CC BY
152
3. Hongbin Li, Braham Himed. Transmit Subaperturing for MIMO Radars With Co-Located Antennas // IEEE Journal of selected topics in signal processing. V. 4. N. 1, February 2010. Р. 55 - 65.
4. MIMO radar signal processing / edited by Jian LI, Petre Stoica. Ho-boken, New Jersey: John Wiley & Sons. 2009. 468 р.
Зайцев Николай Алексеевич, д-р техн. наук, генеральный конструктор, maka-retsky@,mail.ru, Россия, Тула, ПАО «НПО «Стрела»,
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф., makaretsky@,mailru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE DIRECTIONAL PROPERTIES OF ANTENNA ARRAYS MIMO RADAR
N.A. Zaycev, E.A. Makaretsky
The analysis of patterns of directed properties formation for virtual antenna arrays MIMO radar. The influence of the antenna array elements positions to the width of the virtual beam and the sidelobe level.
Key words: antenna arrays, MIMO radar, the directivity pattern.
Zaycev Nikolay Alekseevich, doctor of technical sciences, General designer, maka-retsky@,mail.ru, Russia, Tula, Public Joint-Stock Company «Scientific-production Association «Strela»,
Makaretsky Evgeny Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, maka-retsky@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.396.96
ИССЛЕДОВАНИЕ УГЛОВОГО РАЗРЕШЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ РЛС
Н.А. Зайцев, А.С. Гублин, Е.А. Макарецкий
Исследовано влияние числа элементов виртуальной антенной решётки, отношения сигнал-шум, расстояния между излучателями, случайных фазовых искажений в многоканальных (MIMO) РЛС на погрешность измерения угловых координат цели, угловое разрешение и максимальное количество разрешаемых целей.
Ключевые слова: многоканальные РЛС, угловое разрешение, имитационное моделирование.
Задача определения углового направления на цель является одной из основных в радиолокации. Методы её решения основаны на формировании аппаратными или программными методами узкой диаграммы направленности антенной системы (диаграмм ообразование) и использовании последовательного или параллельного обзора пространства [1].
121
Классические методы диаграмм образования в зависимости от вида радиолокационной системы можно разделить на аналоговые и цифровые. Использование цифровых методов позволяет получить такие преимущества, как устранение потерь, вносимых фазовращателями, изменение параметров системы программным способом без замены аппаратной части, возможность повышения точности измерения угловых координат за счёт применения методов сверхразрешения.
Методы сверхразрешения основываются на специализированных методах цифровой обработки сигналов и позволяют выполнять оценку пространственного спектра, определение числа целей, адаптивную пространственную фильтрацию. Все методы сверхразрешения позволяют вести параллельный обзор по всем направлениям и существенно повысить угловое разрешение РЛС.
Быстрое внедрение технологии MIMO (multiple input-multiple output - «много входов - много выходов») в радиолокационные системы [2 - 4] выдвигает задачу анализа влияния неидентичности характеристик каналов из-за различных факторов на общие характеристики РЛС. Неидентичность каналов может быть результатом разброса параметров аналоговых функциональных узлов, неточности изготовления СВЧ-элементов системы. Результатом являются отличия амплитудных и фазовых коэффициентов передачи каналов MIMO РЛС. Кроме того, большой интерес представляет исследование помехоустойчивости различных методов определения направления на цель.
Исследования проводились с помощью разработанной имитационной модели MIMO РЛС, позволяющей использовать различные алгоритмы определения углового направления на цель и варьировать параметры антенной решётки и каналов обработки MIMO РЛС.
Имитационная модель, реализованная в среде MATLAB, для определения угла цели позволяет работать со следующими методами [5]:
- BeamScan;
- Beamspace ESPRIT;
- Multiple signal classification (MUSIC);
- Weighted subspace fitting (WSF).
Анализировались характеристики следующих вариантов MIMO РЛС с линейной антенной решёткой, отличающихся количеством приёмных элементов в решётке:
1) один передатчик, 8 приёмников (1х8) - этот вариант соответствует цифровой фазированной антенной решётке (ЦФАР);
2) два передатчика, 8 приёмников (2х8 - 162 элементов виртуальной антенной решётки) - MIMO РЛС с оптимальной антенной решёткой [8];
3) два передатчика, 16 приёмников (2х16 - 32 элемента виртуальной антенной решётки) - MIMO РЛС с оптимальной антенной решёткой.
При моделировании использовались следующие параметры модели по умолчанию: шаг расположения излучателей - половина длины волны; частоты передатчиков 14 ГГц; ЭПР цели 10 кв. м, отношение «сигнал -шум» 100. При сравнительном анализе учитывалось влияние следующих параметров каналов MIMO РЛС: соотношение «сигнал - шум» (С/Ш); фазовые искажения в каналах; расстояние между излучателями.
Исследование включало анализ погрешности определения направления на одиночную цель, оценку разрешающей способности и максимального количества обнаруживаемых целей.
