автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение точности фазовой пеленгации источников радиоизлучения в условиях воздействия мощной помехи

На правах рукописи

Привалов Денис Дмитриевич

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ФАЗОВОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЩНОЙ ПОМЕХИ

05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АПР 2015

005566942

Омск 2015

005566942

Диссертационная работа выполнена в открытом акционерном обществе «Омский научно-исследовательский институт приборостроения» и федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского» на кафедре «Экспериментальная физика и радиофизика».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Доктор технических наук, профессор Майстренко Василий Андреевич

Доктор технических наук, профессор Денисов Вадим Прокопьевич

профессор кафедры «Радиотехнические системы», ТУСУР

Кандидат технических наук, доцент Короткое Павел Иванович ректор НОУ ВПО «ИРСИД»

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Защита состоится «15» мая 2015 года в «14.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» и в сети Интернет на сайте ФГБОУ ВПО «ОмГТУ» - www.omgtu.ru.

Автореферат разослан «_»_2015 года

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 644050, 0мск-50, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 доктор технических наук, доцент

В. Л. Хазан

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время очень важно осуществлять радиомониторинг частотно-временного ресурса. Это связано с крайне высокой загруженностью электромагнитного пространства, возникающей из-за бурного развития радиоэлектронных систем различного назначения. При этом необходимо точно выявлять наличие несанкционированных источников радиоизлучения (ИРИ) и определять их местоположение для эффективной борьбы с ними. Кроме того, задача определения дислокации ИРИ стоит и в период проведения военных действий. В качестве первого этапа решения данной задачи можно рассматривать определение направления на ИРИ с нескольких точек пространства. Указанный этап полностью лежит в рамках задач фазовой пеленгации. Здесь в качестве информативного параметра используется фаза радиосигнала, учет искажений которой является весьма сложной задачей, требующей проведения дополнительных исследований.

Одним из факторов, снижающих точность определения направления на ИРИ, является наличие переходных процессов в избирательных трактах системы. В направлении учета и исследований соответствующей погрешности работали многие зарубежные и отечественные ученые: Гоноровский И. С., Евтянов С. И., Гарднер М. Ф. и Бэрнс Дж. Л., Алексеева В. Г., Arieh L. Shenkman и другие. Эти работы опираются либо на приближенные методы расчетов, либо представляют собой громоздкие выражения, влекущие за собой высокую трудоемкость.

Помимо влияния переходных процессов усложнение задачи измерения параметров принимаемых радиосигналов происходит за счет интенсивного воздействия мешающих сигналов на входные цепи системы. Неизбежно влияние взаимных помех от одновременно работающих радиосредств на работоспособность фазового пеленгатора, входящего в состав системы радиомониторинга. Большую долю таких помех составляют узкополосные, мощность которых может значительно превосходить мощность сигнала и вызывать перегрузку усилительных каскадов системы. При этом несущая частота помехи попадает либо в полосу приема полезного сигнала, либо незначительно отстроена так, что фильтрация требуемого радиосигнала не обеспечивает подавление помехи на достаточном уровне. С целью повышения точности измерения параметров радиосигнала на фоне мощных помех проводится большое количество исследований, направленных, в основном, Fia увеличение динамического диапазона системы, компенсацию помехи, первичную селекцию, использование режекторных фильтров. Данные решения не всегда достаточно эффективны в различных ситуациях воздействия помех, что особенно критично для фазоизмерительных систем.

Таким образом, научная задача повышения точности фазовой пеленгации ИРИ в условиях воздействия мощной помехи в настоящее время не решена в достаточной мере и является актуальной.

Диссертация посвящена изучению и моделированию процессов, происходящих в фазовом пеленгаторе в случае приема смеси слабого полезного сигнала и мощной помехи, а также разработке способов извлечения требуемой разности фаз копий полезного сигнала в присутствии мощной помехи.

Цель работы: повышение точности фазовой пеленгации источников радиоизлучения в условиях воздействия помехи, в том числе превышающей по мощности полезный сигнал.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— получены амплитудные и фазовые соотношения составляющих реакции нелинейных устройств при одновременном воздействии на их входе смеси сигнала и мощной помехи;

— исследована динамическая погрешность измерения разности фаз сигналов на выходе избирательных цепей с учетом влияния мощных помех;

— разработаны способы, направленные на повышение точности измерения разности фаз сигналов при одновременном воздействии помехи;

— проверены предложенные способы путем имитационного моделирования и на основе экспериментальных данных, полученных с помощью макета разработанного устройства, защищенного патентом РФ на изобретение;

— разработаны структурные схемы фазовых пеленгаторов, способных функционировать в сложной сигнально-помеховой обстановке.

Методы исследований. Для решения поставленных задач применены методы математического и спектрального анализа, статистической радиотехники, имитационное моделирование в среде МАТЬ А В 11200% с использованием программ, разработанных автором. В процессе экспериментальных исследований для автоматизации измерений на созданном макете устройства применялось программное обеспечение, разработанное автором на языке С++ с использованием библиотек 4.8.4.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы является следствием использования строгих математических методов и подтверждается совпадением теоретических результатов с результатами имитационного моделирования и результатами данных экспериментов, проведенных на макете разработанного устройства, защищенного патентом РФ на изобретение.

Научная новизна работы.

