовый принцип построения ДФ возможен для случая узкополосного сигнала. Если сигнал ( А\ ) имеет узкий спектр, то он может быть с определенной погрешностью представлен в комплексной форме: А'к - А'кКе +А'к1ш , где 1 - номер элемента антенны. Соответственно и сигнал на выходе ДФ будет иметь две составляющие и фактически будут два диаграммоформирователя 8(а)=8ке+]51 ш, где 8ке= 1/Ы 1[А'ке*со50АЧ'(а))+А!1ш*51п(1ЛЧ/(а))] 51т=]ЛЧ 1[Мп,*со50Д¥(а))-АУе*5т(1ДЧЧа))], при 1<[<Ы. Величина Д,['(а) равна тсРвта/у , где V - скорость звука в воде; ио -средняя частота узкополосного сигнала; а-угол позиционирования диаграммы.

Диаграммоформирователь для одной диаграммы должен иметь N (по числу элементов антенны) комплексных демодуляторов, на выходе которых будет 2Ы сигналов. Эти сигналы поступают на фазовые множители (ФМ) в которых реализуются слагаемые алгоритма. Параметр а задается в виде коэффициента умножения ФМ соз(1Д4'(а)) и $т(1ДЧ'(а)). Затем все выходы ФМ суммируются раздельно на двух многоходовых сумматорах и. после прохождения комплексных модуляторов, может быть получен итоговый сигнал.

Если необходимо получить полный веер диаграмм, то можно использовать тот факт, что алгоритмы зеркальных, относительно оси симметрии веера диаграмм, отличаются только знаками входящих в слагаемых внутри квадратных скобок. Это дает экономию аппаратуры па 3040%.

Цифровой вариант ДФ фазового типа отливается от традиционной структуры только наличием сигнала в виде отсчетов в двоичном коде и умножителями двух цифровых кодов. .

Общее число умножителей в цифровом ДФ фазового типа для N элементной антенны при формировании М диаграмм в веере будет равно MyM=4N*M. Анализ коэффициентов умножения показывает, что умножения на многие из них можно заменить на уже имеющиеся результаты с несложными преобразованиями типа сдвиг и суммирование, что позволяет сократить их число.

Если рассматривать ДФ частотного типа с точки зрения ДФ фазового типа, то, если в спектре сигнала есть Q составляющих , необходимо Q ДФ фазового типа, что существенно увеличивает аппаратурные затраты и позволяет исключить ДФ частотного типа из дальнейшего рассмотрения.

Проведенный анализ позволяет сделать основной вывод о реальности построения систем с дискретной стабилизацией веера диаграмм на основе имеющихся структур ДФ.

Из описания предлагаемого принципа стабилизации ДН перенумерованием можно сделать вывод о том, что каждый зыход диаграммо-формирователя (ДФ) должен иметь демультиплексор (ДМХ) на п выходов, что позволит переключать данный канал ДФ на другой с учегом угла качки. Каждый выход ДМХ управляется выходом дешифратора, который работает в зависимости от сигнала датчика положения антенны.

Такой полный коммутатор представляет собой хотя и регулярную структуру, но достаточно сложен с точки зрения топологии. Существенные проблемы могут возникнуть на уровне объединения ключей на выходе коммутатора, поэтому в работе предлагается один из способов построения ступенчатой системы стабилизации, который позволит оптимально подойти к выбору размера отдельного конструктивно законченного диа-граммоформирователя к коммутатора.