При анализе погрешности определения направления на одиночную цель сравнение методов проводился путем определения среднеквадратичной погрешности (СКО) определения угла цели для выборки, равной 20 реализациям. Разрешающая способность оценивалась по уровню 0,707 сигнала от двух рядом расположенных целей. Максимальное количество обнаруживаемых целей оценивалось для случая расположения целей в секторе обзора с равным угловым шагом.
При оценке влияния фазовых искажений сигналов в каналах для каждого канала вводился случайный фазовый сдвиг по равновероятному закону с заданным значением максимального фазового сдвига Дф.
1. Погрешность определения направления на одиночную цель
На рис. 1 приведены результаты анализа влияния отношения «сигнал - шум», фазовых искажений и расстояния между излучателями на погрешность измерения направления на цель.
Отношение с/ш Количество элементов виртуальной АР
а б
Рис. 1. Зависимости СКО измерения угла на цель (градусы) от отношения «сигнал - шум» (а) и количества элементов виртуальной антенной решётки для алгоритмов Beamscan (1), Music (2), Capon (3)
При увеличении максимального фазового сдвига более 0,8 радиана резко возрастает ошибка (до 10...30 угловых градусов) и срывается измерение углового направления на цель. Для всех рассмотренных алгоритмов диаграммообразования угловые ошибки имеют близкие значения. Увеличение количества элементов в виртуальной антенной решётке ведёт к быстрому снижению угловой ошибки MIMO РЛС.
Увеличение расстояния между элементами антенной решётки, с одной стороны, приводит к уменьшению ошибки измерения направления (что объясняется общим увеличением её размеров), а с другой - к ограничению углового сектора измерения угла (рис. 3, б).
Рис. 2. Зависимости СКО измерения угла на цель (градусы) от величины случайных фазовых искажений в каналах для алгоритмов Beamscan, Music, Capon при 32 элементах (1), 16 элементах (2) и 8 элементах (3)
виртуальной антенной решётки
Рис. 3. Зависимости СКО измерения угла на цель (градусы) от расстояния между элементами виртуальной антенной решётки для 16 элементов (направление на цель: а -10 градусов; б - 45 градусов)
2. Оценка разрешающей способности MIMO РЛС
Методика измерения разрешения заключалась в уменьшении углового расстояния между целями до формирования в распределении пространственного спектра, рассчитанного моделирующей программой, провала между их отметками с уровнем 0,707 от максимума (рис. 4). На рис. 5 приведены результаты оценки разрешающей способности для различных алгоритмов диаграммообразования.
Полученные результаты показывают, что методы сверхразрешения (Capon, Music) при высоком отношении «сигнал - шум» обеспечивают многократное улучшение разрешающей способности (в 10 раз и более). Однако этот выигрыш теряется при повышении уровня шума и при отно-
шении «сигнал - шум» 50 и ниже классические алгоритмы оказываются более устойчивыми. Алгоритмы сверхразрешения работоспособны и при низких отношениях «сигнал - шум», но стандартный уровень провала 0,707 между отметками целей не обеспечивается, а угловое разрешение становится равным значениям для алгоритма Беашвсап.
Рис. 4. Пространственный спектр для двух целей при использовании алгоритма Беатзсап (16 элементов виртуальной решётки)
а
б
Дф, градусы
в
Рис. 5. Зависимости углового разрешения MIMO РЛС от соотношения «сигнал - шум» для алгоритмов Beamscan (1), Capon (2), Music (3): а - 8 элементов; б -16 элементов; 32 - элемента виртуальной
антенной решётки
3. Оценка максимального количества разрешаемых целей
Методика измерения максимального количества разрешаемых целей заключалась в увеличении количества целей в секторе обзора (обзор ограничивался шириной диаграммы направленности излучателя антенной решётки и был равен 20 градусов) с пропорциональным уменьшением углового интервала между целями. Результаты оценки (таблица) показыва-
125
ют, что для MIMO РЛС при использовании алгоритмов Beamscan и Capon количество разрешаемых целей равно N-1, где N - количество виртуальных элементов в антенной решётке.
Результаты оценки максимального количества разрешаемых целей (эффективная поверхность целей 10 м без учёта шума)_
№ п/п Алгоритм диаграммо-образования Максимальное количество разрешаемых целей/ угловое расстояние между целями, градусы
АР 8 элементов АР 16 элементов АР 32 элемента
1 Beamscan 4/30 6/18 12/7,5
2 Capon 7/18 15/6,4 18*/5,3
3 Music 7/18 15/6,4 18*/5,5
* Максимальное количество целей в моделирующей программе равно 18.
Однако полученные результаты существенно изменяются в условиях воздействия шума (рис. 6). При этом происходит «заплывание» провалов между отметками от целей, и количество целей снижается.
