автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Синтез входных устройств приемных радиотехнических систем для широкополосных сигналов

На правах рукописи УДК 621.396

Степанов Юрий Леонидович

СИНТЕЗ ВХОДНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИЕМНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Великий Новгород 2004

Работа выполнена на кафедре «Теоретической и математической физики» Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ю.Ю. Радциг Официальные оппоненты: 1) Действительный член АИН РФ,

Ведущая организация: НИИ «Системотехника» ОАО Холдинговой

компании "Ленинец" (С.Петербург)

Защита состоится на заседании

диссертационного совета Д212.168.07 Новгородского государственного

университета по адресу: 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, д. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета

доктор физ. мат. наук, профессор Е.И. Нефёдов ИРЭ РАН (Москва) 2) Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук профессор И.Г. Мироненко С. Петербургский электротехнический университет - ЛЭТИ (С. Петербург)

Автореферат разослан

2.5» мъ^Гд 2оо I

г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.18.07 Кандидат технических наук, доцент__"С.Н.Жритин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современные радиотехнические системы, системы радиоразведки, системы постановки помех, системы телеметрии, связи, опознавания и др. в большинстве работают в широкополосном режиме или используют импульсы наносекундной длительности, имеющие широкий спектр. Поэтому весьма актуальной задачей является построение таких радиотехнических систем при широкополосном излучении или приеме сигналов с широкополосным спектром. При этом требуется пропустить такие широкополосные сигналы через все устройства радиотехнической системы, в том числе и приемные устройства. Для режима передачи данная задача пока теоретически не обоснована и решается только экспериментально.

Особенно сложно решение этой задачи, когда в современных радиотехнических системах используются не обычные линейные, криволинейные, зеркальные и другие входные антенные устройства, а фазированные антенные решетки (ФАР). В настоящее время рассматривают решение указанных задач только для одиночных приемных устройств для широкополосных сигналов. Эти одиночные устройства можно также рассматривать как элементы ФАР.

Таким образом, в целом, исследуются задачи синтеза при приеме широкополосных сигналов радиотехнической системой от заданной характеристики направленности при заданных автокорреляционных функциях до определения спектра мощности сигнала.

Задача же определения самого сигнала по спектру его мощности представляется самостоятельной весьма трудной задачей, которая по видимому может быть решена только при заданных ограничениях на форму самого сигнала и здесь не рассматривается.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

-та,

Цель работы.

Целью диссертационной работы является построение инженерных методов решения задачи синтеза входных устройств приемных радиотехнических систем с учетом спектра принимаемых сигналов. А именно, нахождение распределения тока в приемном устройстве по заданной характеристике направленности и заданной функции отклика приемной системы.

Методы исследования

Основным методом, используемым в работе, является метод регуляризации некорректно поставленных задач математической физики с параметром регуляризации, а также его разновидность - метод «саморегуляризации», как удобный с практической точки зрения для конкретных инженерных расчетов при решении задач синтеза устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосное излучение.

Для численного решения интегральных уравнений использован метод сеточных функций [1] как наиболее быстрый для использования на ЭВМ, а также метод коллокаций для проверки результатов.

Все расчеты в работе выполнены с помощью универсальной математической системы MathCad 2000 Professional.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней рассматриваются новые методы приближенного решения задач синтеза характеристик направленности входных устройств с учетом широкополосного излучения по заданной функции отклика приемной

системы. Применительно к криволинейным (кольцо, эллипс) приемным системам задача решена впервые.

При этом в задачах синтеза используется современный математический аппарат решения некорректно поставленных задач математической физики.

Практическая ценность.

Практическая ценность диссертационной работы, прежде всего, заключается в том, что в ней разработаны достаточно точные инженерные методы решения задач синтеза, удобные для практического применения. Важно отметить, что рассмотренный метод "саморегуляризации" решения некорректных задач позволяет, заранее задавая необходимую точность решения, получать необходимые для практики результаты при построении новых-радиолокационных систем или модернизации существующих.

Отметим также, что рассмотренные в работе задачи до настоящего времени решались в основном экспериментально.

На защиту выносятся следующие положения

1. Установление связи между характеристикой направленности криволинейных входных устройств приемных радиотехнических систем с обработкой широкополосных сигналов и относительной шириной спектра принимаемых сигналов.

2. Использование широкополосности принимаемых сигналов (а именно использование их обработки) для уменьшения геометрических размеров входного устройства приемной радиотехнической системы по сравнению с размерами, рассчитанными для сигналов одной частоты.

Реализация результатов работы.

Изложенные в диссертационной работе материалы использовались при выполнении плановых госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой "Теоретической и математической физики" НовГУ им. Ярослава Мудрого.

По результатам работы в Российское Агентство по патентам и товарным знакам подана заявка на изобретение №2004100632 (приоритет от 05.01.2004).

Результаты проведенных в диссертации исследований предполагается использовать в рамках проводимой ОКР на Федеральном государственном унитарном предприятии "ПО "Квант" для модернизации наземной станции помех СПН-40, о чем имеется соответствующее заключение.

Апробация работы.

Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях:

X Международная школа-семинар «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот». Тез. доклада. Москва, 2002г.

II Международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Тез. доклада. Самара, 2003.