Имеется N элементная линейная эквидистантная антенна. Ока разбивается на Н отдельных антенн, имеющих свои полные ДФ. Число входов такого ДФ равно N/H. Число выходов зависит от условий качки, но как следует из теории дискретного преобразования Фурье число выходов непересекающихся диаграмм не может быть больше N/H. На выходе каждого ДФ стоит коммутатор. Он переключает каналы на один, максимум на два шага. Следующая ступень диаграммоформирователя будет иметь Н входов, число выходов зависит от сектора компенсации качки в этой ступени. Все ДФ и коммутаторы второй ступени идентичны. Следующий, третий уровень диаграммоформироваиия будет состоять из формирователей диаг рамм, число которых будет меньше числа формирователей второй ступени. Каждый ДФ третьей ступени формирует веер на оси симметрии диафаммы направленности второй ступени. Система будет работоспособной. поскольку каждая выходная диаграмма веера последней ступени

не повторяет сигнал другой диаграммы из веера и структура устройств формирования диаграмм повторяет традиционную структуру.

Возможность построения стабильного веера диаграмм с помощью такого ДФ исследуется для двухступенчатого ДФ и одно Г; ДП ш веера. Направление максимума диаграммы определяется выражением a=arcsin[(H2*sincco2+N*sinaoi)/(H2+N)]. Углы компенсации ступеней «o¡ и а02 имеют, в общем случае, разные весовые коэффициенты, определяемые соотношением Н2 и N. При создании фиксированных наборов значений ct0i и аог с шагом Aocoi и Лао2 соответственно, можно получить дискретный ряд позиций направления максимума. Возможность этого показывается с помощью аппарата численных методов. Алгоритм расчета схемы коммутации ступеней ДФ выглядит следующим образом.

1. Задается число элементов, погрешность стабилизации Дет, интервал обзора ±<Хтах и интервал изменения aoi и аог.

2. Определяется число уровней стабилизации к=2* апда/Дст.

3. Задается число групп первой ступени Н, которое определяется формулой Н=

4. Определяется число квантов aoi и ам, в первый момент равное kvl=l,kv2=l.

5. Решается цикл по i до к ,

6. Решается цикл по j до kvl

7. Решается цикл по 1 до kv2, в котором проверяется условие I arcsin[(H2*sinao2i+N*sinaoij)/(H2+N)]-i*2*a.naK^c| <л„ .

8. Если условие выполняется, то в массиве или файле фиксируются ccoij и «ой и осуществляется переход на п.5.

9. Если п.6 и п.7 пройдены и нет ни одного утвердительного ответа, то выполняется наращивание kvl или kv2 по очереди в два раза и сначала выполняется п.5.

10. В результате получается массив решений, который минимизируется путем подсчета неповторяющихся aoij и осол.

Количество aoij и сад и число групп первой ступени определяют объем элементов задержки, требуемых на реализацию ДФ, которое вычисляется по формуле Q=N*aoij+H*ao2i. Если решать рассмотренный ранее базовый алгоритм, изменяя соотношение N и Н, то можно получить кривую Q(N/H) и найти ее минимум. Кроме этого, в работе показано, что на каждом урозне расположения максимума существуег множество решений и, модифицируя базовый алгоритм путем применения методов комбинаторики, можно уменьшить число элементов задержки Q.

Результаты сравнительного расчета оборудования требуемого в случае ступенчатой сгруктуры и при использопаиии полного (классического) коммутатора для 1С0 элементной антенны в секторе ±45град и погрешности стабилизации в 1град. показывают почти трехкратную экономию по оборудованию. Т.о. предложенный вариант дис-

кретной стабилизации гораздо более экономичный, чем при использовании полного коммутатора. Кроме этого, возможно повышение точности стабилизации без изменения аппаратуры, путем программного пересчета схемы коммутации.

При работе в небольшом секторе обзора, когда направление максимума диаграммы зависит линейно от угла компенсации, возможно построение эффективной системы стабилизации, управляемой величиной угла качки напрямую. Если считать, что на каждом выходе ДФ каждой ступени стоит коммутатор на три положения (вправо и влево от нормального), то тогда число ступеней такого формирователя, равное числу разрядов представления угла качки (<3*а.,), определится максимальным углом качки (фкач) и требуемой стабильностью веера приемных диаграмм и будет равно С^кач=1о|52Гфкач/(0.5*(*))~1 (при погрешности стабилизации в 1/2 ширины ДН). Прямое решение задачи для одного луча требует коммутации 2*фыахкаЧ/(О.50) диаграмм, а в предлагаемом случае величина коммутируемых диаграмм равна 3*Поз2| фтахкач/(О.50)Т1, что позволяет говорить о высокой эффективности предложенного варианта ДФ с дискретной стабилизацией.