1. Впервые предложены способы повышения точности измерения разности фаз узкополосных сигналов в присутствии мощной помехи за счет использования нелинейности активных элементов фазового пеленгатора

2. Обоснована возможность использования схемы укорочения импульсных радиосигналов для выделения разности фаз копий полезного сигнала в присутствии смещенной во времени импульсной помехи. Даны рекомендации по использованию подобной схемы в составе фазового пеленгатора.

3. Проведен анализ динамической погрешности измерения разности фаз импульсных радиосигналов на выходе фильтров в присутствии помехи.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается:

- в результатах оценки влияния переходных процессов на точность измерения разности фаз импульсных радиосигналов при наличии помехи;

- в обосновании возможности использования комбинационных продуктов и продуктов интермодуляции слабого сигнала и мощной помехи на нелинейных элементах фазового пеленгатора для повышения точности измерения разности фаз копий полезного сигнала.

Практическая значимость работы состоит в разработке макета устройства, защищенного патентом РФ на изобретение, реализующего часть способов повышения точности измерения разности фаз для фазоизмерительных систем.

Результаты исследования и рекомендации, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при разработке фазоизмерительных радиоэлектронных систем, функционирующих в условиях возможного воздействия непреднамеренных и организованных помех.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательской работе, проведенной в ОАО «ОНИИП», а также используются в учебном процессе Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского на кафедре экспериментальной физики и радиофизики. По теме диссертации получено 6 патентов на изобретение и 1 патент на полезную модель.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Способы повышения точности фазовой пеленгации источников радиоизлучения, заключающиеся в использовании комбинационных составляющих и продуктов интермодуляции узкополосного сигнала и помехи на выходе нелинейных элементов.

2. Способ компенсации помехи, основанный на применении мостовой реализации схемы укорочения импульсных радиосигналов на выходе

взаимно-корреляционного пеленгатора, позволяющий повысить отношение полезный сигнал/помеха до 60 дБ независимо от несущих частот сигнала и помехи.

3. Результаты анализа переходных процессов, подтверждающие возможность определения момента времени, соответствующего началу фазовых измерений с заданной точностью, по зависимости динамической погрешности измерения разности фаз сигналов от выходного отношения сигнал/помеха при прохождении смеси импульсного радиосигнала и помехи через полосовой фильтр.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 10 научно-технических конференциях:

- международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (ЯЬЫС-2010, ЯЬЫС-2011, 1ШМС-2012, ЯЬЫС-2013,1Ш\[С-2014), Воронеж, 2010-2014 г.;

- международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (РЭиС-2011, РЭиС-2013), Омск, 2011, 2013 г.;

- 65 всероссийская конференция «Научная сессия, посвященная Дню радио», Москва, 2010 г.;

- 10 международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2010), Новосибирск, 2010 г.

- XI международная конференция-семинар по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (ЕОМ-2010), Алтай, 2010 г.

Публикации. Основные научные и практические результаты опубликованы в 24 научных работах, в том числе 4 - в журналах из перечня ВАК: «Успехи современной радиоэлектроники» (издательство «Радиотехника»), «Омский научный вестник», «Вестник омского университета»; 3 - в рецензируемом научно-техническом сборнике «Техника радиосвязи»; 6 патентов РФ на изобретения; 1 патент РФ на полезную модель.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена непосредственно ее автором. Все результаты, сформулированные в положениях, выносимых на защиту и составляющие научную новизну работы, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве, заключается в формулировании части задач исследования, в разработке моделей и проведении имитационного моделирования, а также в обработке и анализе результатов моделирования, в участии в разработке макетов фазового пеленгатора и проведении эксперимента, а также в обработке и анализе результатов

эксперимента, в разработке структурных схем фазовых пеленгаторов, способных функционировать в сложной помеховой обстановке.

Структура и объем диссертации. Результаты исследований в соответствии с выбранным направлением изложены во введении, в четырех главах и заключении. Общий объем диссертации 129 страниц, включая 78 иллюстраций, 4 таблицы, список литературы из 141 наименования.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована актуальность темы, показано современное состояние вопроса, проанализированы основные результаты, достигнутые в области анализа и уменьшения погрешностей при выделении полезной информации для фазоизмерительных систем. Сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы, дан краткий обзор содержания диссертации, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены причины возникновения динамической погрешности измерения разности фаз сигналов при прохождении через избирательные тракты двухканального фазометрического приемника. Определена аналитическая зависимость погрешности пеленгационного угла от динамической погрешности измерения разности фаз для двухэлементной антенной системы. Входные сигналы представлены в виде:

= -г)]. (1)

Здесь индексы а и Ъ соответствуют первому и второму фазовым каналам соответственно, Ха_ь — амплитуда, сос — несущая угловая частота, у/а,ь — начальная фаза сигнала, Та,ь — момент времени прихода сигнала на соответствующую антенну, т — длительность сигнала, 1 (/) — функция единичного скачка.

Информативная разность фаз между антеннами, соответствующая направлению на ИРИ, определяется выражением:

А/р = а^ха -аг£хь =Ц'а -ц/ь =сос(ть-та). (2)

За счет инерционности фазовых каналов, содержащих избирательные звенья, выходной сигнал У(1) при строгом математическом подходе становится бесконечной длительности. При условии та - ть = Дт Ф 0 определена зависимость между искажениями огибающей Щ) и вариации фазы Д(5(0 в обоих фазовых каналах:

¥к(1) = Уа(1-Ат), ¿Ь«) = 5а(1-Ат). (3)

Следовательно, результирующая разность фаз принятых сигналов:

Ар,0) = А<р + АЗ(1), (4)

где AS{t) = 5а (í) - 8Ь (t) - динамическая погрешность измерения разности фаз.