А также на областных научно-технических конференциях, проходящих ежегодно в Новгородском государственном университете.

Обоснованность и достоверность результатов

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается:

- достаточной строгостью разработанных математических моделей исследуемых устройств;

- использованием математически обоснованных методов расчета;

- переходом полученных в диссертации решений в предельных случаях в ранее известные выражения.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, как в местных, так и в центральных научно-технических журналах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 126 страниц и содержит 89 иллюстраций. Список литературы включает 50 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы в связи с важностью построения теории синтеза входных устройств приемных радиотехнических систем с учетом спектра принимаемого излучения методами квазирешения некорректно поставленных задач математической физики. Сформулирована цель работы, приведены основные задачи исследования.

В первой главе рассматриваются вопросы, связанные с обработкой сигнала в приемном устройстве радиотехнической системы.

Постановка задачи показана на примере системы двух изотропных приемных устройств, расположенных на расстоянии 2а друг от друга (рис. 1).

Рис. 1

Плоская волна от достаточно удаленной цели, падает по углом Задержка прихода сигнала к первому и второму элементам относительно центра будет

г_ 2-о-8ш(у). Где с . скорость света.

Введем обобщенную угловую координату и _ ^'"(уО . Если на выходе

поставить линейное устройство обработки сигнала, то выходной сигнал для каждого элемента приемной системы будет определяться

Ш = 1к /5(0-А(/-г)А

где h - импульсная характеристика линейного фильтра, к=1 ;2.

А суммарный выходной сигнал будет

F{u,t) = IyR(t - au) + I2R(t + au)

где Ij(2 — амплитуда возбуждения каждого элемента, R - функция отклика приемной системы на заданное входное воздействие в виде сигнала s(t), зависящая от времени задержки прихода сигнала к каждому элементу относительно центра.

Если устройство обработки сигнала является согласованным фильтром, т.е. его импульсная характеристика является зеркальной копией сигнала и имеет вид h(t) = s*(-t), передаточная функция есть комплексно-сопряженная функция спектра сигнала то функция отклика приемной

системы R соответствует автокорреляционной функции сигнала.

Если t фиксировано, (т.е. для данного расстояния до объекта), F(u,t) зависит от и и может рассматриваться как эффективная диаграмма направленности или угловая чувствительность приемной системы.

Для системы 2N изотропных излучателей, расположенных на расстоянии А друг от друга, угловая чувствительность будет

F(u)= ¿/.-Я(шЛ)

Или при малых А переходим к интегралу

Функция 1(х) есть функция распределения тока по раскрыву, которая определяет вклад различных элементов раскрыва в выходной сигнал. Она отлична от нуля только в интервале на физической длине

раскрыва.

Рассматриваются свойства заданных автокорреляционных функций на плоскости комплексной переменной. Показано, что автокорреляционная функция должна принадлежать классу целых функций конечной степени,

модуль которой ограничен на всей вещественной оси должна обладать свойством интегрируемости с квадратом

¡Щч^ч

<00

Для улучшения точности и разрешающей способности по дальности автокорреляционная функция должна иметь по возможности малую длительность, а для уменьшения влияния близлежащих целей—малые боковые лепестки.

В таких условиях необходимо найти оптимальную выполнимую автокорреляционную функцию, имеющую минимальные боковые лепестки при заданной длительности основного всплеска, и определить реализующий ее оптимальный спектр мощности. В дальнейшем для синтеза сигнала нужно лишь приближаться к этой оптимальной, заведомо выполнимой форме спектра.

Рассмотрены две автокорреляционные функции [2], показанные на рис. 2. Оптимальная

и квазиоптимальная

Л*шг( г) =---

М —1

Рис. 2 Оптимальная и квазиоптимальная

автокорреляционные функции при отношении главного максимума к уровню боковых лепестков 5, 10 и 20 раз. Критерием оптимальности является наилучшая точность и разрешающая способность по дальности. Спектр мощности, соответствующий оптимальной

и

автокорреляционной функции показан на рис. За, квазиоптимальной - на рис. 36.

0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 вО 100

О к а 0 к а

а) б)

Рис.3

Как видно из рис. За, на краях полосы спектр мощности будет иметь бесконечные всплески (дельта-функции),. обусловленные незатухающими боковыми лепестками оптимальной автокорреляционной функции. Это означает, что оптимальный сигнал не является импульсным в строгом смысле, а содержит также бесконечную во времени синусоидальную составляющую. Такой сигнал нельзя осуществить точно, т. к. он физически нереализуем. Спектр мощности квазиоптимальной автокорреляционной функции имеет колоколообразный характер и не имеет всплесков на краях и следовательно такой сигнал можно осуществить практически. Переход от оптимальных автокорреляционных функций к квазиоптимальным сопровождается некоторым расширением длительности главного лепестка и первого бокового лепестка. Квазиоптимальные функции не существенно отличаются от оптимальных, и с практической точки зрения, в смысле их осуществления, они в настоящее время могут быть реализованы.

Вводится понятие характеристики направленности. В классической "монохроматической" постановке задачи синтеза, как известно, по заданной нормированной диаграмме направленности определяется распределение тока в раскрыве криволинейного излучателя [1]. В случае реальных, широкополосных сигналов ограниченных во времени, следует пересмотреть

постановку задачи синтеза, т.к. основная характеристика антенны -диаграмма направленности определена для монохроматического излучения.

