CC BY
235
РАДИОТЕХНИКА.^^.,
УДК 621.396.96
МОНОИМПУЛЬСНЫЙ ПЕЛЕНГАТОР СО ВСТРОЕННЫМ КОНТРОЛЕМ И КОМПЕНСАЦИЕЙ НЕИДЕНТИЧНОСТИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОВ
ЗАЙЧЕНКО А.Н., ТОЛКАЧЕВ В.И., КОЛЕСНИКОВ Ю.А., ВЕРЕЩАКА.П.
Предлагается метод цифровой обработки сигналов с компенсацией неидентичности приемных трактов моноимпульсного пеленгатора и процедура их калибровки. Рассматриваются проблемы: ввода контрольного сигнала для калибровки амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов пелен-гационной системы на базе параболической антенны с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором и алгоритм обработки.
1. Постановка задачи
В современных радиотехнических системах (траек-торных измерений, контроля космического пространства, спутниковые командно-телеметрические и информационные радиолинии и др.) для решения задач обнаружения излучаемых сигналов, наведения антенн системы и сопровождения объекта в течение сеанса связи широко используются пеленгаторы с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором. Существенное влияние на качество измерения угловых координат моноимпульсным методом оказывает неидентичность амплитудно -фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов системы.
Действительно, полезный сигнал S(t), излученный (или переизлученный) точечным (малоразмерным) объектом, находящимся в дальней зоне и принятый антенной, на её суммарном и разностных выходах можно представить в следующем виде:
UL (t) = kL- S(t) • exp(j9L); (1)
Uд(t) = kд-у-0-S(t)• єхрСфд) , (2)
где k и j — коэффициенты передач и фазовые сдвиги в каналах; у — крутизна пеленгационной характеристики антенны; 0 — угол рассогласования.
При этом оценка угла рассогласования q с учетом нормировки на уровень сигнала может быть определена как:
|Цд|-k s y-|U l|-k д
• cos^-фд )
(3)
Как видно из (3), оценка угла рассогласования q непосредственно зависит от идентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов системы.
Методы уменьшения ошибок пеленгования, обусловленных неидентичностью амплитудно-фазовых характеристик, рассмотрены в ряде работ, например [1-7]. Можно выделить два подхода к решению этой задачи. Первый — конструкционный, охватывающий различные способы объединения приемных каналов в один [1-4]. И второй — эксплуатационно-технологический, при котором амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов выравниваются по контрольному сигналу [5-7]. К сожалению, в ряде практически важных случаях известные решения либо не позволяют решить поставленную задачу, либо их использование имеет неприемлемые ограничения.
В [8] предложен метод ввода контрольного сигнала и алгоритмы цифровой обработки сигналов, позволяющие вести калибровку и компенсацию неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно -фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы. Излучатель контрольного сигнала размещается на зеркале антенны, сформулированы требования по его размещению, при этом обеспечивается ортогональность и равенство амплитуд суммарного и разностных сигналов с достаточной точностью. Однако во многих случаях на практике не удается удовлетворить требованиям по размещению излучателя контрольного сигнала. Большей частью это происходит по причинам конструкционного характера—невозможно поместить излучатель в указанном месте, там проходит ребро жесткости, размещена растяжка облучателя и т.п. Ввиду этого излучатель контрольного сигнала размещают в смещенном месте. Как показывает анализ, при этом ортогональность суммарного и разностных сигналов также обеспечивается, а вот равенство амплитуд не может быть обеспечено. Более того, амплитудные соотношения принимают значения в широких пределах, а их расчет с приемлемой точностью весьма затруднителен.
Целью данного исследования является разработка метода цифровой обработки сигналов, позволяющего с высокой точностью вести калибровку и компенсацию неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных и антенно-фидерных трактов моноимпульсной пеленгационной системы. Данная задача решалась при построении пеленгатора выносного измерительного пункта приема и регистрации телеметрической информации спутниковой радиолинии.
2. Алгоритм цифровой обработки сигналов с компенсацией неидентичности приемных трактов
В общем случае обработка пеленгуемого сигнала предусматривает процедуру демодуляции и формирования комплексных отсчетов сигналов, снимаемых с выходов суммарного и разностных каналов антенного устройства (АУ), которая сводится к свертке принимаемых сигналов с его копией на интервале наблюдения [9]:
РИ, 2005, № 3
5
YSp = J1Js (t) -6p(t)dt,
Tp ’
Yap = JUa(t) '6P(t)dt.