Рассмотрены существующие методы исследования переходных процессов с целью нахождения указанной выше погрешности для фазоизмерительных систем, среди которых можно выделить: классический (опирающийся на законы Кирхгофа), спектральный и операционный. В качестве методики, не допускающей приближений при получении точного выражения, описывающего вариацию фазы сигнала во времени относительно ее стационарного значения, выбрана методика быстрого обратного преобразования Лапласа, разработанная И.Д. Золотаревым. Методика опирается на операционное исчисление и предназначена специально для колебательных цепей, чем и являются избирательные фильтры, используемые в современной радиоаппаратуре

различного назначения.

Показано ухудшение

функционирования фазоизмерительных

систем из-за присутствия в полосе обзора помех от мешающих ИРИ. Посчитана зависимость фазовых искажений от отношения мощностей сигнала и помехи в случае совпадения их несущих частот. Оценено среднеквадратичное отклонение (СКО) фазы полезного сигнала в предположении равномерного распределения его начальной фазы в интервале [-180 180] град (рис. 1).

Во второй главе проведен анализ прохождения смеси радиосигнала и помехи через фазовые каналы пеленгатора, определены возможности получения полезной информации в случае превышения помехи над сигналом за счет использования продуктов нелинейности активных устройств, входящих в состав пеленгатора.

В качестве одного из способов, повышающих устойчивость фазоизмерительных систем к воздействию мощной внеполосной помехи, вызывающей перегрузку усилительных каскадов системы, предложено использование продуктов интермодуляции третьего порядка сигнала и помехи на усилителе (выражение (9)). На входе усилителя принимается узкополосная смесь полезного сигнала (индекс s) и помехи (индекс Г), попадающая в полосу обзора со входных фильтров в виде:

х(<) = ХЛ') si" К' + V.)'+ х, (')sin + V,) + и(0, (5)

где Xs,(t) — медленно меняющаяся амплитуда, <os¡ — несущая частота, i//s¡ — начальная фаза каждой составляющей смеси, изменяющаяся равномерно в пределах [-к, п], n{t) — гауссов шум. Полагаем Xs(t) <X,{t) ,\a)s-m¡\ « cos.

h, óti

Рис. 1. СКО измерения фазы

полезного сигнала в присутствии помехи большой мощности

При аппроксимации проходной характеристики усилителя степенным полиномом результирующий сигнал на выходе усилителя можно записать в виде:

(')+*. (')+*.(<). (б)

где каждое слагаемое занимает полосу частот, кратную основной полосе приема со:

УЛ') =

0^,(0+7«ХМ

(7)

У г. (') = -«: Л. (') = -«

X, {1)Х, (/) соз ((а», + .)/ + + Ч><) + - X] (') С08 (2©, / + 2ц/,) , (8) ^Х? (/)X, {()б!П((2а, +а),У + 2ч/,+ч/,) + ^X] {/)ып{3(0,1 + Ъц/,) ,(9)

а, у — коэффициенты полинома, аппроксимирующего проходную характеристику усилителя. Считаем, что активный элемент усилителя находится в режиме несущественной нелинейности, когда коэффициент усиления уменьшается не более чем на 20%. В данном случае целесообразно ограничиться полиномом третьей степени, так как последующие степени вносят незначительный вклад в формирование результирующего сигнала.

Шт

8

56 с.

,54

-агё.>'„

Л. =10 дБ

■4 дБ

й 6 Е-

И

-»<¥.У„

.-.-" Л» /;. = 3 дБ

2 4 6 -Л. лК

8 10 12

а)

Рис. 2. Зависимость СКО разности фаз копий полезного сигнала от мощности помехи при ее отстройке по частоте на значение 0,1 МГц и при отношении сигнал/шум входной смеси а) И„ = 10 дБ; б) И„ = 3 дБ

Сплошная линия на рис. 2 показывает СКО разности фаз копий полезного сигнала, измеренной в основной полосе частот с помощью двухканального фазометрического приемника, а штриховая — в полосе частот, соответствующей продуктам интермодуляции третьего порядка. СКО разности фаз для основной полосы частот начинает возрастать при /г = -6,5 дБ, что определяется

характеристиками фильтра основной селекции, который решает задачу подавления всех мешающих составляющих до требуемого уровня. Низкий уровень СКО при h < -6,5 дБ объясняется малой спектральной плотностью мощности N шума п(() в выражении (5). СКО разности фаз, измеренной в режиме нелинейности, является удовлетворительной в интервале -h = [1, 11] дБ, нижний предел определяется возникновением ощутимого влияния нелинейности, а верхний — характеристиками того же фильтра основной селекции. Ощутимая зависимость нижнего предела от спектральной плотности мощности N белого шума возникает из-за снижения чувствительности устройства в режиме нелинейности на значение порядка 10 дБ. Таким образом, комбинирование измерений в основной полосе частот и с использованием продуктов интермодуляции позволяет расширить границы превышения помехи над полезным сигналом для точности измерения разности фаз ±2 град на 3-4 дБ.