Поэтому для оценки направленности будем пользоваться термином характеристика направленности, понимая под этим определением угловую чувствительность приемной системы с учетом обработки сигнала в приемном устройстве и спектра принимаемого сигнала. При приеме широкополосного излучения обязательно надо учитывать обработку сигнала в согласованном фильтре, т.к. в этом случае достигается максимальное превышение уровня сигнала над уровнем помехи, что необходимо для установления наличия сигнала. Таким образом, распределение тока в приемном устройстве, но с учетом согласованной фильтрации будет отличаться от распределения тока в антенне при монохроматическом сигнале. Итак, подводя итог сказанному выше, получаем следующую задачу синтеза в случае систем, принимающих широкополосный сигнал: по заданной нормированной характеристике направленности определяется распределение тока по раскрыву входного устройства, с учетом оптимальной обработки. Следует также отметить, что данная теория синтеза применима только в случае приемных систем, и не применима в случае излучающих.

Рассматривается постановка задачи синтеза характеристики направленности произвольного криволинейного входного устройства по заданной функции отклика приемной системы [3,4].

F(0>9>)= //(*)*( т)с11

Здесь Р{9,(р)- характеристика направленности (амплитудная чувствительность входного устройства с учетом спектра принятого излучения), 1(х)- амплитудно-фазовое распределение тока по входному устройству, с учетом его обработки в согласованном фильтре, координата точки на устройстве, функция отклика согласованного

фильтра, которая является заданной и близкой к оптимальной, время задержки прихода сигнала от цели относительно начала координат, элемент, а Ь - длина входного устройства.

Во второй главе рассматривается операторная форма уравнения задачи синтеза по заданной характеристике направленности ,Р1 = Р, изучаются свойства оператора. Здесь / И /*" рассматриваются как элементы гильбертовых пространств , а оператор Р представляет собой преобразование

амплитудно-фазового распределения тока в характеристику направленности. В задаче синтеза требуется найти амплитудно-фазовое распределение тока по заданной характеристике направленности с известной точностью Уравнение задачи синтеза есть интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода. Задача синтеза в такой постановке относится к некорректно поставленным задачам математической физики. Как известно такая задача не обладает устойчивыми решениями по отношению к малым изменениям исходных данных (характеристик направленности). В этом случае с успехом применяются методы решения некорректно поставленных задач математической физики Существует возможность определения

приближенных решений таких задач, устойчивых к малым изменениям входных данных. Эта возможность основывается на использовании дополнительной информации относительно решения. Описан метод регуляризации некорректно поставленных задач математической физики применительно к задаче синтеза линейных, кольцевых и эллиптических входных устройств. В качестве приближенного решения берется функция полученная из решения интегрального уравнения второго

рода, устойчивого к малым изменениям входных данных (характеристик направленности) оператор, сопряженный с

оператором параметр регуляризации. В работе за основной метод

расчета был взят метод сеточных функций, как наиболее «быстрый» для

использования его на ЭВМ. Также для проверки правильности расчетов использовался метод коллокаций.

Задача синтеза решена для конкретного вида входного устройства, а именно кольцевое входное устройство радиусом R с центром в начале координат. В плоскости расположения устройства требуемая характеристика направленности имеет вид

Допустимая ошибка 8 не должна превышать 15% от значения

Задача решалась для различных значений относительной ширины спектра принимаемого излучения

На рис. 4 представлены характеристики направленности заданная и расчетная в соответствии с полученным распределением тока для

кольцевого приемного устройства, принимающего сигналы с автокорреляционной функцией, соответствующей равномерному спектру сигнала, при

270 ♦

Рис.4

Для оценки полученных результатов была решена следующая задача. Рассматривались два случая: прием сигналов с учетом их широкополосности

(т=0,05 ; 0,1) и обработки в согласованном фильтре и классический случай для монохроматического сигнала.

На рис. 5а приведены участки характеристики направленности кольцевого входного устройства, полученные при одном и том же распределении тока при т=0,1 для широкополосного с и г н и для монохроматического сигнала

Рис.5

Как видно из рисунка, при одном и том же распределении-тока и при неизменный геометрических размерах входного устройства, характеристика направленности (угловая чувствительность) отличается от пространственной диаграммы направленности, определенной для монохроматического сигнала.

На рис. 56 приведены те же характеристики, но с измененными для монохроматического случая размерами приемного устройства.

Характеристики совпадают при изменении радиуса приемного устройства с R на величину, равную К(1+ш), где т — относительная ширина спектра. Т.е. для получения той же характеристики направленности с учетом широкополосности сигнала и обработки в согласованном фильтре геометрические размеры входного устройства могут быть взяты меньшими по сравнению со случаем приема монохроматического сигнала. Проведено сравнение распределений тока для монохроматических и широкополосных сигналов при различных значениях относительной ширины

спектра. Полученные решения для широкополосных сигналов переходят в решения для монохроматических сигналов при относительной ширине спектра, стремящейся к нулю.

