автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов акусто-оптической обработки сигналов при избирательной фотодетектирования в интересах создания многофункциональных структурно-однородных радиотехнических систем и комплексов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

тгт-щ*-иг:-

На правах рукописи

2 0.; ■''■■'

ЦЫГАНКОВА Анна Валентиновна

УДК 535.8(07)+621.352.2: 317.7(07.07)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ АКУСТО-

ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ ИЗБИРАТЕЛЬНОМ ФОТО ДЕТЕКТИРОВАНИИ В ИНТЕРЕСАХ СОЗДАНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТРУКТУРНО-ОДНОРОДНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог, 1997 г.

Работа выполнена в ТАГАНРОГСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ РАДИОТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ на кафедре РПрУ

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор К.Е.Румянцев

Официальные оппоненты

академик МАИ, доктор технических наук, профессор А.П.Дятлов кандидат технических наук, с.н.с. В.В.Байлов

Ведущая организация

ВНИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону)

1997 г. в

часов

Защита диссертации состоится "_"_

на заседании диссертационного совета К 063.13.02 ТРТУ в зале заседаний по адресу: г. Таганрог, пер.Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ.

Автореферат разослан "_"_

1997 г.

Ученый секретарь специализированного кандидат технических наук, доцент

В.В.Шебдлков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке акустооптических алгоритмов обработки сигналов при избирательном фотодетектировании в интересах создания многофункциональных, структур-но-однородных радиотехнических устройств и систем, работающих в широком частотном диапазоне, в условиях априорной неопределенности радио-электронной обстановки и обладающих высокой пропускной способностью.

Актуальность работы

Решение современных и перспективных радиотехнических задач га области пассивной радиолокации, радионавигации, 'радиоконтроля, радио-измерений и других обуславливает необходимость поиска, исследования и разработки все более эффективных методов и алгоритмов обработки радиосигналов.

В настоящее время существует большое многообразие методов эбработки радиосигналов, в частности методы традиционной радио-)лектроники, функциональной .электроники, цифровые. В диссертации главное внимание уделено исследованию акустооцтического' метода обработки радиосигналов при использовании возможностей и трсимуществ избирательного фотодетектирования на базе классической акустооптической схемы Ламберта. Количество публикаций то результатам различных исследований в области акустооптики постоянно растет, что обусловлено её исключительно высокими потен-щальными возможностями, которые в настоящее время далеко не 1счерпаны и поиск новых эффективных методов и алгоритмов аку-:то-оптической обработки следует считать актуальным.

В связи с огромным быстродействием устройств акустооп-пческой обработки радиосигналов предложенные в работе алгорит-!ы ориентированы на построение многофункциональных гибридных налого-цифровых устройств и систем.Структурная однородность юлученных алгоритмов позволяет реализовать модульный принцип остроения многофункциональных устройств и унифицировать эле-[ентную базу, что является актуальным и имеет важное пародно-озяйственное значение.

Цель работы

Изыскание, разработка и исследование новых алгоритмов аку-гооптической обработки, базирующихся на использовании клас-пческой акустооптической схемы Ламберта и принципа избиратель-ого фотодетектирования в интересах построения многофункцио-

нальных структурно-однородных информационно-измерительных систем, предназна-ченных для работы в широком диапазоне частот в условиях априорной неопределенности и обладающих высокой пропускной способностью.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач.

1. Изыскание и исследование алгоритмов и структур построения акустооптических устройств, обеспечивающих в процессе панорамного приема оценку параметров сложных радиосигналов (ЧМ, ФКМ,. ЧМ-ФКМ) на основе избирательного фотодетектирования, при котором опорный сигнал формируется из анализируемого.

2. Разработка и исследование алгоритмов акустооптической обработки для оценки параметров внутриимпульсной модуляции радиосигналов на основе принципа избирательного фотодетектирования при использовании опорного сигнала от вспомогательного генератора.

3. Разработка и исследование алгоритмов и структур построения устройств оценки неидентичности фазовых и амплитудных параметров радиосигналов для реализации амплитудных, фазовых и ампли-

, тудно-фазовых пеленгаторов.

4. Анализ и оценка помехоустойчивости основных алгоритмов и структур предложенных акустооптических устройств.

5. Определение номенклатуры базовых модулей и принципов комплексирования для обеспечения построения многофункциональных структурно-однородных информационно-измерительных систем и комплексов.

Методы исследования

В работе использованы различные методы исследования: аналитические (элементы математического анализа, аналитической геометрии, теории вероятностей и математической статистики, статистической радио-электроники), моделирование на ЭВМ с элементами статистической обработки результатов и экпериментальные.