В случае работы усилительных каскадов системы без перегрузки повышение устойчивости фазоизмерительных систем к воздействию мощной помехи возможно осуществить за счет использования комбинационных продуктов на выходе смесителей схемы взаимно-корреляционного пеленгатора (рис. 3). При наличии смеси сигнала и помехи (5) на входе устройства получим следующее выражение, описывающее результирующие сигналы на выходе смесителей СМЛ и СМЬ1 соответственно:

(О=^ (<)[Х, ('К, + ('К, ('К

г* (')=*, (0|Х. (О*-'4* ('К. + ('К, +

где П51 =<as— , (i) — сигнал гетеродина.

ф,,

(10)

(И)

см..

ф„,

М')

-М')

('Л/,

cwt.

ад

</Л,

I

МО

Рис. 3. Структурная схема взаимно-корреляционного пеленгатора

Выделяя с помощью фильтров Фа3 и Фм взаимные комбинационные составляющие (ВКС) на частоте + сиг (либо -Д„ + ы^, симметрично расположенные относительно частоты гетеродина ыр и измеряя разность фаз между ними, получим:

А(р5+А<р, =А<р. (12)

Учитывая большую мощность помехи по сравнению со слабым полезным сигналом, одно из неизвестных уравнения (12) можно определить, измеряя разность фаз между собственными комбинационными составляющими (СКС), лежащими на частоте гетеродина сое — разность фаз копий помехи. Решая данное уравнение, непосредственно определяется разность фаз копий полезного сигнала. Амплитудные спектры сигналов (10) и (11) с учетом начальных фаз составляющих представлены на рис. 4.

XX

СКС сигнала СКС помехи

Х,Х.

И

Д + Д

и

Рис. 4. Измерение разности фаз слабых сигналов при работе по ВКС

На рис. 5 представлено СКО измерения разности фаз копий полезного сигнала в присутствии помехи, отстроенной по частоте на 0,1 МГц. Видно, что при работе по ВКС происходит расширение диапазона превышения помехи над полезным сигналом на значение порядка 3-4 дБ при точности измерений ±2 град. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает уменьшение погрешности измерения разности фаз в интервале /г = [15..20] дБ на значения до 1 град.

В завершение данной главы представлен способ компенсации помехи, основанный на применении схемы укорочения импульсных радиосигналов,

которая осуществляет дифференцирование высокочастотных (ВЧ) колебаний. Тем самым обеспечивается выделение требуемой разности фаз за счет различия моментов времени, соответствующих переднему и заднему фронтам сигнала и помехи. Предлагается мостовая реализация данной схемы, в одном из плечей которой находится параллельный резонансный контур, а в остальных плечах -резисторы. Такую схему удобно применять при работе по СКС, так как они находятся на одной частоте а>4, и лишены недостатков относительно ширины спектральной плотности мощности по сравнению с ВКС. Пример разрешения сигналов с помощью предлагаемой схемы представлен на рис. 6. При этом обеспечивается подавление помехи на 60 дБ и более.

Рис. 5. Сравнение зависимостей СКО измерения разности фаз с помощью двухканалыюго фазометрического приемника (arg _уш) и взаимно-корреляционного пеленгатора (СКС и ВКС) от отношения сигнал/помеха И на входе при различном h„

Как показано на рис. 7, при малом уровне помехи (А = 50 дБ) погрешность не превышает одного градуса на всем интервале существования сигнала, что определяется влиянием переходных процессов от начальной фазы. При увеличении мощности помехи (А < 0 дБ) погрешность становится удовлетворительной только на интервалах времени, соответствующих переднему и заднему фронтам радиосигнала. Их длительность незначительна по сравнению с длительностью полезного сигнала, что накладывает дополнительные требования на устройства измерения разности фаз. При h = -40 дБ минимальный уровень погрешности составляет 2 градуса в момент включения сигнала. Следовательно, измерение разности фаз можно осуществлять не на всем интервале измерений, а лишь в те промежутки времени, когда мощность полезного сигнала после ВЧ-дифференцирования превышает мощность помехи на 20 дБ и более, что согласуется с зависимостью, представленной на рис. 1.

ю

ю

-10 0 10 20 30 40 50 Ii, лГ»

-10 0 10 20 30 40 50 А, дБ

-т(')

lo

Рис. 6. Смесь входных сигналов х(0 и

результат использования схемы укорочения £(/), Т-период сигнала

10-, 1 -Ii = 50 дБ

I ......h = 10 дБ

8- { ......Л = -20 дБ

! ......- h = -40 дБ

Э 6- ■

о. ! :

V4- !

ь j ;'

2 f V

0-

120

20 30 40 50 60 70 80 90 100

ИТ

Рис. 7. Зависимость погрешности измеренной разности фаз копий полезного сигнала в зависимости от мощности помехи

В третьей главе проведен анализ прохождения сигнала, а также смеси сигнала и помехи через различные типы фильтров: простой колебательный контур, фильтр с АЧХ повышенной прямоугольности, эллиптический фильтр 7-го порядка, а также кварцевый фильтр на одинаковых резонаторах. Представлены результаты, определяющие степень влияния переходных процессов на точность измерения разности фаз сигналов в зависимости от параметров помехи и характеристик фильтров.