В третьей главе рассмотрено применение метода "саморегуляризации" для решения задачи синтеза входных устройств приемных радиотехнических систем в широкополосном режиме. Отличие от метода регуляризации в следующем. Параметр регуляризации может выбираться различными способами и определяет точность приближенного решения. В методе "саморегуляризации" вводится параметр который определяется

требуемой точностью решения задачи синтеза, которая таким образом "саморегуляризируется ".

Рассматривается решение задачи синтеза по заданной характеристике направленности для различных видов входных устройств и различных требуемых характеристиках направленности.

1. Рассмотрено линейное входное устройство, в качестве которого можно рассматривать участок поверхностной антенны в отдельных сечениях характеристики направленности, длиной 21 с центром в начале координат. В плоскости расположения задана однолепестковая характеристика направленности. Заданное отклонение синтезируемой характеристики от заданной в каждой точке не более 15% от максимума характеристики направленности. В качестве автокорреляционных функций задавались квазиоптимальные автокорреляционные функции при различных значениях относительной ширины спектра т.

На рис. 6 приведены характеристики направленности заданная и расчетная в соответствии с полученным распределением тока для

линейного входного устройства, принимающего сигналы с квазиоптимальной автокорреляционной функцией для однолепестковой характеристики направленности, ко1=3л; т=0,1.

Рис.6

Расчеты для линейного приемного устройства проведены для однолепестковой характеристики направленности при значениях ко1=.?л;

га=0,05; ко1=5л; от=0,05; к01=3л; /и=0,1; ко1=5я; т=0,1.

На рис. 7а приведены результаты сравнения характеристик

направленности для сигналов с полосой гп=0,1 &(<(>) и монохроматических

сигналов Рс(ср) при одном и том же распределении тока. Как видно из

рисунка 76 характеристики совпадают при увеличении длины входного

устройства для случая монохроматических сигналов с Ь на величину, равную Ц1+ш).

о « . о 4

а) б)

Рис.7

2. Рассмотрено кольцевое входное устройство радиусом R с центром в начале координат. В плоскости расположения задана эллиптическая

_ ^ I ^ характеристика направленности. Заданное

отклонение синтезируемой характеристики от заданной в каждой точке ср не более 15%. В качестве автокорреляционных функций задавались квазиоптимальные автокорреляционные функции при различных значениях т.

На рис. 8 приведены характеристики направленности заданная А[ф) и расчетная в соответствии с полученным распределением тока для

кольцевого приемного устройства, принимающего сигналы с квазиоптимальной автокорреляционной функцией

Рис.8

На рис. 9а приведены результаты сравнения характеристик направленности для сигналов с полосой и монохроматических

сигналов Гс(ф)при одном и том же распределении тока. Как видно из рисунка 96 характеристики совпадают при увеличении диаметра входного устройства для случая монохроматических сигналов с 2R на величину, равную 2К(1+т). Расчеты для кольцевого входного устройства проведены для эллиптической характеристики направленности при значениях

«=0,1; коЯ1=2л; ш=0,05; коЯ1=2д/и=0,1.

а) б)

Рис.9

3. Рассмотрено эллиптическое входное устройство с центром в начале

координат. В плоскости расположения заданы а) эллиптическая

_1_, б) однолепестковая F(<p) = sin3(^>) характеристики

•sin (<р)

направленности. Заданное отклонение синтезируемой характеристики от заданной в каждой точке q> не более 15%. В качестве автокорреляционных функций задавались квазиоптимальные автокорреляционные функции при различных значениях т.

На рис. 9 приведены характеристики направленности заданная f((p) и расчетная в соответствии с полученным распределением тока для

эллиптического входного устройства, принимающего сигналы с квазиоптимальной автокорреляционной функцией а) эллиптическая характеристика направленности, k<)Rl=7i, m=0,l б) однолепестковая характеристика направленности,

На рис. 11 приведены результаты сравнения характеристик направленности для сигналов с полосой и монохроматических сигналов при

одном и том же распределении тока для различных видов характеристик направленности (рис. 11а, 116). Как видно из рис. 12 характеристики совпадают при увеличении большой полуоси эллипса для случая монохроматических сигналов с R на величину, равную R/2(l+m).

О * ж

а) б)

Рис. 12

Расчеты для эллиптического приемного устройства проведены для эллиптической и для однолепестковой характеристик направленности при значениях

Полученные вещественные и мнимые составляющие распределения тока по устройству позволяют легко определить распределение амплитуды и фазы тока.

Рассмотренные в данной главе входные устройства имеют широкое применение в различных радиотехнических системах, таких как системы радиоразведки, системы телеметрии, связи, опознавания и др. Эллиптические характеристики направленности рассмотренных устройств применяются в системах опознавания летательных аппаратов для получения характеристики направленности, близкой по форме к ЭПР объекта. Однолепестковые характеристики направленности также используются в системах опознавания при установке в четырех секторах обзора для обеспечения равнодальностной работы системы.

Возможно рассмотрение более узконаправленных характеристик направленности, используемых, например, в радиолокационных системах для получения высокой разрешающей способности системы по углу.

Важно, что рассматриваемые устройства можно реализовать в щелевом исполнении (заменив распределение тока распределением напряжения в щели). Такие устройства являются не выступающими, что принципиально необходимо при их установке на летательных аппаратах, подводных лодках, автомобилях и других объектах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулированы задачи исследования приемных устройств радиотехнических систем, при широкополосном излучении, для получения оптимальных характеристик.