Научная новизна работы

1. Впервые сформулирована и решена задача оценки параметров внутриимпульсной модуляции ЧМ сигналов в процессе акустооп-тического панорамного приема на основе способа предварительной электронной обработки, защищенного авторским свидетельством, суть которого состоит в разветвлении анализируемого сигнала на два, задержке одного из них и совместной подаче на акустооп-тический процессор.

На основе данного способа обработки предложены и исследованы алгоритмы оценки бинарных и многофазных ФКМ сигналов и комбинированных ЧМ-ФКМ сигналов.

2. Предложен усовершенствованный алгоритм, базирующийся на предварительной квадратурной суммарно-разностной обработке -анализируемого сигнала перед подачей на двухканальный акустооп-гический панорамный приемник.

3. Разработаны и исследованы алгоритмы оценки закона и параметров внутриимпульсной модуляции сложных сигналов, использующие преимущества принципа асинхронного фотодетектирования применительно к акустооптическому панорамному приему, по результатам которого формируется внешний опорный сигнал.

4. Предложены и исследованы алгоритмы оценки. фазовых и аплитудных различий двух сигналов, однородные другим синтезированным в работе структурам и предназначенные для реализации различных типов угломерных устройств.

5. Разработана номенклатура базовых модулей для реализации многофункциональных информационно-измерительных систем различного назначения.

Предложена обобщенная структурная схема многофункциональной системы, обладающая за счет определенной избыточности универсальностью в части реализации различных алгоритмов.

Практическая значимость работы

Результаты работы, выраженные в предложенных- методах, алгоритмах и синтезированных структурах могут быть использованы при разработке новых эффективных многофункциональных информационно-измерительных радиотехнических систем различного целевого назначения, работающих в широком частотном диапазоне в условиях многосигнальной априорно-неопределенной радиообстановки, обладающих высокой пропускной способностью.

На защиту выносятся:

1. Метод оценки параметров ЧМ сигналов, реализуемый в процессе акустооптического панорамного приема.

2. Алгоритмы оценки ФКМ сигналов и комбинированных ЧМ-ФКМ сигналов при акусюоптическом панорамном приеме.

3. Алгоритмы оценки параметров внутриимпульсной модуляции •южных сигналов (ЧМ, ЧМн, ФКМ и ЧМ-ФКМ) при их квадра-I урной суммарно-разностной предварительной электронной обработке и последующей акустооптпческой обработке результирующих сигналов.

4. Алгоритмы оценки параметров сложных сигналов (ЧМ, ЧМн, ФКМ н ЧМ-ФКМ) на основе использования схемы дкустооп-тического панорамного приемника прямого усиления и механизма асинхронного фотодетектирования с учетом использования методики повышения точности измерения частоты при панорамном приеме.

5. Алгоритмы.оценки амплитудных и фазовых .различий сигналов при суммарной (разностной) и суммарно-разностной акустооп-тической обработке в интересах реализации амплитуднь1Х, фазовых и амплитудно-фазовых измерителей направления.

6. Результаты анализа помехоустойчивости предложенных алгоритмов на основе аналитических исследований, математического моделирования и физического эксперимента.

7. Рекомендации по номенклатуре базовых модулей для построения многофункциональных информационно-измерительных устройств и систем, использующих акустооптические тракты обработки.

Внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены в: ВНИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону) при выполнении х/д работы N 11328; ТРТУ при выполнении г/б работы №11351 и в учебном процессе на каф. РПрУ и РТС; ТНИИС (г. Таганрог); ВИКА им. А.Ф. Можайского (г.Санкт-Петербург); АОЗТ "Метроком" (г.Санкт-Петербург).

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на' республиканском научно-техническом семинаре "Акустооптика в физике и технике" (г.Ленинград, 1989 г.), на XII регионально-республиканском семинаре "Элементы приемно-усилительных устройств (г.Таганрог, 1989 г.), на международной 1 конференции "Akousto-optics: reseachs and developments" (Leningrad, 1990 г.), на областной научно-технической конференции, посвященной Дню радио (г.Ростов-на-Дону, 1991г.), на I всесоюзной конференции "Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам" (г.Евпатория, 1990 г.), на научно-техническом семинаре с международным участием "Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях' априорной неопределенности" (г.Таганрог, 1994 г.), на ХХХХ научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ТРТУ (г. Таганрог, 1995г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы получена 18 публикация из них 2 авторских свидетельства.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы (99 наименований), содержит 171 страницу текста, включая 49 рисунков на 44 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Во введении обоснована актуальность темы, проанализировано состояние проблемы, сформулирована цель и задачи исследования.

1. Исследование методов измерения параметров сложых сигналов при акустооптическом панорамном приеме

Раздел посвящен изысканию и исследованию эффективных алгоритмов функционирования и структур построения акустооп-гических систем, обеспечивающих наряду с панорамным приемом одновременный анализ внутриимпульсной модуляции сложных сиголов.