В начале главы приведен алгоритм, описывающий применение методики быстрого обратного преобразования Лапласа для исследования переходных процессов. В качестве избирательных трактов системы использованы фильтры, согласованные с принимаемым сигналом по полосе пропускания. Критерий согласования, введенный A.A. Харкевичем, зависит от формы огибающей, которая была выбрана прямоугольной.

Погрешности, вносимые тепловым шумом на выходе узкополосного эллиптического фильтра седьмого порядка, представлены на рис. 8, а) и не превышают одного градуса при входном h„ > 0 дБ в установившемся режиме, что объясняется малой шумовой полосой фильтра. Из рис. 9, а) видно, что погрешность не превышает указанного уровня при значениях сигнал/шум на выходе фильтра порядка 40 дБ и более.

Наличие помехи оказывает решающее воздействие на точность измерения разности фаз (рис. 8, б). Динамическая погрешность соответствующих измерений достигает значений не более 2 град, когда превышение полезного сигнала над помехой на выходе фильтра достигнет значений 30-35 дБ и более (рис. 9, б). Отстройка dco частоты помехи от частоты сигнала принимается кратной ширине полосы пропускания фильтра Аы. Можно заметить, что уровень погрешности на всем интервале существования сигнала определяется выходным

значением отношения сигнал/помеха, при этом данная зависимость сохраняется не только для установившегося (стационарного) режима, но и в течение ощутимого влияния переходных процессов. Этот факт целесообразно использовать для определения времени начала фазовых измерений с заданной точностью. В один из фазовых каналов устройства необходимо ввести дополнительный канал, измеряющий отношение сигнал/помеха на выходе избирательных фильтров. Указанный канал при превышении некоторого порога (в данном случае 30 дБ при погрешности 2 град) выдает команду для начала измерений. Тем самым будет происходить отбрасывание заведомо неверных измерений еще на первичном этапе обработки принимаемых радиосигналов, что, в конечном счете, приведет к обеспечению измерения разности фаз с заданной точностью.

. А i

Ь'

-Л„ = 50дБ А, = 20 дБ . Л, = 10 дБ = 0 дБ

2000

4000 ИГ

6000 8000

20 IX 16 14

3 12

е-ю

* 8 ь 6 4 2 0

2000

4000 ИТ

6000 8000

а)

б)

Рис. 8. Зависимость динамической погрешности измерения разности фаз копий полезного сигнала с периодом Тот безразмерного времени а) при учете теплового шума; б) при наличии помехи на входе эллиптического фильтра

4000 1/Т

Рис. 9. Зависимость отношения сигнал/помеха на выходе эллиптического фильтра от безразмерного времени а) при учете теплового шума; б) при наличии

помехи

В четвертой главе представлены структурные схемы фазовых пеленгаторов, способных функционировать в сложной сигналыю-помеховой обстановке. Приведены описания аналогового макета и макета с использованием цифровых методов обработки сигналов, а также описание программы по автоматизации эксперимента. Показаны результаты экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предлагаемых способов.

Способ по использованию продуктов интермодуляции третьего порядка предлагается реализовать по схеме, приведенной на рис. 10. Здесь в качестве дополнительного блока выделения разности фаз копий помехи, превышающей по мощности полезный сигнал, используется канал в полосе помехи (фильтр Ф2 с центральной частотой со,), а в качестве основного блока - канал в полосе интермодуляции 3-го порядка, возникающей при прохождении входной смеси через усилительный каскад У (фильтр Ф\ с центральной частотой 2су, + ы,). Кроме того, в схеме предусмотрен канал для выделения полезного сигнала с помощью фильтра Ф}. Он используется при недостаточной мощности продуктов интермодуляции, измеряемой с помощью амплитудного детектора (АД). Решение, определяющее, каким образом происходит измерение разности фаз, принимается с помощью решающего устройства (РУ) по сигналам АД.

Рис. 10. Структурная схема фазового пеленгатора с использованием продуктов интермодуляции, устойчивого к мощным помехам

Для взаимно-корреляционного пеленгатора в качестве блока выделения разности фаз копий смеси сигнала и помехи рекомендуется использовать комбинационные продукты помехи и сигнала на выходных смесителях (фильтры с центральной полосой сов± П, рис. 11). Здесь также предусмотрен амплитудный детектор, позволяющий определить возникновение комбинационных продуктов (т.е. ВКС). По его сигналу РУ использует выход с вычитающего устройства,

обеспечивающего компенсацию искажений. При отсутствии ВКС измерение разности фаз происходит в обычном режиме.

ф

■ I

о»

канал Ь

Яо

см„

СМи

ф„

/а=/„±Ш2л

(Ж,

ФД

д^

ад

ру

фд

Л-Л

Фи

. д^, +д?>,

/0 = /„±Ш2)Г

Рис. 11. Структурная схема фазового пеленгатора взаимно-корреляционного типа, предусматривающая использование взаимных комбинационных

составляющих

Для уменьшения влияния переходных процессов, возникающих в фильтрах устройства, можно рекомендовать схему, приведенную на рис. 12. Блок измерения с/ш отслеживает изменение отношения сигнал/шум (сигнал/помеха) на выходе фильтра. Решающее устройство по сигналу данного блока выдает команду на съем данных с фазового дискриминатора при превышении величины отношения сигнал/шум больше заданного порога.