Tp ’
(4)
(5)
YPp =J U p(t) -a p(t)dt, (6)
где Tp — время накопления пеленгуемого сигнала; a p — копия пеленгуемого сигнала.
Компенсация неидентичности фазовых и амплитудных характеристик приемных каналов:
Yka = ka Ya • ex^- j Дфа } . (7)
Ykp = kpYp- exp {- j^p}, (8)
Дфр = arg{Ypk • Y£k} • (15)
Полученные по (14) и (15) значения коэффициентов компенсации неидентичности фазовых характеристик приемных трактов используются при работе в (7) и (8).
Вычисление коэффициентов компенсации смещения нулей разностных диаграмм направленности и неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов проводится совместно и реализуется в два этапа. Сначала АУ системы наводится на контрольную мачту без смещения, а затем с заранее известным смещением в пределах сектора обзора. Определение коэффициентов компенсации при этом осуществляется следующим образом:
здесь ka, kр — коэффициенты компенсации неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов, определяются в процессе калибровки; дфа , дФр — коэффициенты компенсации неидентичности фазовых характеристик приемных каналов, определяются в процессе калибровки.
Формирование оценок рассогласования:
Да = Re{Yka • Y*}/|Ys|2 -a^ ; (9)
ДР = Re{Ykp- Y*}/|YL|2 -PcM, (10)
где а см, рсм — коэффициенты компенсации смещения нуля разностных диаграмм АУ, определяются в процессе калибровки.
3. Процедура калибровки приемных трактов пеленгатора
Калибровка пеленгатора может проводиться по контрольному сигналу, излучаемому имитаторами, которые установлены на контрольной мачте или на антенне самого пеленгатора.
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 [8,9]:
Ysk = JUі(t)-бk(t)dt, Tk ; (11)
Yak = JUa(t) -6k(t)dt ■ Tk ’ (12)
Ypk = JUp(t) -ak(t)dt Tk (13)
k _ Даизв Да^-Да0’ (16)
kR= ЛРизв ; P ДРі -ДР0 ; (17)
„ Ааизв • Дао см * A ; Aai -Аар (18)
R _ ДРизв ■ ДРо ДРі -ДРо ’ (19)
где Дар, ЛРо и Aaj, Др^ - оценки рассогласования при нулевом и ненулевом (заранее известном смещении Даизв , Дризв) смещениях наведения антенного устройства на имитатор. Все описанные выше процедуры в обеих плоскостях проводятся независимо. Полученные по (16) - (19) значения коэффициентов компенсации смещения нулей разностных диаграмм направленности и неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов используются при работе в (7) - (10).
Калибровка пеленгатора по сигналам, излучаемым имитатором на антенне самого пеленгатора, проводится не в полном объеме. При соблюдении условий размещения излучателя на антенне возможно определение коэффициентов компенсации неидентичности фазовых и амплитудных характеристик трактов.
Неидентичность фазовых и амплитудных характе -ристик разностных приемных каналов по отношению к суммарному при калибровке пеленгатора по сигналам, излучаемым имитатором на антенне, определяется следующим образом:
дФа = ai-g{Y^ •Y-%/2; (20)
где Tk — время накопления контрольного сигнала; ak — копия контрольного сигнала.
Калибровка пеленгатора по сигналам с контрольной мачты предусматривает следующие процедуры [10].
Определение коэффициентов компенсации неидентичности фазовых характеристик приемных каналов осуществляется при наведении АУ системы на контрольную мачту со смещением как
ДФа = arg{Y(xk • Y£k} ; (14)
Дфр = arg{Ypk •Y£k}-я/2 . (21)
Полученные по (20) и (21) значения коэффициентов компенсации неидентичности фазовых характеристик приемных трактов равноценны тем, которые получены по (14) и (15), и также используются при работе в (7) и (8).
