автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка и анализ адаптивной радиолокационной системы

На правах рукописи УДК: 621.396.9

РГ6 од

2 2 " , ;'*):!

Федосеева Елена Валерьевна

РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ АДАПТИВНОЙ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.12.04 - "Радиолокация и радионавигация"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Муромского института (филиала) Владимирского государственного университета

Научный руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Щукин Г. Г.;

кандидат технических наук, доцент Фалин В.В.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Горелик А.Г.;

кандидат технических наук доцент Старых A.B.

Ведущая организация: Военный инженерно-космический

Краснознаменный институт им А.Ф.Можайского

Защита состоится Й*" лмыг 1998 г. в "/Г" часов на заседании диссертационного Совета Д 072.05.03 в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке .МГТУГА.

Автореферат разослан"_"_1998 г.

Учёный секретарь

диссертационного Совета Д 072.05.03, К.Т.Н., доцент

А.С.Попов

-31 Общая характеристика работы

1.1 Актуальность работы

Радиотеплолокация в микроволновом диапазоне является перспективным видом измерений при решении задач зондирования как атмосферы, так и поверхности Земли. Это объясняется тем, что радиотепло-локационные системы, осуществляющие прием и обработку сигналов теплового излучения, позволяют получать информацию как об объектах зондирования ( пространственное местоположение и интенсивность излучения), так и среде переноса излучения (оптическая толщина).

По измеренной интенсивности излучения или оптической толщине в результате решения обратной задачи могут быть определены влагозапас атмосферы, водозапас облаков, вертикальные профили температуры и влажности и т.д. Возможность решения обратных задач и достоверность полученных данных определяется погрешностью оценки величины ра-диояркостной температуры зондируемой области по выходному сигналу радиотеплолокационной системы. Точность данной оценки зависит как от чувствительности приемника, так и от степени разрешения информационной составляющей антенной температуры.

Современные достижения в электронике СВЧ позволяют обеспечить флуктуационный порог чувствительности приемников менее 0.05К. В таких условиях задача разработки радиотеплолокационных систем с высоким разрешением информационного сигнала на фоне помех, обусловленных ограниченной пространственной селективностью антенны и недетерминированным изменением ее характеристик под действием внешних дестабилизирующих факторов, приобретает особую актуальность и является одной из основных в вопросе повышения достоверности радиотеплолокационных измерений.

1.2 Состояние проблемы

Проблема, решение которой предлагается осуществить в данной работе, состоит в разработке эффективного способа выделения информационного сигнала в условиях действия внешних помех. Известны три основных подхода к ее решению:

1) статистическая оценка величины помеховых компонент антенной температуры;

2) снижение величины аддитивных помех при разработке антенн с повышенной пространственной селективностью;

3) построение адаптивных радиотеплолокационных систем.

Статистическая оценка помеховых компонент антенной температуры

основана на принятии упрощенных моделей излучения и использовании априорных данных по зондируемой области и окружающему пространству. Такой способ используется при оценке погрешности результа-

тов зондирования атмосферы. При этом среднеквадратическая погрешность оценки радиояркостной температуры фона при неизменных условиях проведения измерений принималась, например, равной 10%, чтс при современном уровне чувствительности приемников составляет 30 ■ 50% суммарной погрешности определения радиояркостной температуры.

Разработка антенн с малым уровнем бокового и заднего излучения не обеспечивает полного решения проблемы, т.к. в выходном сигнале системы присутствуют составляющие, обусловленные собственным шумовым излучением антенны и не исключается помеховое действие на информационный сигнал слоя осадков на поверхности антенны.

Третьим и наиболее эффективным способом разрешения информационного сигнала является разработка адаптивных радиотеплоллокаци-онных систем, осуществляющих компенсацию помеховых составляющих антенной температуры. В них реализуется селективный прием помехово-го сигнала при формировании компенсирующего сигнала и прохождение эталонного сигнала через элементы антенны для оценки ее мультипликативного действия на информационный сигнал. Известные разработки, использующие угловое и поляризационное разрешение при формировании компенсирующего сигнала не обеспечивают полной его адекватности сигналу помехи при смене углового направления измерения или поляризации принимаемого сигнала.

