Научная статья на тему 'Метод ввода контрольного сигнала в моноимпульсном пеленгаторе'

Метод ввода контрольного сигнала в моноимпульсном пеленгаторе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
589
193
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Зайченко Александр Николаевич, Сумкин Герман Павлович, Верещак Александр Петрович, Данилин Анатолий Борисович, Колесников Юрий Александрович,

Предлагается метод ввода контрольного сигнала для калибровки амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы на базе параболической антенны с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Зайченко Александр Николаевич, Сумкин Герман Павлович, Верещак Александр Петрович, Данилин Анатолий Борисович, Колесников Юрий Александрович,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Method of input of a monitoring signal in a monopulse direction finder

Method of input of a monitoring signal for calibration gain and phase characteristics of paths of a monopulse direction finder it is offered. It allows building a monopulse direction finder with separate receivers in which influence not identity of gain and phase characteristics of paths is excluded. Requirements on identity and stability of parameters are not showed to them.

Текст научной работы на тему «Метод ввода контрольного сигнала в моноимпульсном пеленгаторе»

рить диапазон рабочих частот предложенного устройства вплоть до субмиллиметрового диапазона волн.

Литература: 1. Sukhoruchko O.N. Balanced parametric amplifier of the mm range // “International Journal of Infrared and Millimeter Waves”. 2001. Vol.22, №7. P.10471053. 2. Sukhoruchko O.N., Bulgakov B.M., Fisun A.I., and Belous O.I.. Parametric Amplification of Signals in the Short-Wave Part of MM Wave Band // Telecommunication and Radio Engineering’. 2002. Vol. 58, № 7-8. P.64-73. 3. Сухоручко O.H., Плаксий В.Т. Параметрический усилитель 5-мм диапазона // Вісник Харківського Національного Університету. Сер. Радіофізика та електроніка. 2002. № 2 (570). С. 94-96. 4. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ / Под ред. В.С. Эткина. // М.: Радио и связь, 1983. 333 с. 5. Дьяченко С.М., Зинченко С.А., КоцержинскийБ.А., ТараненкоВ.П. Использование нелинейных свойств ЛПД в устройствах миллиметрового диапазона / / Радиоэлектроника. 1983. Т. 26, № 10. С.4-18.

Поступила в редколлегию 25.12.2004

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Булгаков Б.М.

УДК 621.396 '

МЕТОД ВВОДА КОНТРОЛЬНОГО СИГНАЛА В МОНОИМПУЛЬСНОМ ПЕЛЕНГАТОРЕ

ЗАЙЧЕНКО А.Н., СУМКИНГ.П.,

ВЕРЕЩАКА.П., ДАЛИЛИНА.Б.,

КОЛЕСНИКОВ Ю.А, ТОЛКАЧЕВ В.И.__________

Предлагается метод ввода контрольного сигнала для калибровки амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы на базе параболической антенны с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором.

1. Постановка проблемы в общем виде

Задача следящего пеленгования, т.е. задача обнаружения излучаемых сигналов, наведения антенн системы и сопровождения объекта в течение сеанса связи возникает в широком классе радиотехнических систем (радиоэлектронные и навигационные системы, системы траекторных измерений и др.).

Как показано в [ 1], наиболее широко в современных системах используются пеленгаторы с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором, как менее требовательным к идентичности характеристик приемных каналов. В таких пеленгаторах сигналы с выхода антенны поступают в суммарно-разностный преобразователь, на выходе которого формируются суммарный и разностные (в обеих плоскостях) высокочастотные сигналы. Амплитуда разностного сигнала определяет значение угловой ошибки, а разность фаз между суммарным и разностным сигналами — знак угловой ошибки, т.е. направление отклонения источника излучения от равносигнального направления.

Сухоручко Олег Николаевич, канд. физ.-мат. наук, научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: физика приборов, элементов и систем, твердотельная электроника миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: oniks@ire.kharkov.ua.

Фисун Анатолий Иванович, д-р физ.-мат. наук, ст. научн. сотр, ведущий научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: электродинамика открытых резонансных систем, квазиоптические твердотельные источники электромагнитных волн миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак. Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: afis@ire.kharkov.ua.