2. Исследованы свойства заданных функций отклика приемной системы.

3. Подробно исследована задача синтеза характеристики направленности для линейных, кольцевых и эллиптических приемных устройств, при широкополосном излучении и различных автокорреляционных функциях сигнала.

4. Определены для них: распределения тока и, соответствующие им характеристики направленности при различных значениях длины устройства и относительной ширины спектра для заданных слабонаправленной и однолепестковой характеристик направленности.

5. Проведено сравнение полученных результатов с классической теорией синтеза антенн.

В заключение отметим, что в данной работе подробно было проведено исследование задач синтеза входных устройств с учетом широкополосности сигналов, а не сигналов одной частоты, как в известных работах по синтезу. Ведь только учет широкополосности дает возможность передачи информации, т.к. на одной частоте никакой информации передать нельзя.

Рассмотренные методы синтеза характеристик направленности входных устройств при широкополосном принимаемом излучении (угловой чувствительности системы после обработки широкополосного сигнала в согласованном фильтре) показывают существенное отличие от классической теории синтеза "монохроматического" приемного устройства без учета обработки.

Особенно интересна эта теория, если в качестве приемного устройства используется антенная решетка, т.к. удается для тех же характеристик направленности использовать меньшее число элементов решетки [3].

Однако это представляется отдельным исследованием и не входило в нашу задачу.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Баутинов В.А., Степанов Ю.Л. Метод численного решения задач синтеза специальных излучателей // Вестник НовГУ. Сер.: Математика и информатика. 2002. №22. С.24-25.

2. Иванов О.А., Степанов Ю.Л., Моисеенко Н.П. О влиянии различных факторов на тактико-технические характеристики станций ответно-шумовых помех для прикрытия наземных объектов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2001. № 8.

3. Иванов О.А., Степанов Ю.Л., Носов С.А., Иванов Н.В. Влияние различных факторов на эффективность действия наземной станции ответно-шумовых помех // Вестник НовГУ. Сер.: Естественные и технические науки. 2001. №17. С.26-30.

4. Радциг Ю.Ю., Степанов Ю.Л., Баутинов В.А. О синтезе спектра мощности радиолокационных сигналов по заданной автокорреляционной функции // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2003 г. №1.

5. Радциг Ю.Ю., Иванов О.А., Моисеенко Н.П., Степанов Ю.Л. Об оценке погрешности решения задачи синтеза неоднородных линий для широкополосного согласования // Вестник НовГУ. Сер.: Естественные и технические науки. 2001, №19, С.69-71.

6. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Хаванова М.А. Синтез спектра мощности сигнала по заданной автокорреляционной функции радиолокационной системы // Деп. в ВИНИТИ №886-В03 от 08.05.2003.

7. Степанов Ю.Л., Радциг Ю.Ю., Иванов О.А., Хаванова М.А., Носов С.А., Моисеенко Н.П. Широкополосное согласование приемных антенн с фидером // X Международная школа-семинар «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот» тезисы доклада. Москва 2002.

8. Степанов Ю.Л., Радциг Ю.Ю., Баутинов В.А., Хаванова М.А. Синтез криволинейных приемных антенн, обрабатывающих широкополосное излучение // II Международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» тезисы доклада, Самара 2003.

9. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Радциг Ю.Ю. Синтез криволинейных приемных антенн, обрабатывающих широкополосное излучение // Вестник НовГУ. Сер.: Естественные и технические науки. 2003. №23

10. Степанов Ю.Л., Баутинов В А, Хаванова М.А About calculation of a spectrum of capacity of radar-tracking signals on the set autocorrelation function // Ученые записки НовГУ 2003 г.

11. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Хаванова М.А Synthesis of the curvilinear reception aerials processing broadband radiation// Ученые записки НовГУ 2003г.

12. Степанов Ю.Л., Баутиинов ВА Method of the numerical decision of tasks of synthesis of special radiators // Ученые записки НовГУ 2003 г.

13. Отчет по НИР 070-НИЦ-46, ПО "Квант", н/рук. проф. Радциг Ю.Ю., Степанов Ю.Л. и др. Велкий Новгород 2000 г. - 52 с.

14. Отчет по НИР 111-НИЦ-48, ПО "Квант", н/рук. проф. Радциг Ю.Ю., Степанов Ю.Л. и др. Велкий Новгород 2001 г. -46 с.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета), М.: Сов. Радио, 1974.

2. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации, М.: Сов. Радио, 1965.

3. L. R. Dausin, K.E. Niebuhr, N.J. Nillson. The effects ofwide-band signals on radar antenna design IRE Wescon Convent. Rec.,1959, pt.l, 40

4. Пешехонов В. А. Синтез линейной антенны, принимающей широкополосное излучение, РиЭ, том 12, стр. 2232-2234, 1966.

5. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач, М.: Наука, 1974.

6. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Методы теории целых функций в радиофизике, теории связи и оптике, М.: ГИФМЛ, 1962.

Изд. лиц. ЛР № 020815 от 21.09.98. Подписано в печать 22.03.2004. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ № 60. Издагельско-полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

Отпечатано в ИПЦ НовГУ им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

1Î - 6 34®

Введение.