1.3 Цели работы и задачи исследования

Цель настоящей работы заключалась в разработке адаптивной ра диотеплолокационной системы, реализующей выделение информацион ной компоненты входного сигнала приемника в условиях аддитивного \ мультипликативного действия помехообразующих факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать математическую модель и провести экспериментальные исследования антенны радиотеплолокационной системы, обеспечивающей возможность исключения главного лепестка ДН при адекватно« сохранении уровня боковых лепестков;

2) разработать структурную схему адаптивной радиотеплолокацион ной системы, обеспечивающей схемную компенсацию помеховых компо нент входного сигнала;

3) разработать способ оценки точности реализации адаптивной ра диотеплолокационной системы в зависимости от параметров антенны;

4) исследовать достижимые значения инструментальной погреш ности радиотеплолокационной системы с зеркальной антенной с разне сенными вдоль фокальной оси облучателями;

-55) разработать метод оптимизации параметров дополнительного антенного канала радиотеплолокационной системы, образованного облучателем смещенным из фокуса зеркала;

6) составить рекомендации по разработке антенны адаптивной радиотеплолокационной системы.

1.4 Научная новизна

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1) разработан способ построения адаптивной радиотеплолокационной системы, в котором использован метод пространственного разрешения для отделения информационного сигнала от помеховых компонент;

2) осуществлено физико-математическое обоснование построения антенных систем радиотеплолокаторов, адаптивных к условиям измерений;

3) разработан способ оценки погрешности результатов измерения адаптивных радиотеплолокационных систем по критериям точности реализации оптимального алгоритма их построения;

4) разработан метод оптимизации при проведении синтеза дополнительного антенного канала, образованного облучателем смещенным из фокуса зеркала.

1.5 Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в том, что

1) разработана адаптивная радиотеплолокационная система, обеспечивающая разрешение информационного сигнала при аддитивных и мультипликативных воздействиях помех, не имеющая ограничений по методам измерений и по характеру и размерам зондируемых объектов;

2) разработана методика оценки инструментальной погрешности адаптивных радиотеплолокационных систем;

3) разработана математическая модель антенны адаптивной радиотеплолокационной системы в виде зеркальной антенны с разнесенными по фокальной оси облучателями основного и дополнительного канала;

4) разработана методика оптимизации параметров дополнительного антенного канала для решения задачи обеспечения повышенной точности измерений адаптивной радиотеплолокационной системой.

1.6 Реализация и внедрение результатов

Полученные в работе результаты вошли в отчеты по НИР (госбюджетных), проводимых на кафедре Радиотехники Муромского института ВлГУ с 1992 по 1997год, а также были включены в отчет по договору N26/96 с Главной Геофизической обсерваторией им.А.И.Воейкова в 1997году.

-61.7 Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. II научная конференция " Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, июль, 1992).

2. Шестая Всероссийская научно-техническая конференция "Радиоприем и обработка сигналов ", посвященная 75-летию Нижегородской радиолаборатории(Нижний Новгород, 1993г.).

3. Всероссийская научно-техническая конференция "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры" (Владимир, 1994Г.&.

4. Международный Харьковский симпозиум " Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" (Харьков, 7-10 июня, 1994г.).

5. Международная научно-техническая конференция "Проблемы радиоэлектроники" (к100-летию радио), (Москва, 5 апреля, 1995г.).

6. Международная НТК "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем "(Пенза, 1995г.).

7. Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем " (Пенза,1996,1997, 1998г.г.).

8. XVIII Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (С.-Петербург,17-19 сентября, 1996г.).

9. Ежегодные научно-технические конференции Муромского института Владимирского государственного университета (1993-1998).

Л Л Публикации по теш диссертации

Основное содержание работы опубликовано в 9 работах.

1.9 Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 30 рисунков, 12 таблиц, 84 наименований литературы.

1.10 Основные положения, представляемые к защите:

1) способ построения адаптивной радиотеплолокационной системы, реализующей метод пространственного разрешения для выделения информационного сигнала;

2) оценка условий формирования дополнительным антенным каналом ДН с провалом на месте главного лепестка и с уровнем боковых лепестков адекватным их уровню ДН основного канала;

3) способ оценки точности адаптивной радиотеплолокационной системы;

-74) оценка эффективности применения зеркальной антенны с двумя разнесенными вдоль фокальной оси облучателями для решения задач пространственного разрешения;

5) метод оптимизации параметров дополнительного антенного канала адаптивной радиотеплолокационной системы для обеспечения минимальной инструментальной погрешности измерений.