В разделе 3 произведено исследование структур систем временного типа и фазового типа с непрерывным сканированием веера диаграмм с целью построения систем со стабилизацией и их сравнительного анализа с рассмотренными ранее системами коммутационного типа с дискретной стабилизацией.

Структура ДФ аналогична рассмотренной ранее. Принципиальное отличие ДФ с непрерывным сканированием заключается в непрерывном управлении величиной элемента, определяющего позиционирование луча в пространстве.

Сканирование веера диаграмм связано с трудностями сохранения взаимного расположения диаграмм в веере, обеспечения непрерывности сканирования при переходе угла через ноль и изменения остроты направленного действия диаграммы при ее сканировании.

Зависимость остроты направленного действия © от угла компенсации диаграммы «о имеет вид : 0=2*агс$ш[(1 -Нтио)Л'(Ы-1 )созссо)]. "Относительное увеличение ОНД остается практически постоянным в зависимости от числа элементов антенны (примерное расширение диаграммы при отклонении угла на 45 градусов равно 2.5 раза). Это позволяет утверждать, что принцип непрерывного управления веером диаграмм возможен в сравнительно узком диапазоне качки - не более 10-15 градусов. При больших углах взаимное перекрытие диаграмм резко снизит точность пеленга цели, увеличивая неопределенность в оценке ее местоположения.

Для обеспечения непрерывности сканирования при переходе угла через ноль в систему диаграммоформирования вводится структура смещающих задержек. Для формирования одной диаграммы подобная система требует (Ы-1)К/2 постоянных задержек г1 и (N-1) задержек, изменяемых

и

плавно от 0 до 2*тм ( тм=0.5т1), что приводит к относительному очень существенному росту оборудования даже при малых N.

Основной частью непрерывного временного ДФ является сканируемый ДФ (обеспеч:;2а:сц;;;й непрерывность изменения величины задержки). Сканируемый ДФ может быть выполнен только на дискретных линиях задержки с управлением временем задержки т с помощью частоты тактирующих импульсов. Для реализации случая т=0 необходима тактовая частота равная бесконечности. Выходом из этого положения является смещение задержки т, когда при сканировании она изменяется не до нуля, а В диапазоне Tmm<Tl< flrnax+Tmin. Значение Ttnin будет определяться максимальной рабочей частотой линии задержки.

Величиной задержки можно управлять либо изменяя тактовую частоту, либо наращивая число ячеек элемента задержки. При выборе частот тактирующих напряжений линий в отдельных каналах элементов антенны возникают проблемы. Во-первых, частота тактирующих импульсов fr определяется величиной задержки. Во-вторых, эта частота должна превышать частоту дискретизации сигналов с элементов антенны fT > fmw. Поэтому, пока fT > f¡oicK можно изменять величину задержки, меняя fT, а когда условие не выполняется необходимо наращивать число ячеек задержки.

Для согласования работы СДФ и постоянных задержек необходимо восстановление сигналов на выходах постоянных задержек с помощью интерполятора (ИН). Не вдаваясь в детализацию исполнения ИН, можно сделать вывод о том, что постановка M*N таких интерполяторов является значительным увеличением оборудования ДФ, что ставит под сомнение целесообразность использования этого варианта.

При использовании фазового метода построения ДФ устройств че возникает проблем формирования диаграмм в двух секторах, так как переход через ноль означает просто смену знака в фазовом множителе. Однако, во-первых, в этом случае отпадает понятие зеркальной диаграммы и для каждой диаграммы необходимо иметь свой полный фазовый множитель, а во-вторых, нельзя уменьшить число умножений за счет одинаковых коэффициентов.