Белоус Олег Игоревич, канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотр. ИРЭ НАН Украины. Научные интересы: электродинамика открытых резонансных систем миллиметрового диапазона волн. Адрес: Украина, 61085, Харьков, ул. Ак.Проскуры, 12, тел. 744-83-08, e-mail: obel@ire.kharkov.ua.

Существенное влияние на качество измерения угловых координат моноимпульсным методом оказывает неидентичность амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов системы. Этот вопрос рассмотрен в ряде работ, например [1,2]. Методы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных неидентичностью амплитудно-фазовых характеристик, достаточно полно и подробно описаны в [ 1]. Можно выделить два подхода к решению этой задачи. Конструкционный, охватывающий различные способы объединения приемных каналов в один, и эксплуатационнотехнологический, при котором амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов выравниваются по контрольному сигналу с помощью предусмотренных для этого регулирующих элементов. Безусловно, все они имеют свои достоинства и недостатки. К сожалению, в ряде практически важных случаев известные решения либо не позволяют решить поставленную задачу, либо их использование имеет неприемлемые ограничения.

Цель исследования — разработка метода ввода контрольного сигнала для калибровки амплитуднофазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы.

2. Анализ известных решений

Вопросу калибровки и компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов уделяется большое внимание. Эта проблема рассматривается во многих работах, например в [14]. Можно выделить несколько подходов к ее решению.

Рассмотрим сначала возможные решения в рамках конструкционного подхода. В [1] предложено несколько возможных вариантов объединения приемных каналов. Объединение можно проводить как на высокой, так и на промежуточной частоте

РИ, 2005, № 1

31

путем коммутации, разнесения по частоте, использования фазовых сдвигов, временной задержки, кодирования или низкочастотной модуляции сигналов и др. Объединение на промежуточной частоте и разнесение по частоте подразумевает наличие в каждом канале некоторой части приемного устройства, что не позволяет исключить все имеющиеся неидентичности. Коммутация приводит к энергетическим потерям, в большинстве практических случаев это неприемлемо. Использование фазовых сдвигов ограничено возможностью объединения только двух сигналов [5]. Применение временной задержки затруднено получением элементов задержки с малыми разбросами. Наиболее приемлемыми для практической реализации являются кодирование и низкочастотная модуляция на высокой частоте.

Использование кодирования рассмотрено в [6,7]. Здесь сигнал с каждого элемента антенны модулируется ортогональным псевдослучайным сигналом, все сигналы складываются, проходят через одноканальный приемник, оцифровываются, а затем в цифровой форме демодулируются и производится дальнейшая обработка. Такое решение позволяет объединить в один канал любое количество сигналов, затем восстановить и обработать их. Однако аппаратура, реализующая такую обработку, получается более сложной, так как после кодирования спектр суммарного сигнала соответственно расширяется, и для его усиления и преобразования требуется более широкополосный приемник и устройство цифровой обработки, а для качественного восстановления сигналов необходима жесткая синхронизация по времени модулирующих и демодулирующих кодовых последовательностей.

В [ 1] рассмотрен вопрос использования низкочастотной модуляции сигналов. Структура системы аналогична описанной выше для кодирования, но, при этом, достаточно проста в настройке и стабильна в различных условиях эксплуатации. Однако, согласно [1], введение низкочастотной модуляции при объединении каналов делает систему пеленгации чувствительной к амплитудным флуктуациям принимаемых сигналов, а также уязвимой со стороны организованных амплитудно-модулирован-ных помех.

В рамках эксплуатационно-технологического подхода возможны также различные варианты решения задачи, охватывающие разные способы подачи контрольного сигнала, измерения параметров приемных трактов и введения компенсирующих воздействий. Наиболее полно они описаны в [4]. Различие в вариантах калибровки и компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик заключается в способе подачи контрольного сигнала — введение в приемный тракт через коммутатор, ответвитель и т.п., или подача на вход антенной системы через вынесенный на юстиро-вочную мачту излучатель; в способе измерения характеристик приемного тракта—введение специального измерительного тракта, включающего амплитудные и фазовые детекторы, или использова-

ние тракта основной обработки сигналов; в способе осуществления компенсации неидентичности — применение регулируемых фазовращателей и аттенюаторов, которые могут быть выполнены как в аналоговом, так и в цифровом виде, или учет в алгоритмах основной обработки сигналов.