2 Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, рассматривается общее состояние проблемы, сформулированы цель и основные задачи диссертации, приведено краткое содержание работы.

В первой главе диссертации проанализированы внешние помехо-образующие факторы в работе радиотеплолокационных систем и существующие методы разрешения информационного сигнала.

В первом разделе на основе уравнения антенного сглаживания классифицированы помехи, присутствующие во входном сигнале радиотеплолокационных систем - аддитивные и мультипликативные, причинами возникновения которых являются ограниченная селективность антенны и недетерминированное изменение ее характеристик под действием окружающей среды. Подробно рассмотрены факторы, определяющие их появление: фоновое излучение, дискретные источники мощного шумового излучения, расположенные в области рассеивания антенны, изменение состояния подстилающей поверхности в условиях выпадения осадков и помеховое действие их слоя, формируемого на поверхности антенны. В результате проведенного анализа было предложено уравнение для антенной температуры с учетом всех рассмотренных помеховых компонент для оценки эффективности способов разрешения информационного сигнала.

г

где Тф, в и 7ф, н -усредненное значение радиояркостной температуры фонового излучения по верхнему и нижнему полупространству области рассеивания ДН антенны соответственно; А71,, -усредненная радиояр-костноя температура /'-ого источника сильного излучения в области рассеивания антенны по угловому размеру Пя 1 этого источника; АТфг „ -абсолютное приращение радиояркостной температуры подстилающей поверхности, обусловленной изменением ее излучательных свойств в условиях выпадения осадков; ,]2- факторы влияния слоя осадков, формируемого на поверхности зеркала, на отдельные составляющие антенной температуры.

Во втором разделе рассмотрен статистический метод оценки поме-ховой составляющей антенной температуры. В основу метода заложено

использование упрощенных моделей фонового излучения, погрешность оценки значения которого в случае зондирования атмосферы при неизменности условий проведения измерений принималась в пределах 10%. Приведена оценка относительного вклада данной погрешности в суммарную погрешность оценки величины радиояркостной температуры Т!Л. Показано, что при использовании метода, в котором шкала приемника градуируется в значениях антенной температуры при его высокой чувствительности, погрешность оценки фонового излучения становится преобладающей. Так при использовании "квазинулевого" радиотеплолока-тора с чувствительностью <зт = 0.01/Г ее вклад в суммарную погрешность составил 50%.

В третьем-разделе рассмотрены варианты конструктивного решения антенн, обеспечивающие уменьшение уровня бокового и заднего излучения. Проведенный анализ показал, что решение указанной задачи связано со значительным усложнением конструкции антенны. Однако, такой способ не обеспечивает полного исключения помеховых составляющих антенной температуры.

В четвертом разделе рассмотрен способ выделения информационного сигнала при реализации в радиотеплолокационных системах компенсационных методов, основанных на поляризационном и угловом разрешении при формировании компенсирующего сигнала. Проанализи-рованны возможные их ограничения. Так угловое разрешение применимо только при измерениях радиояркостного контраста малопротяженных объектов, а метод поляризационного разрешения в известных его схемных реализациях неэффективен при компенсации фонового излучения из верхнего полупространства и характеризуется сильной зависимостью результатов измерений от поляризационных свойств окружающей среды и антенны.

Во второй главе осуществлена разработка адаптивной радиотеп-лолокационной системы, реализующей пространственное разрешение информационного сигнала, рассмотрены вопросы схемного исполнения и точности реализации.

В первом разделе исследованы условия построения дополнительного антенного канала, обеспечивающего пространственное разрешение при формировании компенсирующего сигнала. Сформулированы два основных требования к его характеристике направленности: минимально допустимая величина провала в области главного лепестка и максимально возможная степень адекватности в области рассеивания диаграмме направленности основного канала, что определило задачи исследований при построении дополнительного антенного канала: первая -исследование условий обеспечения провала в области главного лепестка ДН, вторая - согласование необходимой величины провала и требуемой степени адекватности принимаемой мощности обоих каналов из уг-

ловой области, соответствующей области рассеивания ДН основного канала.

