CC BY
12УДК 621.396.96
В. П. Денисов
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Исследования Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники в области распространения сантиметровых радиоволн на наземных трассах
Дается краткий обзор исследований в области распространения сантиметровых радиоволн на наземных трассах. Исследования выполнены на радиотехническом факультете Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.
Распространение радиоволн, тропосфера, экспериментальные исследования, пространственно-временные сигналы
Исследования в области распространения сантиметровых радиоволн на наземных трассах начались на радиотехническом факультете в конце 50-х гг. прошлого века, когда факультет входил в состав Томского политехнического института.
В 1962 г. на базе факультета был создан Томский институт радиоэлектроники и электронной техники (нынешний Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники - ТУСУР). В новом институте исследования были продолжены в рамках специально созданного научного подразделения, которое в настоящее время называется Научно-исследовательским институтом радиотехнических систем (НИИ РТС). Первоначально работы в области распространения радиоволн выполнялись под руководством Ф. И. Пере-гудова, впоследствии министра СССР, заместителя председателя Государственного комитета СССР по высшему образованию. Цели исследований состояли в выявлении механизмов влияния среды распространения радиоволн на точность местоопределения источника радиоизлучения пассивными средствами и в оценке предельно достижимой точности. В настоящее время научным руководителем НИИ РТС является профессор Г. С. Шарыгин.
Прикладная направленность исследований сохранилась до настоящего времени. Исследования направлены на оценку пространственно-временных искажений сигналов на трассах распространения, позволяющих оценить погрешность местоопределения источника излучения пеленгационным либо разностно-дальномерным методом. За прошедшие годы исследования проводились в большом диапазоне расстояний между передающим и приемным пунктами - от прямой радиовидимости до дальнего тропосферного распространения. В данном выпуске журнала затрагиваются только исследования в области прямой радиовидимости и дифракции.
Физическими причинами, вызывающими пространственно-временные искажения сигналов в месте приема, являются отражения радиоволн от подстилающей поверхности, местных предметов и тропосферных образований, дифракция радиоволн на экранирующих препятствиях, а также флуктуации скорости распространения и рефракция радиоволн
© Денисов В. П., 2006 3
в неоднородной тропосфере. Перечисленные факторы действуют совместно, причем влияние тропосферы, зависящее от структуры поля коэффициента преломления, проявляется по-разному на трассах, различающихся свойствами и рельефом поверхности раздела. Поэтому существующие фундаментальные теоретические работы, дающие возможность рассчитать пространственно-временные характеристики флуктуаций сигналов, распространяющихся в статистически однородной турбулентной среде либо над статистически однородной поверхностью раздела, малопродуктивны, когда надо оценить пространственно-временные искажения сигналов, распространяющихся над пересеченной местностью. Задача осложняется тем, что структура тропосферы и параметры подстилающей поверхности в условиях работы систем местоопределения, как правило, неизвестны. Для дальнейшего практического использования более результативны экспериментальные оценки статистических характеристик пространственно-временных искажений сигналов в типовых условиях. Именно этот путь исследований развивается в НИИ РТС.
Эксперименты, проведенные в 60-70-х гг. XX в., заключались в приеме сигналов импульсной РЛС на элементы горизонтальной линейной антенной решетки (разнос крайних элементов решетки до 200 длин волн), а также в регистрации амплитуд сигналов с выходов каждого из них и разности фаз между сигналами. Статистические характеристики временных флуктуаций радиосигналов оценивались совместной обработкой полученных записей на интервалах стационарности (2...5 мин) при неподвижном передатчике. Измерительная и регистрирующая аппаратура позволяла в лучшем случае делать один отсчет амплитуды и разности фаз по принятому радиоимпульсу. Статистические характеристики пространственных искажений радиоволн, возникающих вследствие влияния местности и местных предметов, оценивались по аналогичным записям при перемещении передатчика. Временные флуктуации сигналов устранялись усреднением результатов измерений за трехминутные интервалы.
Результаты измерений позволили представить принимаемые сигналы й (t, х) в виде
суммы двух составляющих - регулярной Ü0 (t, х) и случайной йр (t, х):
й (t, х) = Ü0 (t, х) + йр (t, х) . (1)
Регулярная составляющая Ü0 (t, х) обусловлена падением на антенную систему плоской волны и представляет собой гармоническое колебание с постоянными за время измерения амплитудой Uq и начальной фазой Ü0 (t, х) = U0 exp {j [o^t - 2п (х/X)sin а0]}, где х - координата точки на приемной антенной решетке; aq - угол прихода плоской
волны относительно нормали к решетке.
Пространственные флуктуации сигналов, интервал корреляции которых значительно больше размера антенной решетки, входят в Üq (t, х) .
Случайная составляющая йр (t, х) включает в себя сигналы, рассеянные подстилающей поверхностью и тропосферой, интервал пространственной корреляции которых сравним с размерами приемной антенной решетки.