Данный порог, определяющий погрешность измерения разности фаз, можно оценить на основе результатов, приведенных в главе 3. Это сразу позволяет исключить измерения, вносящие заведомо недопустимую погрешность, и начинать измерения, не дожидаясь практически полного окончания переходных процессов. Такое усложнение целесообразно вводить для оконечных фильтров одного из фазовых каналов пеленгатора. В этом случае блок

с к-аиллл Л

Рис. 12. Структурная схема устройства измерения разности фаз с заданной погрешностью в течение действия переходных процессов

измерения отношения сигнал/шум будет отслеживать результирующее влияние переходных процессов на точность измерения разности фаз сигналов.

На основе полученных результатов были подобраны компоненты и спроектирован макет цифрового пеленгатора. В качестве платформы, на которой был реализован корреляционный пеленгатор, выбрана программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) в виду того, что она обеспечивает обработку сигналов в реальном времени за счет параллельных вычислений. В качестве аналого-цифрового преобразователя (АЦП) использовалась микросхема фирмы Analog Devices AD9236, имеющая 12 разрядов и скорость преобразования 80 MSPS, а в качестве ПЛИС - Xilinx семейства Spartan 6 XC6LX9. Макет пеленгатора имеет три фазовых канала с дифференциальными усилителями AD8370 с цифровым управлением, используемыми как драйверы АЦП.

Для проведения экспериментов в качестве ИРИ использовались два ВЧ генератора, а в качестве блока, имитирующего разности фаз для каждого сигнала - линии задержек из отрезков коаксиального кабеля. Аналоговые сигналы преобразовывались в цифровые отчеты с помощью АЦП и передавались в ПЛИС. Далее их цифровых отчетов выделялись сигналы с комплексной огибающей и обрабатывались согласно схемам, приведенным на рис. 10 и 11 и реализованным с помощью готовых ¡р-ядер из состава САПР ISE Design Suite или блоков, написанных самостоятельно на языке преобразований VHDL. Затем сигналы передавались в ПК, где происходило вычисление разности фаз, усреднение и вычисление СКО.

На рис. 13 представлено СКО измерения разности фаз сигналов с помощью схемы, приведенной на рис. 10. Можно отметить, что при превышении помехи над сигналом на 7 дБ и выше фильтрация слабого сигнала в основной полосе частот не позволяет обеспечить удовлетворительную точность фазовых измерений (рис. 13). Однако, судя по результатам измерений в полосе частот, соответствующей продуктам интермодуляции третьего порядка, граница превышения помехи над сигналом в данном случае увеличивается на значение порядка 3-4 дБ и достигает 11 дБ.

Результаты СКО измерения разности фаз копий полезного сигнала, полученной с помощью схемы, приведенной на рис. 11, представлены на рис. 14, где по оси абсцисс отложено отношение сигнал/помеха, а по оси ординат - СКО измеренной разности фаз. Непрерывная кривая показывает погрешность измерения на частоте гетеродина, т.е. режим, не предусматривающий наличия помех. В этом случае измерения возможны лишь при превышении полезного сигнала над помехой на значения порядка 10-12 дБ. Однако при использовании ВКС в качестве полезных составляющих измерения становятся возможными при 0 < Л < 12 дБ (пунктирная кривая).

-Л, лБ

Рис. 13 Зависимость СКО разности фаз копий полезного сигнала на выходе усилителя от мощности помехи при отстройке ее частоты на 4 кГц

А, дБ

Рис. 14. Зависимость СКО разности

фаз копий полезного сигнала от мощности помехи при отстройке ее частоты на 3 кГц

Таким образом, характер погрешностей измерения разности фаз сигналов, полученных в результате обработки экспериментальных данных, имеет качественное совпадение с результатами, полученными при имитационном моделировании, что подтверждает возможность использования комбинационных составляющих и продуктов интермодуляции узкополосного сигнала и помехи на выходе нелинейных элементов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В рамках проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты и выводы:

1. Проведен анализ причин ухудшения точности измерения разности фаз сигналов. К ним относится возникновение переходных процессов в избирательных трактах системы и наличие помех, зачастую превышающих по мощности полезные сигналы и вызывающих перегрузку усилительных каскадов. Это определяет . необходимость совместного рассмотрения указанных причин с точки зрения работоспособности фазовых пеленгаторов. Кратко рассмотрены методы анализа переходных процессов. Выбрана методика быстрого преобразования Лапласа, основанная на операционном исчислении, которая позволяет аналитически определять огибающую и фазу радиосигнала на выходе исследуемой цепи. Показан подход, учитывающий влияние помех на фазу результирующего сигнала.

2. Рассмотрено преобразование смеси узкополосных сигнала и помехи в усилительном каскаде и в схемах взаимно-корреляционного пеленгатора и

пеленгатора с опорным каналом с учетом фазовых соотношений. В результате предложен способ повышения точности измерения разности фаз сигналов в присутствии помехи, который основан на использовании продуктов интермодуляции третьего порядка, возникающих на нелинейном элементе. Для обеспечения извлечения требуемой разности фаз копий полезного сигнала в схемах взаимно-корреляционного пеленгатора предложено использовать взаимные комбинационные составляющие, которые возникают при действии смеси сигнала и помехи на смесителях. Данные способы расширяют диапазон превышения помехи над сигналом на 3-4 дБ при точности измерений разности фаз 2 град. В этом случае погрешность измерения разности фаз уменьшается на 1-3 град, что в диапазоне 0-360 град составляет повышение точности на значение порядка 1% и, в конечном счете, повышает точность фазовой пеленгации источников радиоизлучения.