Для получения ДН апертурной антенны с провалом в области главного лепестка предложено задать квадратичный закон фазового распределения поля в раскрыве, характеризуемый параметром х0 - фазой на краю раскрыва . Показано, что при увеличении х0 уровень главного лепестка ДН снижается по сравнению с первыми боковыми лепестками, а при х,=2тс наблюдается провал ДН в этой области.

Возможность обеспечения адекватности суммарной мощности обоих каналов, принимаемой из области рассеивания ДН, рассматривалась в плане учета изменения ее абсолютного значения путем введения нормировки ДН дополнительного канала по уровню ДН основного канала в осевом направлении.

Показано, что распределение поля апертурной антенны вдоль оси таково, что в определенных точках наблюдается его минимум (х0=2к, 4л,...). Таким образом могут быть обеспечены оптимальные условия провала ДН в осевом направлении, а в остальной части области главного лепестка условия могут быть значительно хуже. Поэтому для оценки степени удовлетворения указанным требованиям дополнительного антенного канала введены интегральные параметры: Л,,, определяющий соотношение мощностей обоих антенных каналов, принятых из области главного лепестка ДН, и равный отношению мощностей на входе каналов адаптивной радиотеплолокационной системы из области рассеивания. В оптимальном случае их значения должны быть следующие: Д,,=0, Дй ,=1. Данные численного моделирования подтвердили возможность осуществления построения дополнительного антенного канала с характеристикой направленности, в определенной степени отвечающей требованиям метода пространственного разрешения.

Во втором разделе проанализированы возможности компенсации помехового действия слоя осадков, формируемого на поверхности антенны, в системе, реализующей метод пространственного разрешения при формировании компенсирующего сигнала.

Проведенный анализ и численное моделирование показали достаточную степень адекватности величины аддитивной помехи, задаваемой мощностью шумового сигнала собственного излучения слоя осадков на входе основного и дополнительного антенных каналов для предложенного в первом разделе варианта построения дополнительного антенного канала, когда его облучатель вынесен из фокуса вдоль фокальной оси.

Для решения задачи построения радиотеплолокационной системы, адаптивной к мультипликативному воздействию слоя осадков, формируемого на поверхности антенны, предложено предусмотреть в процессе ее работы режим оценки уровня эталонного сигнала, с последующей

корректировкой относительного уровня информационного сигнала. В рассматриваемом варианте построения антенны системы предложено реализовать указанный метод излучением эталонного сигнала основным облучателем в сторону зеркала с последующим его приемом дополнительным антенным каналом после отражения. Эффективность такого способа оценивалась по значениям двух коэффициентов отражения от зеркала, покрытого слоем осадков, задающих уровень уменьшения эталонного сигнала на входе основного и дополнительного антенного канала, усредненных по всей поверхности зеркала и по поверхности зеркала, ограниченной площадью раскрыва облучателя дополнительного канала,. Проведенные оценки показали, что разница величин двух коэффициентов отражения составляет не более 1 %.

В третьем разделе предложена схемная реализация адаптивной радиотеплолокационной системы, содержащей антенну с двумя облучателями и модуляционный радиотеплолокатор.

ГОН

а А1 А2

но

ГШ V

I

СД!

пув

1 *

ГОН-

1

ио

СД2"1

И

Структурная схема адаптивной радиотеплолокационной системы

Основные соотношения описывающие работу системы следующие:

- напряжение на выходе первого синхронного детектора (СД1) пропорционально

[^321Гя+(Тб№+Гуз21)]-[Я23217кр+(ГбьЛГ1321)]=/?2321(7'я-7"эср),

- напряжение на выходе второго синхронного детектора (СД2) пропорционально

- выходной сигнал системы на выходе ИО

и = = _ Т* ~ т,ф

"" п ' т т '

Предполагается, что генераторы опорных напряжений ГОШ и ГОН2 формируют сигналы не кратных частот.

При оптимальных параметрах антенны:Д„ =0, д6, = 1 и при выполнении условия /?|2! = в выходном сигнале адаптивной радиотеплолокационной системы отсутствуют составляющие помех.

В четвертом разделе проанализирован вопрос точности реализации адаптивной радиотеплолокационной системы при реальных, отличных от оптимальных, параметрах антенны.