Многообразие ситуаций на реальных трассах распространения не позволяет описать йр (t, х) единой вероятностной моделью. Наиболее разработано представление йр (t, х)
узкополосным стационарным по времени и пространственной координате х нормальным случайным процессом:
up (t, х) = Up (t, х) exp {J [^- Фp (t, х)]}, (2)
где Up (t, х) и фр (t, х) - огибающая и фаза случайного процесса. Данное представление
используется в литературе для статистического описания УКВ-сигналов и не противоречит большей части экспериментальных данных. Вследствие нормальности и стационарности процесса Up (t, х) (2) многомерное распределение сигнала (1), принятого в различных точках t, х, полностью определяется пространственно-временной корреляционной функцией Bp (т, l) = mi {Up (t, х)Up (t + т, х +1)}, где * - знак комплексного сопряжения.
Параметры корреляционной функции - интервалы пространственной и временной корреляции, "фазовая расстройка" [1], связанная с угловым спектром рассеянных волн, а также отношение мощности регулярной составляющей к случайной, определены экспериментально в диапазонах 3 и 10 см на дистанциях от 5 до 103 км на трассах различного вида. Обобщенные данные об этих параметрах содержатся в ряде источников, например в монографиях [2], [3]. Эти данные были использованы для составления технических заданий на опытно-конструкторские работы и разработки образцов новой техники.
Однако повышение быстродействия и аппаратурной точности систем местоопределе-ния потребовало дополнительных данных об искажениях сигналов на трассах распространения с целью оптимизации измерителей. Резерв повышения точности содержится в использовании внутриимпульсной амплитудно-фазовой и поляризационной структур сигналов.
В настоящее время в НИИ РТС проводится новая серия экспериментальных исследований распространения сантиметровых радиоволн над земной поверхностью. Особенностью проводимых экспериментов является синхронная цифровая запись импульсных радиосигналов, принимаемых в разнесенных точках пространства в системе единого времени с малым интервалом дискретизации, позволяющим изучать процессы, происходящие в течение длительности импульса.
Полевые испытания проводятся эпизодически с 1996 г. по настоящее время. В течение этого времени экспериментальный комплекс совершенствовался, приближаясь к проекту, структурная схема которого изображена на рисунке.
Комплекс состоит из импульсной РЛС трехсантиметрового диапазона и трех измерительных установок П1 - П3. Одна из измерительных установок имеет антенную систему из четырех расположенных на одной линии антенн, две другие имеют две линии по две антенны. У всех антенн на выходе имеются поляризационные расщепители, к каждому из которых подключены двухканальные тракты, позволяющие выделять квадратурные компоненты сигнала относительно единого опорного гетеродина. В комплект каждой установки входит АЦП с интервалом времени дискретизации 10 нс, персональная ЭВМ типа IBM PC для записи и анализа цифровой информации и контроля работы аппаратуры, а также система синхронизации и передачи данных (ССПД).
Приемное устройство более подробно описано в статье М. Е. Ровкина, М. В. Крутикова, А. А. Мещерякова и др.1, а ССПД -в статье В. Г. Корниенко, В. Ю. Лебедева, М. В. Крутикова .
Один из измерительных пунктов (цен-ССПД тральный) содержит управляющую ЭВМ ти-
Периферийный пункт
Центральный пункт
Периферийный па 1ВМ РС, которая задает программу работы пункт периферийных пунктов, сбора и записи данных со всех измерительных пунктов, осуществляет общее управление экспериментом. В память этой ЭВМ записываются сигналы, принятые всеми измерительными пунктами, с привязкой по времени к моменту излучения.
Полевые измерения проводились в районе г. Томска. Приемные пункты располагались на высоком правом берегу р. Томи на расстоянии 8.. .10 км друг относительно друга3. Излучающая РЛС занимала различные позиции на удалении до 35 км от приемных позиций. Измерения проводились в двух режимах работы РЛС: кругового обзора с периодом около 1 мин и при неподвижной антенне, наведенной на один из приемных пунктов.
Все первичные результаты экспериментов оформлены в виде электронной базы данных, общий объем которой превышает 15 Гбайт, и могут быть использованы для оценки точности многопозиционных радиотехнических систем различного назначения. Некоторые из полученных результатов приведены в настоящем журнале.
Тематический выпуск журнала подготовлен в ходе разработки проекта "Пространственно-временные модели ультракоротковолновых сигналов, распространяющихся вдоль неровной земной поверхности", выполняемого ТУСУР в рамках ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг. )"
Библиографический список
1. Цветнов В. В. Воздействие гауссовых помех на двухканальные фазовые системы // Исследование точности и помехоустойчивости фазовых радиопеленгаторов. Л.: Судпромиз., 1959. С. 26-67.
2. Шарыгин Г. С. Статистическая структура поля УКВ за горизонтом. М.: Радио и связь, 1983. 140 с.
3. Денисов В. П., Дубинин Д. В. Фазовые радиопеленгаторы. Томск: Изд-во ТУСУР. 2002. 251 с.
V. P. Denisov
Tomsk state university of control systems and radioelectronic
Investigation of terrestrial path microwaves propagation at Tomsk state university of control systems and radioelectronic
A short review of experimental investigation of terrestrial path microwaves propagation at TUCSR radiotechnic faculty of the Tomsk state university of control systems and radioelectronic.
Radiowave propagation, troposphere, experimental researches, existential signals
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
1 См. наст. вып. журн., с. 7-12.
2 См. наст. вып. журн., с. 44-47.
3 В наиболее объемных экспериментах 1996-1997 гг. использовалось не двухканальное, а одноканальное приемное устройство, позволяющее регистрировать огибающую принимаемых импульсов.