Устройства, в которых контрольный сигнал вводится в приемный тракт через коммутатор, ответвитель и т.п., широко распространены, например [8 -14]. Этот способ достаточно эффективно позволяет калибровать и компенсировать амплитудную неидентичность трактов, а компенсация фазовой характеристики возможна лишь в случаях, когда гарантируется синфазность вводимых воздействий или длина волны намного больше электрических длин подводящих цепей — удовлетворить этим требованиям во многих практических случаях очень сложно. Кроме того, никак не учитываются цепи антенно-фидерного тракта.

Устройства, в которых контрольный сигнал подается на вход антенной системы через вынесенный излучатель, свободны от этих недостатков, например [15]. Однако все они ориентированы на построение систем, в которых вынесенный излучатель располагается в дальней зоне на юстировочной мачте. В ряде практических случаев это не приемлемо как по техническим, так и по эксплуатационно-технологическим причинам.

3. Антенна пеленгатора и метод ввода контрольного сигнала

Согласно требованиям технического задания, в рамках которого проводилась работа, пеленгатор должен иметь ширину диаграммы антенного устройства по уровню —3 дБ в S-диапазоне около 5°. Как известно, наиболее технологически простой антенной с шириной диаграммы направленности менее 10° является параболическая антенна. Согласно расчету, диаметр антенны составляет 1800 мм. В качестве облучателя антенны применен двухмодовый волноводный облучатель, обеспечивающий формирование суммарного и двух разностных (по азимуту и углу места) каналов. Для достижения высокой чувствительности пеленгаци-онного устройства каждый канал имеет свой приемный тракт с малошумящим усилителем на входе, одно из основных требований к которому — высокая идентичность и стабильность амплитудных и фазовых характеристик. Для удовлетворения этим требованиям необходимо использование дорогостоящих высокостабильных приемных устройств и обеспечение равных электрических длин трактов и идентичного теплового режима как для электронных компонентов, так и для антенно-фидерных трактов. Как показывает опыт, такие решения сложны и дорогостоящи. Предложено измерять амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов и антенно-фидерных устройств, а результаты измерений учитывать в виде поправок при обработке сигналов.

С этой целью в раскрыве антенны размещен излучатель контрольного сигнала. Смещение элек-

32

РИ, 2005, № 1

трической оси излучателя относительно электрической оси моноимпульсного облучателя обеспечивает возбуждение на его выходе как суммарного, так и двух разностных сигналов. На рис.1 схематично показано взаимное расположение зеркала антенны 1, излучателя контрольного сигнала 2 и моноимпульсного облучателя 3.

і

3

б

Рис. 1. Схема взаимного расположения зеркала антенны 1, излучателя контрольного сигнала 2 и моноимпульсного облучателя 3: а — вид спереди; б — вид сбоку

Рассмотрим формирование указанных сигналов в одной плоскости, для примера в вертикальной. На рис.2 упрощенно изображены два канала облучателя и падающая волна контрольного сигнала.

Рис. 2. Упрощенная иллюстрация облучателя и падающей волны контрольного сигнала

Направление падающей волны из-за смещения излучателя контрольного сигнала с фокальной оси параболоида происходит под углом 0 к плоскости раскрыва облучателя. Сигналы на выходах облучателя 1 и 2 можно представить следующими выражениями:

Ui = Aisin(rot + nd/X0sin0), (1)

U2 = A2sin(rot -nd/ X0sin 0). (2)

Устройство формирования суммарного и разностного сигналов выделяет сигналы: суммарный

иs= AL sin(rot + Фі ), (3)

где

Фі = arctg[A A2 tg(rcd / X0 sin 0)] (4)

A1 + A2 ’ v '

и разностный

где

Uд = Aд sin(rot + фд),

Фд = arctg[Ai^A2tg(:rcd/Xo sin0)] Ai _ a2

С учетом того, что Ai « A2 , получаем

(5)

(6)

Дф = фі-фд«л/2. (7)

Ввиду условий размещения на конечном расстоянии излучателя контрольного сигнала и облучателя антенны (несколько длин волн) амплитуды А1 и А2 сигналов U1 и U2 не одинаковы. Однако численный анализ показал, что величина отличия не превышает 5%, при этом Дф отличается от п /2 не более чем на 3°. Это подтверждено результатами экспериментальных исследований.