Глава 1 Задача исследования устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосное излучение.

1.1 Обработка сигнала в приемном устройстве радиотехнической системы.

1.2 Прием широкополосных сигналов. Функция отклика приемной системы.

1.3 Свойства автокорреляционных функций и критерии их выбора.

1.3 О задачах синтеза характеристик устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосное излучение.

Глава 2 О задаче синтеза входных устройств методом регуляризации некорректно поставленных задач для радиотехнических систем, принимающих широкополосные сигналы.

2.1 Операторная форма уравнения задачи синтеза характеристик направленности входного устройства радиотехнической системы, принимающей широкополосные сигналы.

2.2 Метод регуляризации некорректно поставленных задач математической физики для решения задачи синтеза.

2.3 Решение задачи синтеза однолепестковой характеристики направленности применительно к кольцевым входным устройствам, принимающим широкополосные сигналы, методом регуляризации и оценка отклонения решения задачи синтеза.;.

Глава 3 Применение метода «саморегуляризации» для решения задачи синтеза входных устройств радиотехнических систем в широкополосном режиме.,.

3.1 Метод «саморегуляризации» для решения задач синтеза.

3.2 Расчет характеристик направленности в приемном режиме работы радиотехнической системы.

3.2.1 Линейные входные устройства.

3.2.2 Кольцевые входные устройства.

3.2.3 Эллиптические входные устройства.

Актуальность темы

Современные радиолокационные системы, системы радиоразведки, системы телеметрии, связи, опознавания и др. работают в широкополосном режиме или используют импульсы наносекундной длительности, имеющие очень широкий спектр.

Поэтому весьма актуальной задачей является построение таких радиотехнических систем при широкополосном излучении или приеме сигналов с широкополосным спектром.

При этом требуется пропустить такие широкополосные сигналы через все устройства радиотехнической системы, в том числе и приемные устройства. Для режима передачи данная задача пока теоретически не обоснована и решается только экспериментально.

Особенно сложно решение этой задачи, когда в современных радиотехнических системах используются не обычные линейные, криволинейные, зеркальные и другие приемные устройства, а фазированные антенные решетки (ФАР). Для монохроматических сигналов задача расчета ФАР решается известными методами и не представляет особых трудностей [И].

Что же касается систем, обрабатывающих широкополосное излучение, задача расчета (синтеза) ФАР для них решалась в работах [17, 49].

Получены результаты, позволяющие сокращать количество элементов решетки без ухудшения направленных свойств.

В настоящее время рассматривают решение указанных задач только для одиночных приемных устройств даже не передающих, а только приемных с широкополосным излучением [20]. Эти одиночные устройства можно также рассматривать как элементы ФАР.

Задача сводится к решению интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Известно множество методов, в основном численных, решения таких уравнений [3], [9], [46].

Однако, решение таких уравнений, как известно [3], [16], [44], является неустойчивым, т.е. малым изменениям правой части могут соответствовать большие изменения решения.

Поэтому уравнение Фредгольма 1 рода относят к некорректно поставленным задачам. Из-за этой особенности задачи традиционные методы решения задач синтеза могут давать решения, мало пригодные с точки зрения их практического использования. Решающее влияние на развитие теории синтеза излучающих систем оказали математические работы А.Н. Тихонова, В.К. Иванова и М.М. Лаврентьева по теории регуляризации некорректно поставленных задач.

В конце 60-х - начале 70-х годов в работах А.Н. Тихонова, В.К. Иванова и М.М. Лаврентьева и др. был разработан общий подход к методам регуляризации некорректно постановленных задач синтеза излучающих систем. Смысл этого подхода состоит в том, что неустойчивое решение уравнения Фредгольма 1 рода заменяется на устойчивое решение уравнения Фредгольма 2 рода с параметром регуляризации, связанным с точностью получаемого решения. При этом предполагается что устойчивое решение стремится к неустойчивому (правильному) при стремлении параметра регуляризации к нулю.

Таким образом, в целом, исследуются задачи синтеза при приеме широкополосных сигналов радиотехнической системой от заданной характеристики направленности при заданных автокорреляционных функциях до определения спектра мощности сигнала.

Заметим, что задача определения спектра мощности сигнала по заданной автокорреляционной функции особенно важна для передающих систем, т.к. заранее задается автокорреляционная функция исходя из требований к характеристикам системы (в основном разрешающая способности по дальности) и определяется, какую форму сигнала (импульса) следует использовать.

Задача же определения самого сигнала по спектру его мощности представляется самостоятельной весьма трудной задачей, которая по видимому может быть решена только при заданных ограничениях на форму самого сигнала и здесь не рассматривается.

Цель работы

Целью диссертационной работы является построение инженерных методов решения задачи синтеза входных устройств радиотехнических систем с учетом спектра принимаемого излучения. А именно, нахождение распределения тока во входном устройстве по заданной характеристике направленности и заданной функции отклика приемной системы.

Методы исследования

Основным методом, используемым в работе, является метод регуляризации некорректно поставленных задач математической физики с параметром регуляризации, а также его разновидность — метод «саморегуляризации», как удобный с практической точки зрения для конкретных инженерных расчетов при решении задач синтеза устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосное излучение.