Введены три критерия оценки точности гЛ , ,к2д,кЗл:

- характеризует степень увеличения погрешности оценки Т?1 по измеренным значениям Т„, р,т} и среднеквадратической погрешности -§ Тга .задаваемой в предположении отсутствия внешних помех,

к1д=(1-Ая/(1-р^/рво,))"1;

- к2 допределяет величину относительной погрешности данных измерений, обусловленную фоновым излучением

*2А= (1-Л^ХР«.*' -1-АмГ';

- к-Злзадает отличие значений коэффициентов отражений основного и допорлнительного каналов и

Формула оценки суммарной погрешности адаптивной радиотеплолокационной системы в условиях неполной компенсации помех входного сигнала принятаввиде Лг = к1лкЗд5Пл +к2лТф !ТМ.

Выражение для ДЕ связывает погрешности 3 Та и Тф /' Тг1, задаваемые условиями измерений, с параметрами антенны через

В третьей главе осуществлено моделирование характеристик направленности антенны адаптивной радиотеплолокационной системы, выполненной в виде зеркальной антенны с двумя разнесенными вдоль оси облучателями: для основного канала - в фокусе, для дополнительного - вынесенным из него.

В первом разделе произведен выбор метода моделирования:

- для главного лепестка - апертурный со следующей обобщенной формулой для ДН антенны с круглой апертурой

о о

- для области рассеивания - метод геометрической дифракции с обобщенной моделью ДН вида

>(<9), 0 <6<0

Во втором разделе выполнено моделирование ДН обоих антенных каналов адаптивной радиотеплолокационной системы по апертурному методу . Обосновано использование выражений для закона изменения

фазы вдоль раскрыва в виде Ф{К) = кН* Л2 / (4л/, /2) и для ДН зеркальной антенны с вынесенным из фокуса облучателем в интегральной форме при .\'0 > 0.5л.

Проведено численное моделирование и экспериментальные исследования ДН зеркальной антенны с радиусом раскрыва 380мм и фокусным расстоянием 380мм. Экспериментальные данные дали хорошее согласие с результатами численного моделирования. Полученные значения интегральных параметров промоделированных ДН сведены в таб-

Интегральные параметры Л'п = К , £70 = 0.7 = 2п, а0 - 0.7

а - 0.7 а = 1 л = 0 а = 07

д,, 0.2 0.21 0.01 0.09

^ б,змию 1.41 1.38 1.47 1.53

из 1.001 0.93 1.27 1.008

я = 0.7 «о=0.7

А*» 0.35 0.13

А«, 1.016 1.03

Аг,% 14.6 17.5

Данные таблицы показали, что для уменьшения инструментальной погрешности адаптивных радиотеплолокационных систем необходимо обеспечить одинаковый уровень облучения края зеркала для обоих каналов а0 и а, а оценку измеряемой радиояркостной температуры проводить по области полного лепестка.

В третьем разделе осуществлено моделирование ДН антенны по методу геометрической теории дифракции. С этой целью для каждого антенного канала по модели их излучения определено положение полутеневых зон и составлены выражения для неравномерных и равномерных асимптотик краевых волн по известным соотношениям для зеркальной антенны.

Проведенное моделирование характеристик ДН показало, что значения интегральных параметров Айэ, полученные по апертурному методу занижены. В результате, величина суммарной погрешности по полученным оценкам оказалась больше на 2-4%. При отработке вопроса адекватности обоих каналов в области рассеивания рекомендовано проводить окончательный уточняющий расчет по ГТД.

В четвертом разделе проанализировано влияние затенения облучателя дополнительного антенного канала на его характеристики. Для получения модели ДН фокальная плоскость свободная от основного облучателя представлялась совокупностью точечных источников, амплиту-

да и фаза которых задавалась ДН и местоположением облучателя дополнительного канала. В результате, выражение для ДН дополнительного антенного канала имело вид

F(0)= |j }| Л{R)ехр(Rsin0 eos (р - 5/ sin + R&ftlRdw¡bfd<p',

Sanep Вфокмя

где Sar¡ep- площадь раскрыва зеркала (полярные координаты Л,ф); Зфосм- площадь излучающей области фокальной плоскости (полярные координаты 8£,ц>').