Для смещения диаграммы на сканируемый ДФ необходимо подавать поток коэффициентов. Этот поток формируется в блоке коэффициентов (БК) из значений постоянных углов сдвига отдельных диаграмм в веере и переменных, определяемых текущим значением угла качки. Во всей системе таких потоков коэффициентов достаточно много и их. величина равна 2N*M. Сам блок коэффициентов представляет собой структуру, состоящую из 2N*M узлов, формирующих коэффициенты для фазового множителя. Двоичный код угла положения данной диаграммы в Ееере с учетом номера ФМ («д) •.одается на один вход сумматора. На второй вход подается код угла качки (а«). Сумма этих ллух углов является исходной величиной для получения кодов коэффициентов из устройств вычисления cos и sin.

Таким образом, в работе делается вывод, что при реализации веера диаграмм с плавным сканированием необходимо как минимум в N/2 раз больше оборудования, чем для формирования статического веера диаграмм. Появляющиеся сложности в стыкозке отдельных устройств увеличивают число преобразований сигнала и снижают динамический диапазон выходного сигнала.

В качестве компромиссного варианта, сочетающего в себе преимущества дискретной и непрерывной стабилизации, можно предложить комбинированный вариант построения системы, когда при больших углах качки стабилизация осуществляется перенумерованием лучей, а в пределах луча непрерывно. В этом случае требуются наибольшие аппаратные затраты, но такая система будет стабилизировать веер с минимальной методической погрешностью стабилизации без перестройки системы.

В разделе 4 производится анализ ситуации при дискретной стабилизации веера диаграмм на уровне всей гидроакустической системы и решается ряд вопросов, без которых работа предлагаемых структур б целом ряде случаев использования не будет эффективной.

Первой проблемой следует считать определение момента переключения диаграмм с точки зрения внесения минимального искажения в полезный сигнал как на уровне огибающей, так и на уровне мгновенных значений. Моментом переключения необходимо считать момент равенства сигналов в двух соседних диаграммах от цели, находящейся на оси стыка диаграмм. Таким образом, работа синхронизатора может быть организована, если имеется достаточно устойчивая цель, от которой идет отраженный сигнал. Эта цель должна быть достаточно протяженной, чтобы попасть сразу в две диаграммы. Возникает также естественный во-: прос о выборе интервала наблюдения за идентичностью сигналов в соседних диаграммах, после которого принимается решение о равенстве. С одной стороны этот интервал должен быть значительно меньше, чем интервал прохождения качки через угол двух соседних диаграмм, а с другой стороны он должен быть достаточным, чтобы с уверенностью говорить о наличии совпадения. Брать этот интервал больше длительности импульса излучения явно нецелесообразно. Поэтому, с точки зрения накопления информации, желательно сделать время наблюдения равным длительности импульса излучения и, только если это условие несовместимо с точностью отработки процесса слежения за сигналом датчика качки, следует принимать условие уменьшения времени наблюдения.

Процесс качки носителя является существенно медленным по сравнению с излучаемыми колебаниями, но сравним с временем прохождения звуковой волны до цели и обратно. Даже в этом случае, изменение основных параметров сигнала датчика качки, таких как амплитуда и угловая частота, является медленным, что позволяет с хорошей точностью прогнозировать сигнал датчика качки. Это позволит ускорить процесс формирования коэффициентов коррекции положения диаграмм при фазовых мето-

дах плавного сканирования диаграмм, а также при работе синхронизатора. В ПЗУ хранится один период синусоиды единичной амплитуды и частоты, продискретизированный с частотой , которая определяется погрешностью Ддащ. Входной сигнал от ДП поступает ¡¡а блоки выделения амплитуды и периода качки (БВА, ВВП), которые отслеживают чти текущие параметры и, в случае их несоответствия от предыдущих существенных значений более чем на заданные погрешности Дл или Да, производят перезапись существенных отсчетов и выдают сигнал о том, что параметр изменился. БВА и БВП производят АЦП существенных значений амплитуды и периода и их коды поступают соответственно а перемиожитель амплитуды (ПА) и блок формирования периода (БФГ1). Функции части модулей ЭК можно возложить на микропроцессорный комплект . Это следует делать, когда процедура преобразования и первичной обработки информации качки заключается в последовательности нескольких нетривиальных арифметических действий, решении задачи оптимальной коммутации при многоступенчатой архитектуре ДФ, либо при различных алгоритмах' обработки, которые выбираются в зависимости от обстоятельств.