Для решения поставленной задачи в части анализа 4M сигналов федложен способ, защищенный авторским свидетельством, суть ко-орого заключается в предварительной электронной обработке ана-шзируемого сигнала в соответствии с алгоритмом

Sp(t) = k[S(t)±S(t-x3)], (1)

к - коэффициент передачи преобразования; Т^ - время задерж-

:и, выбираемое много меньше длительности сигнала, соизмеримо с го интервалом корреляции, но меньше временной апертуры акусто-птического модулятора света.

Если входной сигнал квазигармонический с амплитудой А0, редней частотой W0 и фазой Ф(1), то отклик на выходе фотопри-мника с учетом соответствующей фильтрации имеет вид

£/ф„(/) = U0 cos{W0x3 + Ф(/) - Ф(/ - т3)},

частота которого как производная полной фазы определяется ыражением

Жф,(0 = х3Ф"(Г)-т5Ф"'(0 + ^Ф/к(Г) - ... .

Определение средней частоты производится традиционно с небольшой дополнительной погрешностью, которая в принципе может быть учтена.

При оценке параметров внутриимпульсной модуляции необходимо измерять ^фпСО = У(0 ' Т 3 или полупериод выходного сигнала Гфп(£)=тс/Мфп(0, т.е. использовать способ измерения частоты или времени.

Проведен анализ возможных способов обработки сигналов фотоприемника с учетом диапазона изменения параметров анализируемых сигналов.

Результатом развития- предложенного метода является использование предварительной электронной обработки в соответствии с алгоритмом

= - г-з),], (2)

где <£(?) - сигнал, сопряженный по Гильберту с анализируемым.

Сигнал на выходе фотоприемника имеет вид и,п (Г) = и0 ыфГ.т, + Ф(0 - Ф(1 - т3)]

и его полную фазу можно определить как

=щ>ь + т3т ф"(ои,м-

Частота сигнала фотоприемника определяется как производная полной фазы

Последовательно дифференцируя можно выявить всю

информацию о законе изменения частоты анализируемого сигнала. Устройство обработки сигналов фотоприемника может быть реализовано в виде специализированного или универсального цифрового процессора с соответствующим программным обеспечением. Не исключено использование аналоговой обработки, хотя и менее эффективно.

В разделе также исследуется возможность и особенности использования предложенного метода и алгоритмов для анализа фазо-манипулированных, частотно-манипулированных и комбинированных сигналов. •

При воздействии на.вход системы бинарного ФКМ сигнала

5(0 = U0 cos[W0í(-\)k 7t / 2rect(t - tk )],

где tk - моменты изменения фазы, к = О, ±1, ±2, ..., ±m сигнал на выходе фотоприемника имеет вид:

ифп (0 = и0 со5[жо г3 - (=-1)* л- / 2]rect{\ - r3) - rect{\ -tk-r3). Анализ данного выражения показывает, что при выполнении условий Щ)Т3 = к ■ 2л и т3 < т0 (оптимальный случай г3 =0,5г0), где

Т0 - элементарный интервал ФКМ сигнала, на выходе фотоприемника формируется последовательность импульсов длительностью T-¡ ,

отображающая манипули-рующую функцию сигнала и описываемая выражением

m

U^t)"=Xuo^rect{t-(tk + t3)}.

к=0

Уровень импульсов 11офп максимален на частотах Wk = 2nk/T3, по мере отклонения от этого условия уменьшается и на

частотах Wck = п(\ + 2к) 12тъ, названных в работе "слепыми частотами" выделение манипулирующей функции невозможно. Эта проблема может возникнуть и при определенных условиях панорамного приема простых сигналов в одноканалыюй акустооптической системе с алгоритмом предварительной обработки (1).

Проблему обработки сигналов в области "слепых частот" предложено решать следующими способами:

- переходом от алгоритма (1) к алгоритму (2) предварительной электронной обработки, при этом области "слепых частот" и "частот прозрачности" меняются на противоположные;

- изменением величины задержки в блоке предварительной электронной обработки, что приводит к смещению "слепых частот";

- совместным использованием алгоритмов (1) и (2) с выделением манипулирующей функции в виде

Ф{1) = ат^ифпШф). (3)

Предложенные алгоритмы позволяют осуществлять оценку параметров многофазных сигналов. Анализ показал, что наиболее эффективно задача решается путем выделения манипулирующей функции в форме (3).

В связи с возросшим в последнее время интересом к использованию частотно-фазо-манипулированных (ЧФМ) сигналов, проведен

анализ возможности оценки их параметров с помощью предложенных алгоритмов.

Таким образом, на основании предложенного метода и проанализированных алгоритмов возможна реализация различных структур построения многофункциональных систем, обеспечивающих в процессе панорамного приема оценку параметров сложных сигналов с различными видами внутриимпульсной модуляции. Приведен вариант обобщенной схемы, сочетающей в себе преимущества всех вариантов.