Проведенные расчеты для реальных значений смещений из фокуса облучателя дополнительного канала 4Х и 8Х показало, что влияние затенения проявляется в дополнительном понижении уровня ДН в осевом направлении: при А/ = 4 Я на величину 4дБ, при А/ 8Á - на 2дБ, что соответствует уменьшению величины суммарной погрешности &z на 0.3% и 0.15%.

В четвертой главе исследованы возможности оптимизации ДН дополнительного антенного канала адаптивной радиотеплолокационной системы.

В первом разделе при постановке задачи оптимизации составлен в общем виде оптимизируемый функционал L-аФ + рР£ +fjFAon(0), в котором в качестве основной составляющей целевой функции Ф задана мощность излучения принимаемая из области главного лепестка, слагаемое pPs определяет ограничение по чрезмерному понижению суммарной мощности излучения антенны, а функция ограничений F„,,„(()) определяет условие нормировки оптимизируемой ДН.

Во втором разделе рассматривается решение задачи оптимизации дополнительного антенного канала при использовании метода парциальных диаграмм для представления искомой ДН Fv(9) в виде суммы парциальных диаграмм £¿(9), взятых с весовыми коэффициентами ак:

(V

/■\(0)= где gk(0) соответствует парциальной функции рас-

/Ыо

пределения поля срк(Я). Задача оптимизации сведена к решению линейной системы уравнений относительно весовых коэффициентов ак. Для парциальных функций распределения поля принята следующая форма: <pk(R) = (\-Rl)k.

В третьем разделе проанализированы оптимальные характеристики направленности дополнительного антенного канала. По полученным численным значениям интегральных параметров Дм и Абз были сделаны следующие выводы:

-141) порядок полинома N определяет достижимую величину ^;.«jm(Afij=1). Так при N=4 порядок Лгп,опт составляет 10"3, при N=5- 10" при Л'=6 - Ю-5. В результате, при задании высоких N может быть реализован дополнительный антенный канал с минимальными потерями информационного сигнала;

2) параметр фазового распределения поля по раскрыву зеркала л0, задаваемый величиной смещения облучателя дополнительного антенного канала из фокуса влияет на величину 4гл,опт следующим образом: в среднем увеличение х0 на 0.5 л приводит к уменьшению Джотто и соответственно потерь информационного сигнала и величины составляющей суммарной погрешности 5*й,в 1.5-2 раза;

3) параметр амплитудного распределения поля по раскрыву а0 для основного антенного канала, заданного в форме fM„-l- a0R2, тоже оказывает влияние на параметры получаемых оптимальных ДН. Так увеличение а0 от 0 до 0.7 приводит к уменьшению 4*,«™ и потерь информационного сигнала в среднем в 4..6 раз.

Предложен следующий порядок проведения оптимизации ДН дополнительного антенного канала адаптивной радиотеплолокационной системы:

1) определение граничных условий оптимизации Д^, и Ав,з, исходя из требований к величине суммарной погрешности и уровню потерь информационного сигнала;

2) принятие порядка полинома амплитудного распределения поля N, исходя из технических возможностей реализации;

3} назначение границы вариации л0 , при исходной форме ДН основного антенного канала;

4) нахождение оптимальных fN(R) и Fx( в) путем вариации параметров оптимизации (при нежестком задании ДН основного антенного канала в процессе оптимизации может меняться ее форма при подборе наилучшего соотношения в системе параметров л.т и 45,3);

5) оценка достижимого значения суммарной погрешности системы.

В пятой главе рассмотрены тактико-технические характеристики адаптивной радиотеплолокационной системы. Показано, что она не имеет ограничений применения по известным методам проведения измерений, а также по характеру и по угловым размерам зондируемых ме-теообъеетов.

В качестве ограничений на условия проведения измерений отмечены недопустимостимость неравномерности толщины слоя осадков по поверхности зеркала и необходимость обеспечения отсутствия источников сильного шумового излучения в точке вторичного фокуса отраженной от зеркала волны дополнительного антенного канала и в ближней зоне обоих антенных каналов.