Capon estimator
без шума
с/ш=10
б
Рис. 6. Пространственные спектры целей для алгоритма Capon при различных уровнях шума (16 элементов виртуальной решётки)
Полученные результаты показывают преимущества применения методов сверхразрешения для увеличения количества обнаруживаемых целей. Однако аналогично приведенным выше результатам для разрешения двух целей, эти преимущества имеют место только при высоких отношениях «сигнал - шум».
4. Выводы и рекомендации
Радиолокация на основе технологий MIMO является достаточно новым направлением, потенциально позволяющим повысить характеристики РЛС и уменьшить размеры антенной системы. Однако ценой этому является существенное усложнение вычислительного блока и конструкции РЛС в целом.
Проведенное исследование позволило оценить сложности при практической реализации MIMO РЛС и выработать рекомендации по их проектированию.
Основные выводы из полученных результатов заключаются в следующем:
- в полной мере преимущества по угловому разрешению, максимальному количеству разрешаемых целей и погрешности определения углового направления на цель реализуются только при использовании алгоритмов сверхразрешения; однако они являются работоспособными только при достаточно высоком отношении «сигнал - шум» (более 50);
- при создании MIMO РЛС допустимым уровнем фазовых искажений в каналах являются величины порядка 0,5...0,6 радиана (п/3), что на практике достаточно просто реализуемо;
- допустимо увеличение шага элементов антенной решётки до значений 0,7X, где X - длина волны; угол обзора в этом случае составляет 90 градусов;
- достаточно высокая вычислительная сложность алгоритмов сверхразрешения может привести к нежелательному увеличению времени обнаружения и разрешения цели, поэтому целесообразно использовать алгоритмы сверхразрешения для уточнения угловых координат и количества предварительно обнаруженных на основе классических алгоритмов целей.
Список литературы
1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2004. 320 с.
2. Черняк В.С. О новом направлении в радиолокации: MIMO РЛС // Прикладная радиоэлектроника. 2009. Том 8. № 4. С. 477 - 489.
3. First Experimental Results with the Imaging MIMO Radar MIRACLE X / Klare J., Saalmann O., Wilden H., Brenner A.R. // EUSAR 2010, Aachen, Germany, June 2010. Р. 374 - 378.
4. MIMO-системы - новые возможности цифровых РЛС (по материалам конференции EURAD 13) // Информационный сборник «Новости СВЧ-техники». 2014. №3. С. 1 - 18.
5. Signal processing toolbox [Электронный ресурс] URL: http://matlab. ru/ products/signal-processing-toolbox. (дата обращения 01.02.2016).
Зайцев Николай Алексеевич, д-р. техн. наук, генеральный конструктор, maka-retsky@,mail.ru, Россия, Тула, ПАО ««НПО «Стрела»,
Гублин Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доц., gublinas@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф., makaretsky@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE ANALYSIS OF MULTICHANNEL RADAR ANGULAR RESOLUTION
N.A. Zaycev, E.A. Makaretsky, A.S. Gublin 127
The influence of the virtual antenna array number of elements , the signal-to-noise ratio, the distance between the emitters, the random phase distortions in a multi-channel (MIMO) radar system on the measurement error of the angular coordinates of the target, the angular resolution and maximum number ofpermitted purposes.
Key words: multichannel radar, angular resolution, simulation.
Zaycev Nikolay Alekseevich, General designer of Public Joint-Stock Company «Scientific-production Association «Strela»,
Gublin Aleksandr Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, gubli-nas@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Makaretsky Evgeny Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, maka-retsky@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.376.2:621.3.091
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНЫХ НЕОТРАЖАЮЩИХ СВЧ-АТТЕНЮАТОРОВ
А.В. Артющев, Е.А. Макарецкий, Г.В. Крупин, А. Л. Гусев
Предложены и исследованы методы компенсации отражений в волноводных диодных аттенюаторах СВЧ. Установлена зависимость проводимостей диодов, обеспечивающая отсутствие отражений. Проведено электродинамическое моделирование характеристик аттенюаторов, показавшее возможность получения значений КСВН менее 1,5 при изменении затухания от 1 до 35 дБ.
Ключевые слова: диодные аттенюаторы СВЧ, электродинамическое моделирование.
Одним из широко распространённых элементов СВЧ-техники является диодный аттенюатор, обеспечивающий в широких пределах регулировку проходящей СВЧ-мощности при низкой мощности управления за счёт управления параметрами проводимости pin диодов.
Отражательный диодный аттенюатор осуществляет регулировку проходящей мощности за счёт отражения её части в сторону генератора. Схема замещения диодного аттенюатора показана на рис. 1,а. Она обычно включает несколько диафрагменных диодов, расположенных на расстоянии Хв/4 (где Хв - длина волны в волноводе) вдоль прямоугольного волновода (расстояние Хв/4 обеспечивает синфазное сложение отражённых волн и высокий уровень затухания проходящей волны). Резонансный контур описывает свойства резонансной диафрагмы, в которую устанавливается переключательный диод.