2. Исследование возможности использования избирательного фотодетектирования при анализе сложных сигналов акустооп-тическими методами

Новизна материалов второго раздела заключается в использовании теории и практики асинхронного детектирования применительно к акусто-оптическому панорамному приему при использовании ^опорного сигнала вспомогательного генератора для решения задачи оценки параметров сложных сигналов. Основной прёдпосылкой к этому является высокая точность определения частоты при акустооп-тическом панорамном приеме.

Располагая такой информацией,обеспечивается настройка дополнительно введенного синтезатора частот, работающего в полосе панорамного акустооптического приемника, на частоту принимаемого сигнала S(t) и осуществление их совместного фотодетектирования, подавая на вход акустооптического процессора результирующий сигнал

Sp(t) = S(t) ±Son(t) ,

где Son(t) - сигнал вспомогательного генератора.

Если анализируемый и опорный сигналы имеют вид S(t)=U(t)cos(W0t+cD(t)+Oo), Son(t) =Uon cos(Wont+cPon), то сигнал на выходе соответствующего элемента фотоприемника имеет вид

ифп(0 = k-U(t)-U0„.cos{ (W0-WonH + ф(0 + Ф0 - Фоп}, (4)

где к - коэффициент передачи акустооптического тракта.

Специфичность откликов системы на различные виды сигналов и их высокая различимость позволяют производить визуальную классификацию и оценку параметров, включая временные и частотные параметры внутри-импульсной модуляции. В материалах раздела приводятся формулы для оценки допустимой погрешности настройки по частоте вспомогательного генератора и погрешностей оценки параметров с выборочными количественными данными.

Для автоматизации процесса анализа и повышения эффективности предлагается переход к совместной реализации алгоритмов (1) и

(2) и вычислению полной фазы отклика по' формуле (3), т.е. использование технического решения, однородного описанному в первом разделе и основанному на предварительной электронной обработке с получением квадратурных составляющих и суммарно-разностной обработке .

Для повышения помехоустойчивости и эффективности оценки возможна реализация автоподстройки частоты и фазы опорного генератора и в пределе переход к синхронному фотодетектированию.

Для снижения влияния динамического диапазона уровней входных сигналов, как видно из (3) можно организовать АРУ за счет регулировки иоп.

В данном разделе, как возможная альтернатива, проведен анализ, с привлечением экспериментальных - результатов, алгоритма двухкоординатной акустооптической обработки сложных сигналов. Несмотря на простоту, этот алгоритм признан менее эффективным из-за значительно более низких функциональных возможностей и универсальности, а также неоднородности акустооптического блока аппаратурным реализациям ранее рассмотренных технических решений.

Итак, в результате проведенных исследований:

- показана возможность оценки параметров внутриимпульсной модуляции сложных сигналов как визуально, так и в автоматическом режиме;

- предложенные« алгоритмы оценки параметров сложных сигналов при панорамном акустооптическом приеме и использовании асинхронного фотодетектирования являются структурно-однородными алгоритмам, рассмотренным в первом разделе, возможна также унификация программных алгоритмов вторичной обработки;

- в связи с реализацией принципа асинхронного фотодетектирования предложен-ную систему обработки можно рассматривать как квазиоптимальную по помехоустойчивости.

3. Разработка и исследование алгоритмов угломерных систем на основе использования акустооптических приемных трактов

Третий раздел посвящен разработке и исследованию алгоритмов и структур построения устройств оценки фазовых и амплитудных различий сигналов для определения направления на источник излучения.

В основе алгоритмов лежат принципы предварительной суммарно-разностной обработки анализируемых сигналов и акустооп-тические приемные тракты, рассмотренные в первом разделе.

В результате предварительной суммарно - разностной- обработки сигналов Si(t)=A] cosWot и S2(t) = А2 cos(Wot + Ф) и их совместного прохождения через акустооптический тракт на выходах фотоприемников соответственно суммарного и разностного каналов с коэффициентами передачи соответственно lq и кг имеем:

U^ - 0,5/сД2 + 0,5АГ]Al + COS <р ^

ыфр = 0,5/^А^ +0,51^4% -k2A1A2costp

При А)=А2=А, что соответствует случаю чисто фазового пеленгования, решение системы (5) приводит к различным алгоритмам измерения разности фаз, в зависимости от аппаратурных затрат:

- при реализации одноканальной акустооптической схемы и од-ноканальной предварительной обработки (суммарной или разностной)

Ф - arccos

ik 1

или Ф = arccos

! ^Фр

\

\

U*.

где Uф,с — kjA2, С/ф,р = к2А2. Реализация алгоритма требует соответствующей коммутации на входе системы;

- при введении полной суммарно-разностной предварительной обработки

Ф = arccos—, <-6)

- в результате преобразования алгоритма (6) приходим к алгоритму, однородному рассмотренным в первых двух разделах

Ф = larctg.