Точностные характеристики системы определяются условиями проведения измерений и параметрами антенны. Для обеспечения требуемого значения суммарной погрешности ниже предложен следующий порядок разработки антенны адаптивной радиотеплолокационной системы:

1) по требуемой величине и к2х с учетом допустимого понижения уровня информационного сигнала определить необходимое значение интегрального параметра ЛЛ,, характеризующего форму ДН дополнительного антенного канала в области главного лепестка при заданной форме ДН основного канала, а также допустимую величину параметра дд, характеризующего степень несовпадения коэффициентов отражения

2) по величине допустимой относительной погрешности Л^при определенном значении соотношения Тф !7и, оцениваемом исходя из

условий проведения эксперимента, найти необходимое значение интегрального параметра ^6 l, характеризующего форму ДН дополнительного антенного канала в области рассеивания;

3) исходя из граничных значений параметров А.,и Доопределить оптимальное положение облучателя дополнительного антенного канала и решить вопрос его конструктивного исполнения.

Рассмотрен также вопрос информативности адаптивной радиотеплолокационной системы. Представлено выражение для численной оценки данной величины в случае не полной компенсации помех входного сигнала

Приведены расчеты значений информативности для случая, когда величина суммарного помехового сигнала на входе приемника адаптивной радиотеплолокационной системы равна по уровню чувствительности последнего, т.е. ее предельных значений при заданных параметрах и аг, а также произведена оценка требуемых в таком случае параметров антенны. Так для варианта использования " квазинулевого " радиотеплолокатора с чувствительностью ат = 0.Q\K, для достижения предельной информативности системы при угловом разрешении О.,, = 2\ ее параметры должны быть равны Аб з = 1.0025, А/", = 0.05.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

+ 1

((7;д(*3Д - 1) + Тфцк2д)2 + сV)

1/

/1

-163 Основные результаты работы

В ходе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. При разработке адаптивной радиотеплолокационной системы, оптимизирующей выделение информационного сигнала методом пространственного разрешения

- дано обоснование возможности осуществления указанного метода для апертурных антенн путем задания квадратичного закона фазового распределения поля вдоль раскрыва, а также рассмотрен вариант его практической реализации при смещении облучателя зеркальной антенны из фокуса вдоль фокальной оси,

- сформулированы, исходя из условий оптимальности, требования к ДН дополнительного антенного канала, формирующего компенсирующий сигнал, для соответствующей численной оценки введены параметры Лм и Абз, характеризующие соотношение суммарной мощности основного и дополнительного канала в области главного лепестка и области рассеивания ДН, которые в идеальном случае равны Да=0, А6л=1, и для которых могут быть найдены оптимальные соотношения при вариации параметров амплитудного и фазового распределения поля по раскрыву;

- показана возможность компенсации мультипликативного помехово-го действия слоя осадков на поверхности антенны при осуществлении оценки амплитуды эталонного сигнала при его излучении основным антенным каналом в сторону зеркала и принятии его дополнительным каналом после отражения, при реальных значениях смещения облучателя.

2. Разработан вариант структурной схемы адаптивной радиотеплолокационной системы, содержащей два антенных канала: основной для приема входного сигнала в режиме измерения и дополнительный для формирования компенсирующего сигнала на основе схемы модуляционного радиометра, в выходном сигнале которой при условии оптимальности антенны с точки зрения метода пространственного разрешения отсутствуют помеховые составляющие.

3. Разработан способ оценки точности реализации адаптивной радиотеплолокационной системы при отличии параметров антенны от оптимальных посредством введенных критериев, связывающих их со значениями погрешности оценки радиояркостной температуры зондируемой области, обусловленной не полной компенсацией помех, позволяющий при заданных условиях проведения измерений через соотношение Тф / 7„, точности оценки величины антенной температуры и параметров

антенны, предъявить требования к проектированию антенны, оптимально отвечающей назначению и характеристикам системы.