3. В случае различного времени прихода радиосигнала и помехи предложено использовать схему укорочения импульсных радиосигналов, в качестве которой целесообразно применять ее мостовую реализацию. Использование такой схемы на выходе взаимно-корреляционного пеленгатора обеспечивает увеличение отношения полезный сигнал/помеха на 60 дБ независимо от их несущих частот.

4. Проведен анализ динамической погрешности измерения разности фаз копий полезного сигнала при отсутствии помехи и ее наличии, а также при учете белого гауссова шума. В качестве исследуемых фильтров использованы: простой колебательный контур, фильтр с АЧХ повышенной прямоугольности, эллиптический фильтр седьмого порядка и фильтр на одинаковых кварцевых резонаторах. Получены результаты, позволяющие обосновать использование отношения сигнал/помеха на выходе полосового фильтра как порога для определения времени начала фазовых измерений с заданной точностью. Это позволяет уменьшить погрешность, обусловленную переходными процессами, за счет исключения временных интервалов, в течение которых погрешность превышает выбранный предел точности.

5. Разработан макет фазового пеленгатора как с использованием оценочных плат на аналоговых компонентах, так и реализующий цифровую обработку сигналов с прямой оцифровкой сигналов на несущей частоте. Разработано программное обеспечение, направленное на автоматизацию измерений, полученных на базе указанных макетов. Представлены результаты, подтверждающие эффективность предлагаемых способов.

Рекомендации по использованию выполненного исследования по теме

диссертации включают:

1. Результаты теоретического исследования прохождения сигналов с прямоугольной огибающей через различные избирательные цепи можно использовать для оценки погрешности, вносимой переходными процессами в измерение разности фаз сигналов.

2. Структурные схемы фазовых пеленгаторов, а также устройство, защищенное патентом на изобретение, могут быть использованы при разработке помехоустойчивого фазового пеленгатора.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации содержат:

1. Развитие способов повышения точности измерения разности фаз полезных сигналов при наличии нескольких помех.

2. Исследование прохождения радиосигналов с различными видами огибающих через фильтры, имеющие типовые амплитудно-частотные характеристики, для определения оптимальных параметров сигналов и характеристик фильтров с точки зрения минимизации длительности переходного процесса.

3. Выполнение опытно-конструкторских работ, связанных с проектированием системы радиомониторинга, включающей в свой состав фазовых пеленгаторов для определения направления на ИРИ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Привалов, Д. Д. Исследование переходных процессов в кварцевом резонаторе с точностью до фазы радиосигнала / И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, Д. Д. Привалов // Омский научный вестник. — Омск. — 2011.— №1 (97).-С 201-205.

2. Привалов, Д. Д. Фазовый дискриминатор в схеме пеленгатора с перекрестными связями при наличии источников наложенных сигналов / И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, Д. Д. Привалов // Вестник омского университета.-2011,-№2 (60).-С 103-108.

3. Привалов, Д. Д. Анализ динамических режимов работы фазового пеленгатора при приеме фазоманипулированных сигналов без априорных данных о коде последовательности / И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Успехи современной радиоэлектроники. -«Радиотехника» - Вып. «Техникарадиосвязи». -2012. -№11.- С. 50-57.

4. Привалов, Д. Д. Динамическая погрешность измерения разности фаз сигналов на выходе полосовых фильтров в присутствии помехи / В. А.

Майстренко, Д. Д. Привалов // Омский научный вестник. - Омск. -ОмГТУ.-2015.-№1 (137).-С 167-171.

Статьи в рецензируемых журналах

1. Привалов, Д. Д. Анализ одной из возможностей фазовой пеленгации полезного сигнала в присутствии помехи / В. А. Березовский, Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Научно-технический сборник «Техника радиосвязи». - Омск. - ОАО «ОНИИП». - 2013. -Вып. 1 (19). - С. 3-12.

2. Привалов, Д. Д. Повышение устойчивости фазоизмерительных систем к воздействию помехи, превышающей по мощности полезный сигнал / Д. Д. Привалов // Научно-технический сборник «Техника радиосвязи». - Омск. - ОАО «ОНИИП». - 2014. - Вып. 3 (23). - С. 25-30.

3. Привалов, Д. Д. Исследование разрешения наложенных радиосигналов в фазоизмерительных системах / Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Научно-технический сборник «Техника радиосвязи». - Омск. - ОАО «ОНИИП». -2014.-Вып. 3 (23).-С. 31-41.

Патенты на изобретения

1. Пат. 2459353 Российская федерация, МПК7 Н 04 В 1/06. Способ приема радиосигнала / Березовский В. А., Золотарев И. Д., Лапшин В. А., Привалов Д. Д. ; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2011118695/08 ; заявл. 10.05.11 ; опубл. 20.08.12, Бюл. № 23. - 8 с.

2. Пат. 2454715 Российская федерация, МПК7 в 06 в 7/78, О 01 8 3/00. Фазовый пеленгатор / Березовский В. А., Золотарев И. Д., Лапшин В. А., Привалов Д. Д. ; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2011118696/08 ; заявл. 10.05.11 ; опубл. 27.06.12, Бюл.№ 18.-6 с.