Для численного решения интегральных уравнений использован метод сеточных функций [1] как наиболее быстрый для использования на ЭВМ, а также метод коллокаций для проверки результатов.

Все расчеты в работе выполнены с помощью универсальной математической системы MathCad 2000 Professional.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней рассматриваются новые методы приближенного решения задач синтеза характеристик направленности входных устройств с учетом широкополосного излучения по заданной функции отклика приемной системы. Применительно к криволинейным (кольцо, эллипс) приемным системам задача решена впервые.

При этом в задачах синтеза используется современный математический аппарат решения некорректно поставленных задач математической физики.

Практическая ценность

Практическая ценность диссертационной работы, прежде всего, заключается в том, что в ней разработаны достаточно точные инженерные методы решения задач синтеза, удобные для практического применения. Важно отметить, что рассмотренный метод "саморегуляризации" решения некорректных задач позволяет, заранее задавая необходимую точность решения, получать необходимые для практики результаты при построении новых радиолокационных систем или модернизации существующих.

Отметим также, что рассмотренные в работе задачи в настоящее время решаются в основном экспериментально.

На защиту выносятся следующие положения

1. Установление связи между характеристикой направленности криволинейных входных устройств приемных радиотехнических систем с обработкой широкополосных сигналов и относительной шириной спектра принимаемых сигналов.

2. Использование широкополосности принимаемых сигналов (а именно использование их обработки) для уменьшения геометрических размеров входного устройства приемной радиотехнической системы по сравнению с размерами, рассчитанными для сигналов одной частоты.

Реализация результатов работы

Изложенные в диссертационной работе материалы использовались при выполнении плановых госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой "Теоретической и математической физики" НовГУ им. Ярослава Мудрого.

По результатам работы в Российское Агентство по патентам и товарным знакам подана заявка на изобретение №2004100632 (приоритет от 05.01.2004).

Результаты проведенных в диссертации исследований предполагается использовать в рамках проводимой ОКР на Федеральном государственном унитарном предприятии "ПО "Квант" для модернизации наземной станции помех . СПН-40, о чем имеется соответствующее заключение.

Апробация работы

Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях:

- X Международная школа-семинар «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот». Тез. доклада. Москва, 2002г.

- И Международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Тез. доклада. Самара, 2003.

А также на областных научно-технических конференциях, проходящих ежегодно в Новгородском государственном университете.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, как в местных, так и в центральных научно-технических журналах. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 126 страниц и содержит 89 иллюстраций. Список литературы включает 50 наименований.

119 Заключение

Приведем основные результаты, полученные в работе.

1. Сформулированы задачи исследования входных устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосные сигналы, для получения оптимальных характеристик.

2. Исследованы свойства заданных функций отклика приемной системы.

3. Подробно исследована задача синтеза характеристики направленности для линейных, кольцевых и эллиптических устройств, принимающих широкополосные сигналы при различных функциях отклика приемной системы.

4. Определены для них: распределения тока и, соответствующие им характеристики направленности при различных значениях длины устройства и относительной ширины спектра для заданных слабонаправленной и однолеиестковой характеристик направленности при приеме сигналов с квазиоптимальной автокорреляционной функцией.

5. Проведено сравнение полученных результатов с классической теорией синтеза антенн.

В заключение отметим, что в данной работе подробно было проведено исследование задач синтеза входных устройств с учетом широкополосности сигналов, а не сигналов одной частоты, как в известных работах по синтезу. Ведь только учет широкополосности дает возможность передачи информации, т.к. на одной частоте никакой информации передать нельзя. согласованном фильтре) показывают существенное отличие от классической теории синтеза "монохроматического" приемного устройства без учета обработки.

Особенно интересна эта теория, если в качестве входного устройства используется антенная решетка, т.к. удается для тех же характеристик направленности использовать меньшее число элементов решетки [17], [47-49]

Однако это представляется отдельным исследованием и не входило V в нашу задачу.

1. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации, Гостехиздат,1947.

2. Баутииов В.А., Степанов Ю.Л. Метод численного решения задач синтеза специальных излучателей // Вестник НовГУ. Сер.: Математика и информатика. 2002. №22. С.24-25.

3. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д. Синтез излучающих систем (теория и методы расчета), М.: Сов. Радио, 1974.

4. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации, М.: Сов. Радио, 1965.

5. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы, М.: Радио и связь, 1994.

6. Дмитриев В.И., Захаров E.H. О численном решении некоторых некорректных интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Сб. Вычислительные методы и программирование, вып. 10, МГУ, 1968.

7. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. Радио, 1961.

8. Дымова А.И. и др. Радиотехнические системы. М.: Сов. радио, 1980,430с.

9. Зиновьев A. JI., Филиппов Л.И. Методы аналитического выражения радиосигналов радиосистем. М.: Высшая школа, 1977.

10. И. Иванов В.К. О равномерной регуляризации неустойчивых задач. // Сибирский математический журнал, т. 7, №3,1966.

11. Иванов O.A., Степанов Ю.Л., Моисеенко Н.П. О влиянии различных факторов на тактико-технические характеристики станций ответно-шумовых помех для прикрытия наземных объектов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2001. № 8.