В данной работе предлагается новый подход к решению задачи стабилизации веера диаграмм. Смысл подхода заключается в следующем. Если гидроакустическая станция при полном обзоре пространства не зафиксировала цель, то нет смысла стабилизировать веер диаграмм. А вот, когда цель появилась в тоне действия нескольких диаграмм, тогда можно с помощью выбора режима принятия решения синхронизатором обеспечивать устойчивую стабилизацию диаграмм.

В раздете 5 производится анализ полученных результатов и их проверка с помощью аппарата имитационного моделирования.

В блоке ввода первоначальных установок задастся архитектура модели г. исходные параметры моделей частей ГАС. участвующих в имитации в данный момент. Изменение архитектуры достигается установкой системных ключей, которые разрешают или запрещают подключение тех или иных исследуемых блоков или их комбинаций. К гаьим блокам относятся модель качки носителя, генератор случайных чисел, изменяющий параметры качки, блок стабилизации шаграмм и синхронизатор переключений каналов. Эти блоки позволяю! исследован, базовую модель при дестабилизирующих воздействиях разного характера и при нескольких способах их компенсации.

Базовый алгоритм содержит и себе блок расчета первоначальных параметров модели (сигнала, антенны) и два вложенных цикла. Внешний цикл по моделированию временной дискреты, внутри которого для текущего ¡-го момента времени выполняется цикл моделирования веера диаграмм направленности и осуществляется его обработка на предмет определения пеленга на цель. На этом уровне существ ус I проблема определения частоты дискретизации времени, которую, учитывая фактическую интерполяцию сигнала полиномом пулевого порядка, следует выбирать па

\ ровне в 50-100 pas больше частоты сигнала 1Д«. =(50-100)1'™™ При этом следует помнить, что частота качки должна быть меньше частоты сигнала

К ДЧ^/сШН .

В инкле моделирования диаграмм выполняется операция заполнения массива сигнала элементов антенны для i-ro момента времени н k-й диаграммы направленности и на его основе осуществляется формирование дна] раммы.

Модель качки оказывает воздействие на блок моделирования сигнала на элементах АР. а блоки стабилизации и синхронизации либо на него же. либо на модель определения пеленга на цель, в зависимости от типа стабилизации диаграмм.

Анализировалась АР на сто элементов, на которую с направления в 350 (-¡0) градусов приходит плоская синусоидальная волна частотой 5 герц и единичной амплитуды. При решении задачи местоположения цели пе-леш определялся на каждой временной дискрете (пеленг определялся по лучу веера с максимальным абсолютным значением сигнала), а в случае сопровождения только в первый момеш. который считался моментом захвата цели следящей системой. Имитировалось рыскание носителя с частотой в 2 герца и амплитудой в 10 градусов (для усиления картины). Также рассматривалась ситуация, когда параметры качки менялись в динамике случайным образом по равномерному закону в диапазоне +.5 герца и ±5градусов.

Проведенное имитационное моделирование показало значимосп влияния качки носителя на характеристики ГАС при определении пеленгг на цель и решении задачи слежения (сопровождения) и необходимосп стабилизации веера диаграмм. В качестве основных выводов можно ска зап.. чю предложенные методы и структуры стабилизации решают по ставленную задачу в принципе, а погрешности вносимые ими либо могу быгь скомпенсированы, либо их влияние многократно меньше влияни: качки.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы ги диссертационной работе.