(7)

который может быть реализован на основе как одноканальной, так и двухканальной акустооптичекой схемы;

- при использовании предварительной суммарно-разностной обработки сопряженных по Гильберту сигналов получен вариант алгоритма

<р = arctg

"фс ~ "фр Мфс ~~ Мфр

требующий реализации-двухканального устройства. Естественно, при обеспечении полной идентичности каналов выражения упрощаются.

Область определения Ф составляет [0; я], -причем Ф<п/2, если .ифс>ифр и наоборот. Значение Ф= тс/2 соответствует случаю равен-' ства выходных сигналов суммарного и разностного каналов.

. Получены алгоритмы, работающие и в случае А^Аг, на базе которых синтезированы различные варианты структур построения фазометрических устройств, а на их основе - фазовых пеленгаторов. Проведен их сравнительный анализ по быстродействию и аппаратурным затратам.

Для реализации амплитудного и амплитудно-фазового методов пеленгования были получены различные формы алгоритмов определения уровней и отношения уровней обрабатываемых сигналов Л. В частности, при Ф=0, т.е. для чисто амплитудного пеленгования

Л, 2 — Г--- "

Выбор используемых знаков в числителе и знаменателе определяется взаимным соотношением уровней сигналов А{ и А2.

Предложено два способа аппаратурного решения этой проблемы: усложнение акустооптического блока, за счет введения дополнительного фотоприемника или, использование устройств коммутации в блоке предварительной электронной обработки, обеспечивающих поочередное прохождение сигналов 'чере^г систему для получения отсчетов и'фс и и'фр. Первый вариант менее предпочтителен, т.к. приводит к структурной неоднородности синтезированным ранее алгоритмам.

Направление на источник излучения при реализации амплитудного пеленгования сводится к вычислению функционала

а = Ф[<2,(Фо)> <22(Ф0)> "Л],

где 01 (Фо), Ог(Фо) " характеристики направленности антенных систем первого и второго каналов, Фо - угол отклонения максимума характеристики направленности от равносигнального направления.

В разделе приведена методика оценки систематических и сред-неквадратических случайных погрешностей определения разности фаз, уровней и отношения уровней сигналов, как продуктов косвенных измерений.

Как альтернативный вариант технического решения показана принципиальная возможность решения задачи определения сдвига фаз и фазового пеленгования на основе малоапертурной схемы акустооптического измерителя ФКМ сигналов, предложенного и разработанного Б.Н. Вольфовским и В.Г. Сердюковым.

Таким образом, полученные в разделе алгоритмы оценки амплитудных и фазовых различий двух сигналов позволяют реализовать устройства определения направления на источник излучения и решения ряда навигационных задач. Все предложенные устройства однородны по составу базовых модулей как между собой, так и по отношению к системам обработки сложных сигналов, синтезированных в других разделах диссертации.

4. Обработка сигналов фотоприемника, оценка помехоустойчивости, комплексирование. некоторые экспериментальные результаты

В данном разделе проводится конкретизация технических решений 'и некоторых системных аспектов обработки сигналов фотоприемника, анализируется возможность и способы повышения точности определения частоты при акустооптическом панорамном приеме, дается оценка и сравнительный анализ помехоустойчивости предложенных в диссертации алгоритмов, приводятся результаты моделирования 1Т некоторые экспериментальные результаты, определяется номенклатура и структура базовых модулей для построения многофункциональных информационно-измерительных устройств.

В результате сравнительного анализа существующих типов фотоприемников, даются рекомендации по их использованию в тех или иных вариантах алгоритмов.

Далее рассмотрен способ обработки сигналов с выхода фотоприемника, основанный на теории решетчатых функций, для алгоритма оценки параметров внутриимпульсной модуляции ЧМ сигналов, предложенного и исследованного в первой главе. Разности дискретных отсчетов функции полупериода сигнала фотоприемника являются аналогами производных модулирующей функции соответствующего порядка, несущих информацию о законе внутриимпульсной модуляции. Разность к-го порядка определяется выражением

дискретным аналогом к-й производной функции изменения полной фазы анализируемого сигнала.

Численная оценка показала, что для восстановления большинства практически применяемых законов внутриимпульсной модуляции достаточно вычислить не более четырех разностей. Показана возможность аппаратурной реализации данного способа.

(— | =-—- - биноминальный коэффициент, и является

у1(к-.у)1

Для обеспечения эффективности использования принципа аслн-хронного фотодетектирования проанализирован ряд аспектов повышения точности1 определения частоты при акустооптическом панорамном приеме.