12. Иванов O.A., Степанов Ю.Л., Носов С.А., Иванов Н.В. Влияние различных факторов на эффективность действия наземной станции ответно-шумовых помех // Вестник НовГУ. Сер.: Естественные и технические науки. 2001, №17. С.26-30.

13. Казаринов Ю.И., Коломенский Ю.А., Пестов Ю.К. Радиотехнические системы. М.: Сов. радио, 1980,420с.

14. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы, М.: Сов., радио 1971.

15. Лаврентьев М.М. О некоторых некорректных задачах математической физики, Изд-во АН СССР, Новосибирск, 1962.

16. L. R. Dausin, К.Е. Niebuhr, N.J. Nillson. The effects of v/ide-band signals on radar antenna design IRE Wescon Convent. Ree., 1959, pt. 1,40

17. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике, М.: Сов. Радио, 1957.

18. Пешехонов В. А. Синтез линейной антенны, принимающей широкополосное излучение, РиЭ, том 12, стр. 2232-2234, 1966.

19. Проблемы антенной техники / Под ред. Бахраха Л.Д.,V

20. Воскресенского Д.И. М.: Радио и связь, 1989, 386с.

21. Радиотехнические системы Гришин Ю.И., Ипатоз В.П., Казаринов Ю.М. и др., под редакцией Казаринова Ю.М., М.: Высшая школа, 1990.

22. Радциг Ю.Ю., Плющев Ю.В. Выбор параметра регуляризации и оценка погрешности в задаче синтеза антенны, Казань, Микроэлектроника, выпуск 7, 1972.

23. РадцигЮ.Ю. Дис. .д-ра тех. наук, Казань, 1972, 332 с.

24. Радциг Ю.Ю. Дис. .к-татех. наук, Казань, 1962.

25. Радциг Ю.Ю. Теория щелевых антенн // Электродинамика и . техника СВЧ и КВЧ, М.: 1962, с 46-48.

26. Радциг Ю.Ю. и др. Сокращение размеров полигона антенных измерений снижение себестоимости антенны. // Наука производству, М.: 2000, №8, с. 8-11.

27. Радциг Ю.Ю. и др. Математическое моделирование задачи синтеза слабонаправленных щелевых антенн для летательных аппаратов. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Самара, 2001, том 4, №3, с. 27-29.

28. Радциг Ю.Ю. О решении задачи реализации амплитудно-фазового распределения поля в линейных антеннах и миниатюризация излучающих устройств СВЧ. В сб.: Микроэлектроника, вып. 4, КАИ, 1969.

29. Радциг Ю.Ю., Плющев Ю.В., Скачков В.А. " Применение метода 'саморегуляризации' для решения внутренней задачи синтеза щелевых антенн Казань, Микроэлектроника, выпуск 7, 1972.

30. Радциг Ю.Ю., Степанов Ю.Л., Баутинов В.А. О синтезе спектра мощности радиолокационных сигналов по заданной автокорреляционной функции // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2003 г.

31. Радциг Ю.Ю., Иванов O.A., Моисеенко Н.П., Степанов Ю.Л. Об оценке погрешности решения задачи синтеза неоднородных линий для широкополосного согласования // Вестник НовГУ. Сер.: Естестненные и технические науки. 2001, № 19, С.69-71.

32. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988,432с.

33. Смирнов В.И. Курс высшей математики, Т5, ГИФМЛ, 1959.

34. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Хаванова М.А. Синтез спектра мощности сигнала по заданной автокорреляционной функции радиолокационной системы // Деп. в ВИНИТИ №886-В03 от 08.05.2003.

35. Степанов Ю.Л., Радциг Ю.Ю., Баутинов В.А., Хаванова М.А. Синтез криволинейных приемных антенн, обрабатывающих широкополосное излучение // II Международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» тезисы доклада, Самара 2003.

36. Справочник по элементам полосковой техники / Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р./ Под ред. А.Л. Фельдштейна. — М.: Связь, 1979.

37. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Радциг Ю.Ю. Синтез криволинейных приемных антенн, обрабатывающих широкополосное излучение // Вестник НовГУ. Сер.: Естественные и технические науки. 2003. №23

38. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Хаванова М.А. About calculation of a spectrum of capacity of radar-tracking signals on the set autocorrelation function // Ученые записки НовГУ, 2003г.

39. Степанов Ю.Л., Баутинов В.А., Хаванова М.А. Synthesis of the curvilinear reception aerials processing broadband radiation// Ученые записки НовГУ, 2003г.

40. Стахов Е.А. Дис. .кан-татех. наук, 1968.

41. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач, М.: Наука, 1974.

42. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Методы теории целых функций в радиофизике, теории связи и оптике, М.: ГИФМЛ, 1962.

43. Skolnik М. Application of space frequency equivalence to radar ШЕЕ Conv.Rec.p. V., 1962.

44. Mc. Cartney B.S. Theoretical and experimental properties of two-element multiplicative receiving arrays including superdirectivity. Radio and Electronic Eng. 1964, v. 28, №2.

45. Banta E. Top field properties of wide-band planar arrays with nonlinear processing. IRE Int. Conv. Rec., 1964, pt. 1.

46. Справочник по радиолокации под ред. M. Сколника, пер. с англ. М.: "Советское радио", 1976 г. 456 с.