В приложениях описаны методика, средства и практическая реализа ция построения функциональных зависимостей исследуемых в работе приведен алгоритм и программа по численному анализу функции направ ления максимума диаграммы в ДФ с двухступенчатой структурой, а такж листинги программ, осуществляющих имитационное моделирование.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложенный в диссертации принцип стабилизации диаграмм и перекоммутацией привел к созданию многоступенчатой структуры ДФ специальных вспомогательных средств, которые позволили решить задач

стабилизации в максимально широком спектре существующих ДФ с минимальным ухудшением их характеристик и затратами оборудования.

2. Полученный комбинированный способ построения систем обеспечивает минимальную погрешность стабилизации ДН в пространстве в широком секторе рбзора. 1

3. Разработанный синхронизатор переключений уменьшает нежелательные разрывы фаз сигнала при коммутациях.

4. Предложенный блок экстраполяции сигнала качки и управляющих воздействий обеспечивает работу, многоступенчатых структур и разгружает устройство управления ДФ, делая это в реальном масштабе времени.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Самойлов Л.К., Белякова М.Л., Палазиенко A.A. Система расчета частоты дискретизации реальных сигналов. - В кн.: Измерительные ин1-' формационные системы: Тезисы докладов Всесоюзной ' научно-технической конференции, декабрь 1991г., С.-Петербург, 1991, с.17.

2. Самойлов Л.К., Белякова MJI., Палазиенко A.A. Программа определения оптимальной частоты дискретизации реальных сигналов по погрешности дискретизации и восстановлепия.//Тезисы докладов Обл. научно-технической конференции посвященной Дню радио. Ростов-на-Дону: май 1992г., с.24.

3. Палазиенко A.A., Михайлов В.В. Учет движения и качки при моделировании сигналов гидроакустической обстановки.//Тезисы докла: дов Обл. научно-технической конференции посвященной Дню радио. Ростов-на-Дону: май 1992г., с.25. 1

4. Самойлов Л.К., Палазиенко A.A. Алгоритм стабилизации веера диаграмм направленности: - В кн. "Синтез алгоритмов сложных систем". Межвузовский тематический научный сборник. №9, ТРТИ, г.Таганрог, 1993. - с.56-58.

5. Самойлов Л.К., Палазиенко A.A. Выбор модели для исследования систем электронной стабилизации-характеристик направленности антенных решеток. - В кн. "Синтез алгоритмов сложных систем". Межвузовский тематический научный сборник. №9, ТРТИ, г.Таганрог, 1993. - с.58- • 61.

6. Самойлов Л.К., Палазиенко A.A. Алгоритм стабилизации веера диаграмм направленности гидроакустических антенных решеток. - В кн. Материалы XXXIX научно-технической конференции. - Таганрог, 1993. - с.94-95.

7. Исследование принципов построения справочных систем управления городским хозяйством: Отчет о НИР (заключительный) / ТРТУ; Руководитель Л.К.Самойлов; № ГР 01950004517. - Таганрог, 1996.

8. Палазиенко A.A. Анализ погрешностей вносимых качкой носителя при формировании многолучевых диаграмм направленности. В кн. Ма-

териалы ХХХХ научно-технической конференцин.-Таганрог, 1995. - с.104-106.

В опубликованных работах лично автором получены следующие результаты. В [1,2] разработан алгоритм определения частоты дискретизации реального сигнала по погрешности дискретизации и восстановления. В [8] описаны факторы, дестабилизирующие положение ДН в пространстве, и проанализированы степень и характер их влияния. В [4,6] приводится алгоритм электронной стабилизации путем перекоммутации лучей веера диаграмм направленности. В [7] рассмотрены вопросы построения элементов систем экстраполяции. В [5] разработаны алгоритм функционирования, сгруктура и имитационная модель системы электронной стабилизации многолучевых диаграмм направленности. В [3] предложена методика учета влияния качки носителя при имитации гидроакустической сигнально-помеховой обстановки.