Из-за большой неопределенности ДН в ближней зоне рассчитать уровень сигнала имитатора на выходе разностных каналов не представляется воз -
РИ, 2005, № 3
6
можным. Однако ввиду постоянства этих ДН коэффициенты kа, kp могут быть определены методом замещения следующим образом. Сразу после проведения калибровки по контрольной мачте необходимо провести опорную калибровку по встроенному имитатору и определить опорные коэффициенты как:
Уу kоп - 1 п k . У ; ^•а | Аа| (22)
Уб k 0ПГ^ТЩ Ч Уе| • (23)
Опорные коэффициенты k ™, k™ сохраняются в памяти управляющего вычислительного комплекса. В дальнейшем коэффициенты kа, kр определяются следующим образом:
k •- У-1,- k 0п. у ; а Аа (24)
k - N Р k оп 1У 1 . k р*|Ур| (25)
Полученные по (24) и (25) значения коэффициентов компенсации неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов равноценны тем, которые получены по (16) и (17), и также используются при работе в (7) и (8). При этом значения
асм, рсм принимаются равными нулю приобретают следующий вид: , а(9)и(10)
Да = Re{yka-У^/У 2 ; (26)
ДР = Re{ykp- У^/уі2. (27)
Проведение калибровки без контрольной мачты целесообразно проводить в неоснащенных местах развертывания системы, где имеются технические и организационные трудности с размещением контрольной мачты и прокладкой соединительных кабелей.
4. Выводы
Научный результат работы: получен метод ввода контрольного сигнала для калибровки амплитудно-фазовых характеристик приемных и антеннофидерных трактов моноимпульсной пеленгацион-ной системы на базе параболической антенны с амплитудным суммарно-разностным моноимпульсным угловым дискриминатором.
Практическая значимость полученного результата: описанный метод ввода контрольного сигнала позволяет построить моноимпульсную пел енгацион -ную 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 долговре-
менной стабильности параметров. Рассмотрены некоторые аспекты практической реализации.
В ряде случаев в силу конструкционных или схемно-технических особенностей имеется необходимость контролировать амплитудно-фазовые характеристики приемных трактов постоянно. Ортогональность контрольного и пеленгуемого сигналов в разностных каналах существенно облегчает решение такой задачи. Этот вопрос может быть предметом дальнейших исследований.
Литература: 1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульс ная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с. 2. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., Москвитин С.В., Горшков С.А., Леко-вицкий Д.И., Левченко Л.С.// Под ред. Я.Д.Ширма-на.М.: ЗАО “МАКВИС”, 1998. 828 с. 3. Патент РФ 2087005. Преобразователь сигналов для моноимпульсных радиолокаторов. Щур Ю.И., Осуль И.К., 1997. 4. 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. 5. Шишов Ю.А., Голик А.М. и др. Адаптация ФАР по результатам встроенного контроля// Зарубежная радиоэлектроника. 1990, № 9. С. 69-89. 6. Patent US 4394695. Monopulse radar with pilot signal generator. Bernard Gellekink; 1983. 7. 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. 8. Зайченко А.Н., Сумкин Г.П. и др. Метод ввода контрольного сигнала в моноимпульсном пеленгаторе / Радиоэлектроника и информатика. 2005. № 1. С. 31-34. 9. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989. 656 с. 10. Зайченко А.Н., Колесников Ю.А. Калибровка и компенсация неидентичности амплитудно-фазовых характеристик приемных трактов моноимпульсного пеленгатора / Тезисы докладов. 10-я юбилейная международная научная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации». 28 сентября — 1 октября 2004. Туапсе, 2004. С.241-242.
Поступила в редколлегию 30.06.2005
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Пискорж В.В.
Зайченко Александр Николаевич, канд. техн. наук, начальник отдела ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Акад. Павлова, 271, тел. (057) 738-41-83, е-mail: [email protected].
Толкачев Василий Иосифович, ведущий инженер, Харьковский завод агрегатных станков. Научные интересы: измерительные радиосистемы, цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Акад. Павлова, 271, тел. (057) 738-41-83.
Колесников Юрий Александрович, ведущий инженер ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: цифровая обработка сигналов. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Акад. Павлова, 271, тел. (057) 738-41-83.
Верещак Александр Петрович, канд. техн. наук, профессор, генеральный конструктор, директор ОАО “AO Научно-исследовательский институт радиотехнических измерений”. Научные интересы: измерительные радиосистемы. Адрес: Украина, 61054, Харьков, ул. Акад. Павлова, 271, тел. (057) 738-41-83.
РИ, 2005, № 3
7