4. Для зеркальной антенны радиусом 380мм и фокусным расстоянием 380мм с двумя облучателями: для основного канала в фокусе, а для

дополнительного вынесенного из него вдоль фокальной оси промоделированы ДИ обоих антенных каналов в области главного лепестка и области рассеивания на основе известных соотношений апертурного метода и метода ГТД. Полученные данные показали следующее:

- наилучшие условия по степени адекватности в области рассеивания имеют место при одинаковой форме распределения поля и близких уровней облучения края зеркала для обоих каналов; максимальный провал в области главного лепестка наблюдается при расположении.облучателя дополнительного антенного канала в точках, задающих значение фазы на краю раскрыва кратное 2л, соответственно для рассматриваемой антенны при смещениях 4Х,8а и т.д, что определяет суммарную погрешность системы для указанного варианта построения антенны при 5 Тг,=10% и Тф / 7^=20 в 10-20%;

- уточнение параметров дополнительного антенного канала в области рассеивания по методу ГТД определило увеличение расчетного значения суммарной погрешности на единицы процентов, в частности при смещении облучателя из фокуса на АХ эта поправка составила 2%;

- влияние затенения облучателя дополнительного антенного канала определяет небольшое увеличение провала в области главного лепестка и соответственно уменьшение величины суммарной погрешности , которое по данным расчетов составило для смещения облучателя на АХ -0.3%, на 8),-0.15%.

5. Разработан метод оптимизации ДН дополнительного антенного канала, реализуемого при смещении облучателя из фокуса вдоль фокальной оси, по значениям интегральных параметров А,, и А6э. Полученные данные показали возможность получения ДН с требуемым порядком величины А,, при обеспечении условия Аб , «1 даже при смещениях, соответствующих величине фазы на краю раскрыва % и 1.5л.

6. Проанализированы обобщенные тактико-технические характеристики адаптивной радиотеплолокационной системы. На примере зондирования атмосферы показано, что она не имеет ограничений в применении для исследования метеообъектов, отличающихся как по характеру, так и угловым размерам, а также и по методам проведения измерений. Точностные характеристики системы , а также эффективность с точки зрения потерь информационного сигнала задаются параметрами антенной системы. В работе рекомендовано для значений суммарной погрешности в пределах 10-20% реализовать антенну в виде зеркальной антенны с двумя разнесенными вдоль фокальной оси рупорными облучателями.

- 184 Публикации по теме диссертации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Фалин В.В. Федосеева Е.В. Радиометрическая система, адаптированная к воздействию помехообразующих факторов подстилающей поверхности и слоя осадков на антенне. Тезисы докладов II научной конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" - М.: Наука, 1992, 2с.

2. Фалин В.В. Федосеева Е.В. Компенсация помехонесущих сигналов в радиометрических системах. Тезисы докладов VI Всероссийской НТК "Радиоприем и обработка сигналов", посвященная 75-летию Нижегородской лаборатории. - Н.Новгород, 1993,0.5с.

3. Фалин В.В. Федосеева Е.В., Соловьев Л.П. Математическая модель расчета ДН зеркальной антенны. Труды Всероссийской НТК с международным участием "Разработка и применение САПР ВЧ и СВЧ электронной аппаратуры". - Владимир, 1994, 2.5с.

4. Falin V.V., Fedoseeva E.V., Solovjov L.P. The use of balanced mixer features in construction EHF radiometers. International Simposion "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" - Kharkov, 1994,2p.

5. Фалин В.В. Федосеева Е.В. Совмещение функций преобразователя частоты и модулятора балансным смесителем в радиометрии СВЧ. Международная НТК "Проблемы радиоэлектроники" (К 100-летию радио).-М., 1995, 1с.

6. Фалин В.В. Федосеева Е.В. Использование асимптотического метода при построении математической модели расчета ДН антенны. Тезисы докладов Международной НТК "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем". - Пенза, 1995, 2.5с.

7. Фалин В.В. Федосеева Е.В. Решение задачи оптимизации при моделировании ДН антенных систем. Сб. Докладов Международной НТН "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качестве приборов, устройств и систем". - Пенза, 1996, 1.5 с.

8. Фалин В.В. Федосеева Е.В., Соловьев Л.П. К вопросу реализации метода дифференциальных измерений в радиометрических система) дистанционного зондирования. Тезисы докладов XVIII Всероссийски конференции по распространению радиоволн. - С.-Петербург, 1996, т.1 2с.

9. Фалин В.В. Федосеева Е.В., Соловьев Л.П. Математическая мо дель ДН зеркальной антенны по методу геометрической теории дифрак ции. Сб. Докладов Международной НТК "Актуальные проблемы анализ; и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем". Пенза, 1997, 1с.

Соискатель ---Е.В.Федосеева