3. Пат. 2477922 Российская федерация, МПК7 Н 04 В 15/00, Н 03 Б 1/04. Способ обнаружения сигналов при априорной неопределенности их параметров / Золотарев И. Д., Березовский В. А., Лапшин С. А., Привалов Д. Д.; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». -№ 2010152105/08 ; заявл. 20.12.10 ; опубл. 20.03.13, Бюл. №8.-7 с.

4. Пат. 2482508 Российская федерация, МПК7 в 01 Б 3/14. Фазовый способ пеленгации / Золотарев И. Д., Березовский В. А., Лапшин С. А., Привалов Д. Д.; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2011135120/28 ; заявл. 22.08.11 ; опубл. 20.05.13, Бюл. № 14. - 9 с.

5. Пат. на полезную модель 131926 Российская федерация, МПК7 Н 04 В 15/00, в 06 Р 19/00. Устройство обнаружения сигналов при априорной неопределенности их параметров / Березовский В. А., Привалов Д. Д. ; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2013110194/08 ; заявл. 06.03.13 ; опубл. 27.08.13, Бюл. № 24. -2 с.

6. Пат. 2526533 Российская федерация, МПК7 G 01 S 3/46. Фазовый пеленгатор / Золотарев И. Д., Березовский В. А., Привалов Д. Д. ; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2012151734/07 ; заявл. 03.12.12 ; опубл. 27.08.14, Бюл. № 24. - 11 с.

7. Пат. 2532259 Российская федерация, МПК7 G 01 S 3/46. Фазовый способ пеленгации / Золотарев И. Д., Березовский В. А., Привалов Д. Д. ; заявитель и патентообладатель ОАО «ОНИИП». - № 2013101068/07 ; заявл. 09.01.13 ; опубл. 10.11.14, Бюл. № 31. - 9 с.

Материалы конференций

1. Привалов, Д. Д. Исследование ВЧ-дифференциатора в схеме фазового пеленгатора для разрешения источников наложенных радиоимпульсных сигналов / В. А. Березовский, И. Д. Золотарев, Д. Д. Привалов // Труды 65-й Научной сессии, посвященной Дню радио. Москва. - РНТОРЭС им. А.С. Попова. - 2010. - С. 269-271.

2. Привалов, Д. Д. Исследование разрешения наложенных радиоимпульсных сигналов от разнесенных в пространстве источников излучения использованием мостикового ВЧ-дифференциатора / В. А. Березовский, И. Д. Золотарев, Д. Д. Привалов // Сборник докладов конференции «RLNC-2010». - Воронеж. -НПФ «САКВОЕЕ» ООО. -2010. - С. 348-356.

3. Privalov, D. D. Signal Analysis at the Phase Discriminator Output of the Phase Direction Finder Circuit with the Frequency Substitution / I. D. Zolotarev, V. A. Berezovskiy, D. D. Privalov // International Conference on Actual Problems of Electronic instrument Engineering Proceedings. - APEIE-2010. - Novosibirsk. - NSTU. -2010. - V. 1. - P. 18-22.

4. Privalov, D. D. Phase Direction Finders Using HF Bridge Differentiator for Multi-Target Situations / I. D. Zolotarev, S. A. Lapshin, D. D. Privalov // Proceedings if 11th International Conference and Seminar on Micro/nanotechnologies and Electron Devices. - EDM-2010. - Novosibirsk. -NSTU.-2010.-P. 238-241.

5. Привалов, Д. Д. Исследование переходных процессов в кварцевом фильтре на идентичных резонаторах в схеме фазового пеленгатора с подстановкой частоты гетеродина / И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, С. А. Лапшин, Д. Д. Привалов // Сборник докладов конференции «RLNC-2011». - Воронеж. - НПФ «САКВОЕЕ» ООО - 2011. - С. 457-465.

6. Привалов, Д. Д. Исследование переходных процессов в кварцевом фильтре на одинаковых резонаторах с точностью до фазы радиосигнала / И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, С. А. Лапшин, Д. Д. Привалов // Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь». - 2011. - Омск. - С. 541-547.

Привалов, Д. Д. Исследование переходных процессов в схеме фазового пеленгатора с подстановкой частоты при приеме фазоманипулированных сигналов/ И. Д. Золотарев, В. А. Березовский, С. А. Лапшин, Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Сборник докладов конференции «1И,МС-2012».

- Воронеж. - НПФ «САКВОЕЕ» ООО. - 2012. - С. 1995-2006. Привалов, Д. Д. Исследование фазового пеленгатора с опорным каналом, функционирующего по потоку сигналов / В. А. Березовский, Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Сборник докладов конференции «^N02013».

- Воронеж. - НПФ «САКВОЕЕ» ООО. - 2013. - С. 2029-2038. Привалов, Д. Д. Динамические режимы работы фазового пеленгатора с опорным каналом, функционирующего по наложенным сигналам / В. А. Березовский, Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Радиотехника, электроника и связь». — 2013. — С. 240-249.

Привалов, Д. Д. Анализ некоторых способов разрешения радиосигналов применительно к фазоизмерительным системам / Д. Д. Привалов, С. Н. Смалев // Сборник докладов конференции «1Ш^С-2014». - Воронеж. -НПФ «САКВОЕЕ» ООО. - 2014. - С. 1240-1249.

Подписано в печать 12.03.2015. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 0098

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812)24-70-79, 8-904-585-98-84.

E-mail: pcjkan@mail.ru 644122, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97