При анализе помехоустойчивости панорамного приема было получено выражение для оценки среднеквадратической ошибки определения несущей частоты анализируемого сигнала _зУ2О-_ЗузУ2СГ_ 3 Г <Г Ьщ

где ст - среднеквадратическое значение шума, Т_Го ~ амплитуда анализируемого сигнала, Т - временная апертура акустооптпческого модулятора, Ь - его пространственная апертура, Уз - скорость ультразвука, Е/N0 -отношение сигнал-шум по'энергии.

На рис.1 представлено рассчитанное семейство зависимостей среднеквадратичес-кой ошибки определения частоты от отношения сигнал /шум для различных значений интервала аку-стооптического взаимодействия Т. Анализ данных зависимости'! позволяет, .определить пороговое отношение сигнал/щум для обёспечения требуемого уровня флюктационной ошибки. Инструментальная составляющая погрешности измерения средней частоты определяется количеством элементов фотоприемника, способом обработки и регистрации выходного сигнала.

Для увеличения точности привязки регистрируемого сигнала к шкалё пространственных частот важной задачей 'является повышение крутизны скатов отклика. Это улучшает различимость сигналов, что особенно важно в условиях автоматического съема информации. В результате анализа различных способов решения этой задачи сделан вывод о наибольшей эффективности следующих подходов:

- оптического, основанного на использовании транспаранта с изменяющейся по определенному закону прозрачностью для формирования соответствующей формы светового пучка в апертуре акусто-оптического взаимодействия;

Яг, кГц 900 600 300

о

X Т=]Мкс

10

20

ис

-,дБ

\[7<у

Рис. 1. Зависим остьсреднеквадрати-ческой ошибки определения частоты от отношения с/ш для различных величин задержки

- использование аддитивной обработки сигналов фотоприемника.

Суть оптического метода вытекает из свойств пространственного преобразования Фурье. При изменении прозрачности транспаранта по Гауссовому закону форма отклика изменяется по тому же "закону обеспечивая лучшую разрешающую способность. При использовании транспаранта с прозрачностью sine (х) форма отклика становится прямоугольной, что повышает точность отсчета частоты. С помощью моделирования на ЭВМ решалась задача оптимизации масштаба транспаранта вдоль пространственной апертуры модулятора. Машинный эксперимент, в частности, показал, что при размещении в апертуре только главного лепестка функции sine (х) крутизна фронтов отклика, по сравнению со случаем равномерного распределения, увеличивается на порядок, а амплитуда отклика• при этом снижается на 10%.

В материалах раздела поясняется принцип и алгоритм аддитивной обработки, анализ которой показал, что достигается в определенной мере инвариантность отклика к изменению уровня входного сигнала, обусловленная инвариантностью нулей . результирующей АЧХ фильтрующей системы в динамическом диапазоне уровней, а также улучшается степень различимости двух сигналов по частоте примерно на 30% по сравнению с. Гауссовым фильтром. Наиболее эффективно использование аддитивной обработки в случае многоэлементных фотоприемников. Показана аналогия с системой функционирования биологических механизмов органов зрения.

Далее приводится сравнительный анализ помехоустойчивости синтезированных в первых двух разделах алгоритмов. Получены выражения для пикового' отношения сигнал/шум, характеризующие степень приближения к потенциальному значению при оптимальной обработке.

При синхронном фотодстектпровапии отношение сшнал/шум определяется выражением

q„=ein0,

из которого следует, что имеется проигрыш на 3 дБ по сравнению с потенциальным уровнем:

В случае реализации алгоритма оценки параметров сигналов в процессе акустооптического панорамного приема, представленного в первом разделе

где р(т3)- коэффициент корреляции анализируемого и задержанного сигнала. Отсюда следует, что проигрыш по сравнению с потенциальным уровнем более, чем на 6 дБ и возрастает с увеличением

^з-

При асинхронном фотодетектировании гармонического сигнала уу0 .

где р(Лр - коэффициент корреляции по частоте анализируемого и опорного сигнала. Повышение точности настройки опорного генератора с помощью ФАПЧ дает приближение к потенциальному уровню. Таким образом полученные оценки подтверждают близость предложенных методов к оптимальному.

При проектировании важно определить пороговое отношение сигнал/шум, обеспечивающее работу устройств в области нормальных ошибок. Эта задача решена с помощью математического моделирования функционирования устройства ■ оценки параметров сложных сигналов в процессе панорамного приема, на основе алгоритма обработки, синтезированного в первом разделе, в результате которого получены зависимости среднеквадратической ошибки измерения полупериода выходного сигнала фотоприемника в функции от отношения сигнал/шум по напряжению, показанные на рис.2. На данном рисунке показана также соответствующая зависимость для случая согласованной фильтрации (СФ).

Из результатов моделирования следует:

- предложенный алгоритм близок по помехоустойчивости к оптимальному;

- область перехода от нормальных ошибок к аномальным ярко выражена, при значениях отношения сигнал/шум больших 20 разница между оптимальным методом обработки и предложенным не существенна;

- с увеличением задержки согласуется с выражением (8).