Равенство амплитуд A у и A д сигналов U у и U д обеспечивается выполнением условия

2nd/XosinQ = n/2 . (8)

Обработка контрольного сигнала предусматривает процедуру демодуляции и формирования комплексных отсчетов сигналов, снимаемых с выходов суммарного и разностных каналов АУ, которая сводится к свертке принимаемых сигналов с его копией на интервале наблюдения:

Ya = J U s (t) -CTk(t)dt

Tk ,

Yk = J U д (t) A k(t)dt

Tk ,

где Tk — время накопления контрольного сигнала; a k — копия контрольного сигнала.

(9)

(10)

Определение неидентичности фазовых характеристик приемных каналов:

ДФ = arg{Y4k • Y*k>~п/2 , (11)

определение неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов:

РИ, 2005, № 1

33

k лН^дкІ/ІУаІ. (12)

Полученные оценки могут быть использованы в алгоритмах обработки основного сигнала для компенсации неидентичности амплитудно-фазовых характеристик трактов.

4. Выводы

Научный результат работы—получен метода ввода контрольного сигнала и калибровки неидентичности амплитудно-фазовых характеристик антеннофидерных и приемных трактов моноимпульсной пеленгационной системы.

Практическая значимость полученного результата: использование описанного выше метода ввода контрольного сигнала позволяет построить моноимпульсную пеленгационную систему с раздельными приемными трактами, в которой исключено влияние неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов и антенно-фидерных устройств, к приемным трактам не предъявляются требования по долговременной стабильности параметров.

В ряде случаев в силу конструкционных или схемно-технических особенностей реализации имеется необходимость контролировать амплитуднофазовые характеристики приемных трактов постоянно. Ортогональность контрольного и пеленгуемого сигналов в разностных каналах существенно облегчает решение такой задачи. Однако этот вопрос выходит за рамки данной работы и может быть предметом дальнейших исследований.

Литература: 1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

2. Проблемы антенной техники /Под ред. Л.Д.Бахире-ва, Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1989. 368 с.

3. Справочник по радиолокации /Под. ред. М. Сколни-ка. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н.Трофимова. Том. 2. Радиолокационные антенны и устройства /Под ред. П.И. Дудника. М.: Сов.радио, 1977. 408 с. 4. Шишов Ю.А., Голик А.М. и др. Адаптация ФАР по результатам встроенного контроля // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. № 9. С. 6989. 5. Патент РФ 2087005. Преобразователь сигналов для моноимпульсных радиолокаторов. Щур Ю.И., Осуль И.К., 1997. 6. Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др./Под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 672 с. 7. Patent US 6384784. Direction finder system using spread spectrum techniques. Linley F. Gumm; 2002. 8. Patent US 5315304. Digital monopulse. Sam Ghaleb, Michael Stokes; 1994. 9. Patent US 4394695. Monopulse radar with

pilot signal generator. Bernard Gellekink; 1983. 10. Patent U S 4994810. Monopulse processor digital correction circuit. Allen I.Sinsky; 1991. 11. Patent US 5051752. Angle measurement compensation technique for amplitude comparison monopulse receiver. Richard L.Woolley; 1991. 12. Patent US 5808578. Guided missile calibration method. Peter F. Barbella; Malcolm F. and others. 1998. 13. Patent US 6100841. Radio frequency receiving circuit. John Toth; Michael J. Delcheccolo and others. 2000. 14. Patent US 6498582. Radio frequency receiving circuit having a passive monopulse comparator. Anthony Sweeney; Mark A. Hebeisen and others. 2002. 15. Patent US 6144333. Method for estimating gain and phase imbalance using self-calibrating monopulse angle discriminates in a monopulse radar system. Kwang M.Cho; 2000.

Поступила в редколлегию 20.12.2004

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Гомозов В.И.

Зайченко Александр Николаевич, канд. техн. наук, начальник сектора ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271. тел. (057) 738-20-93. Email: zaychenko@niiri.kharkov.com

Сумкин Герман Павлович, старший научный сотрудник ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: антенные устройства радиотехнических систем. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.

Верещак Александр Петрович, канд. техн. наук, доцент, генеральный конструктор, директор ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.

Данилин Анатолий Борисович, канд. техн. наук, начальник сектора ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, радиолокационные системы с синтезированием апертуры. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.

Колесников Юрий Александрович, инженер ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271. тел. (057) 738-20-93.

Толкачев Василий Иосифович, ведущий инженер ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Академика Павлова, 271.

34

РИ, 2005, № 1

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.