/

СФ^

8п

о ю 20

Рис.2. Зависимость среднеквадратической погрешности измерения полупериода от соотношения сигнал/шум по напряжению

помехоустойчивость снижается, что

Экспериментальная часть диссертации включает в себя описание, вопросы технической реализации, технические характеристики и рс ^ льтаты испытаний экспериментального образца акустооптнческой системы панорамного приема и оценки параметров сигналов, содержащей два канала обработки.

В результате физического моделирования также проверено функционирование системы при асинхронном приеме простых, ЛЧМ и ФКМ сигналов, в результате которого установлено, что сигналы достаточно хорошо различимы и метод позволяет оценивать их параметры.

В заключение четвертого раздела подытожены принципы ком-плексирования радиотехнических устройств и систем, использующих методы и алгоритмы, разработанные и исследованные в диссертации и обеспечивающих повышение многофункциональности устройств. Анализ показал, что для решения всех задач поставленных и исследованных в диссертации можно использовать одну и ту же структуру построения, реализующую квадратурную суммарно-разностную обработку на основе базовых модулей входного электронного устройства и двухканалыюго акустооптического блока, каждый из каналов которого выполнен по основной акустооптнческой схеме.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания многофункциональных структурно-однородных информационно-измерительных систем и устройств на основе методов и средств акустооптнки, использующих избирательное фотодетектирование.

Основные научно-технические результаты работы состоят в следующем:

1. Предложен оригинальный способ акустооптнческой обработки, на основе которого разработаны алгоритмы и структуры построения устройств, обеспечивающие в процессе панорамного приема определение законов и параметров внутриимпульсной модуляции ЧМ, ЧМн, бинарных и многофазных ФКМ и комбинированных сигналов. Предложенные -.технические решения отличаются простотой акустооптических схем и позволяют повысить функциональные возможности системы в 5-6 раз.

2. В результате использования принципов асинхронного детектирования при внешнем опорном сигнале применительно к акустооп-тическому панорамному приему синтезированы алгоритмы и структуры устройств, позволяющих решать задачи анализа внутриим-

пульсной модуляции различных типов сложных сигналов как в визуальном, так и в автоматическом режиме. Данные алгоритмы функционально и структурно однородны упомянутым выше, однако по-. генциально обладают меньшим быстродействием и пропускной способностью. При этом их помехоустойчивость выше, т.к. отношение сигнал/шум возрастает на 3 дБ.

3. На основе использования акустооптических приемных трак- ■ тов с предварительной квадратурной суммарно-разностной обработкой разработаны и исследованы алгоритмы измерения сдвига фаз и амплитудных характеристик двух анализируемых сигналов, позволяющих реализовать решение радионавигационных задач в процессе панорамного приема, т.е. расширить функциональные возможности однородных технических решений.

При отношении сигнал/шум 40 дБ с учетом (с учетом проигрыша в помехоустойчивости) среднеквадратическая ошибка измерения разности фаз 0,4 град., а при измерения амплитуды - 0,7%.

4. С целью повышения эффективности избирательных способов фотодетектирования проанализирована проблема повышения точности измерения частоты при акустооптическом панорамном приеме. Наиболее эффективными следует считать оптический способ, основанный на формировании пространственной световой апертуры с помощью транспарантов с изменяющейся функцией прозрачности и способ аддитивной обработки сигналов фотоприемника. В результате машинного моделирования установлено, что при использовании оптического транспаранта с функцией прозрачности этсСх) увеличение крутизны фронтов отклика обуславливает снижение погрешности измерения частоты примерно на порядок. Использование Гауссового транспаранта увеличивает разрешающую способность по частоте, при этом погрешность измерения частоты снижается также примерно на порядок. Исследование механизма аддитивной обработки показало улучшение степени различимости двух сигналов одного уровня на 30% и повышение крутизны фронтов отклика выходного сигнала, а следовательно, снижение погрешности измерения частоты.

5. Исследование помехоустойчивости синтезированных в диссертационной работе алгоритмов, позволяет сделать вывод о том, что предложенные устройства квазиоптимальны.

6. Полученные в результате моделирования на ЭВМ процесса оценки параметров ЛЧМ сигнала при панорамном акустооптическом приеме зависимости среднеквадратической ошибки измерения частоты от отношения сигнал/шум при разных значениях величины задержки показали близость предложенного метода по помехоустойчивости к оптимальной процедуре, позволили определить об-

ласти нормальных и аномальных ошибок и требуемое отношение сигнал/шум, которое составило 10-15 раз по напряжению.

7. Изготовлен и испытан экспериментальный образец акустооп-' .емкого устройства оценки параметров сигналов при акустооп-

тическом панорамном приеме, реализованный в двухдиапазонном варианте. Погрешность измерения частоты при визуальной индикации составила не более 1%, а в автоматическом режиме 0,5%, что достаточно для эффективной реализации асинхронного фотодетект'ирова-ния.

8. Предложены принципы комплексирования, позволяющие создавать многофунциональные структурно и конструктивно однородные информационно-измерительные системы на основе ограниченного числа базовых модулей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.C. N 31930. Регистр. 1.10.1990, приоритет 3.05.89 Сердюков В.Г., Цыганкова A.B., Раздобудько В.В., Крикотин C.B.

2. A.C. N 1658049 МКИ 5 G01 N 23/04 от 23.06.91 Рентгеноте-левизионный дефектоскоп. Румянцев К.Е., Цыганкова A.B.

3. Сердюков В.Г., Цыганкова A.B. Акустооптический приемник-измеритель //В сб. Элементы приемно-усилительных устройств. XII Региональная НТС.- Тезисы докладов.- Таганрог.: • ТРТИ.-1990,- с.47-50.

4. Сердюков В.Г., Цыганкова A.B. Анализ процесса поэлементной обработки ФКМ сигналов акустооптическим спектроанализато-' ром //Радиотехника,- 1991.-N10.- с.100-101.

5. Корсунов П.И., Цыганкова A.B. Акустооптоэлектронная система приема приема и обработки сигналов //В сб. Вопросы обработки сигналов в системах пассивной радиолокации.- Таган-рог.:ТРТИ.- 1991.-Вып.6(Х!). -с.83-88

6. СердюковВ.Г., Корсунов П.И., Цыганкова A.B. Многоканальный акустооптический измеритель параметров 4M сигналов //В сб. Вопросы формирования и обработки сигналов в радиотехнических устройствах и "системах.- Таганрог.: ТРТИ,- 1991.-Вып.6(Х!).- с.66-69.

7. Цыганкова A.B., Корсунов П.И.. Способ акустооптической обработки сложных сигналов. - Акустооптика в физике и технике.-Всероссийская школа-семинар.- тез. докл.-Ленинград.: ЛИАП,- 1989.

8. Сердюков В.Г., Цыганкова A.B., Клименко П.П. Фазомет-рическое устройство / /Областная НТК, посвящишая Дшо радио.-тез. докл.- Ростов-на-Дону.- 1991,- с. 68.

9. Сердюков В.Г., Цыганкова A.B. Акустооптический панорам-

ный приемник-фазометр //В сб. Известия ТРТУ.- Материалы ХХХХ НТК.-Таганрог.: ТРТУ.- 1995.- с.10-11.

10. Цыганкова А.В., Цыганков В.Н. Способ коннтроля метрологических характеристик сложных сигналов с большой базой //В сб. Элементы приемно-усилительных устройств,- Таганрог.: ТРТИ,-1984.-Вып.2.- с.26-27.

11. Сердюков В.Г., Цыганкова А.В. Оценка параметров ФКМ сигналов при акустооптическом панорамном приеме //В сб. Теория и техника • многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности. - тез.докл. НТС с международным участием.- Таганрог.: ТРТУ.- 1994.- с. 46-48.

12. A.Kuzichkin, V.Lopatin, P.Terescenko, A.Tsigankova Parameter optimization о acousto-optical processors for spread spectrum signals //Acousto-optics reseaches and developments.- tez. of pr.: Leningrad.-1990.

13. Сердюков В.Г., Цыганкова А.В. Избирательное фотодетектирование при акустооптическом панорамном приеме //В сб. Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности .- Таганрог.: ТРТУ.-1994. -с. 51-56.

14. Румянцев К.Е., Цыганкова А.В. Устройство контроля качества сварных соединений в оборудовании для атомной энергетики //В сб. тез. докл. Областной НТК.- Ростов-на-Дону,- 1990. - с. 42.

'15. Цыганкова А.В. Вопросы функционально-программной реализации гибридной системы обработки сложных сигналов //В сб. Лучшие студенческие работы года.- М.: МЭИС.-1985.

16. Сердюков В.Г., Цыганкова А.В. Анализ одного способа оценки параметров ФКМ сигналов при акустооптическом панорамном приеме //В сб. Известия ТРТУ.- Материалы НТК.- Таганрог.-1996. - с.26.

17. Румянцев К.Е., Цыганкова А.В. и др. Разработка радиотехнических процессоров на основе новых физических принципов //Отчет по НИР "Процессор-90".- х/д 11328.-1991.

18. Румянцев К.Е., Цыганкова А.В. Разработка радиотехнических процессоров на акустооптических волоконно-оптических и оптоэлектронных структурах// Отчет по Госбюджетной НИР №11351 - 1996.

Соискатель Цыганкова А.В.

Тип ТРТУ. Заказ № 154. Тир. 60 экз. 1997 г.