CC BY
3УДК 621.396.96
Оценка эффективности применения двухканальной радиотеплолокационной системы с компенсацией фоновых помех
Федосеева Е.В.
Предложена методика оценки эффективности применения двухканальной радиотеплолокационной системы с дополнительным антенным каналом формирования сигнала компенсации фоновых помех с точки зрения точности радиотеплолокационных измерений.
Ключевые слова: двухканальная радиотеплолокационная система, фоновые помехи.
Введение
Задача компенсации помехового действия фонового излучения, окружающего радио-теплолокационную систему и принимаемого через область рассеяния ДН антенны, должна решаться с учетом требования минимального влияния на уровень информационной составляющей входного сигнала системы, обусловленной приемом радиошумового излучения из угловой области главного лепестка ДН антенны [1,2].
Так, возможен способ компенсации воздействия фонового излучения на результаты радиотеплолокационных измерений путем организации в антенной системе дополнительного канала приема с меньшей пространственной избирательностью. Однако анализ показывает, что при полной компенсации фонового шума в условиях абсолютно равномерного уровня фонового излучения потери информационной составляющей оказываются не менее 5%, и, кроме того, существуют ограничения на возможности реализации дополнительного антенного канала, особенно при достаточно высокой пространственной избирательности основного антенного канала.
В результате принципы дальнейшего усовершенствования двухканальных антенн могут быть сформулированы следующим образом:
- низкий уровень приема по угловой области главного лепестка ДН основной антенны;
- по возможности комплексное встраивание дополнительного канала в состав антенны радиотеплолокационной системы.
Цель работы - сформулировать общие принципы оценки эффективности применения двухканальной радиотеплолокационной системы с компенсацией фоновых помех, учитывающие потери информационного сигнала за счет ненулевого приема дополнительным каналом по области главного лепестка ДН основного измерительного антенного канала и степень неадекватности приема фонового излучения по двум антенным каналам.
Алгоритм функционирования и схемное решение двухканальной радиотеплолокационной системы
Для осуществления полной компенсации по-меховой составляющей входного сигнала радиотеплолокационной системы, при отсутствии потерь информационной составляющей, в идеальном случае требования к направленным свойствам дополнительного антенного канала должны быть следующие:
- нулевой уровень приема по угловой области главного лепестка ДН основной антенны;
- адекватный основной антенне уровень приема по области рассеяния.
При условии выполнения указанных требований к дополнительному антенному каналу двухканальной радиотеплолокационной системы его выходной сигнал оказывается равным помеховой составляющей выходного сигнала основного измерительного антенного канала. Далее в системе должна быть предусмотрена процедура компенсации внешнего шума окружающего фона, осуществляемая в радиометре, с одновременным
выполнением задачи компенсации собственного шума радиометра на результаты измерений. В условиях неопределенности и неоднозначности условий проведения измерений двухканальную радиотеплолокационную систему желательно реализовывать по модуляционному принципу с коммутацией входных сигналов основного и специально организованного дополнительного антенного канала [3-5]. Функциональная схема такой радио-теплолокационной системы с компенсацией фоновых помех приведена на рис. 1.
А1 и А2 - основной и дополнительный антенные каналы; М - модулятор; ПУБ -приемно-усилительный блок; КД - квадратичный детектор; УНЧ - усилитель низкой частоты; СД - синхронный детектор; И - индикатор; ГОН - генератор опорного напряжения.
Принцип работы радиотеплолокационной системы с компенсацией внешних фоновых помех поясняется временными диаграммами работы, приведенными на рис.2.
На отрезке (/0 - ) под действием управляющей последовательности импульсов, поступающей с выхода ГОН (рис. 2а), модулятор М подключает основной измерительный антенный канал А1 ко входу приемно-
усилительного блока ПУБ.
На отрезке (^ -12) под действием управляющей последовательности импульсов, поступающей с выхода ГОН (рис. 2б), модулятор М подключает дополнительный антенный канал А1 ко входу приемно-усилительного блока ПУБ.
Оба входных сигнала канала А1 на отрезке (/0 -) и канала А2 на отрезке (^ -12) проходят общий приемный тракт с преобразованием частоты в ПУБ, амплитудным детектированием в квадратичном детекторе и с усилением в усилителе низкой частоты УНЧ с формированием в соответствующие отрезки времени выходных сигналов пропорциональных величинам шумовых температур
(рис. 2в) Та1 + ТШПр и
Та 2 + Тшпр , где Тшпр
шумовая температура приемного тракта радиометра. В результате выходные напряжения УНЧ равны
- на отрезке (/0 -
ивыхА 1 ¥кТа 1 + Тшпр= к (Тгл (1 - ^ +
+ ТбжРл + Т0(1 -V))+Тшпр,
- на отрезке (^ - /2)
ивыхА2^кТа2 + Тшпр = к(ТбокРЛ + То(1 - V))+ Тшпр , (2) где к - коэффициент передачи радиометра
(1)
входных сигналов антенны.
В соответствии с управляющей последовательностью импульсов с генератора опорного напряжения ГОН на первый вход синхронного детектора СД в течение отрезка —поступает напряжение ивыхА1, а в течение — ¿2) - напряжение ивыхА2, на второй вход СД поступает аналогичная управляющая последовательность импульсов с ГОН. Выходное напряжение синхронного детектора СД равно
^выхСД UвыхАХ
'выхА2^ T (Х(3)
Как следует из выражения (3), в выходном сигнале радиотеплолокационной системы отсутствуют аддитивные внешние фоновые помехи, обусловленные приемом внешнего фонового излучения через область рассеяния ДН антенны.
Рассмотренный алгоритм функционирования радиотеплолокационной системы с компенсацией в представленном виде работает только при абсолютном выполнении требований к направленным свойствам дополнительного антенного канала.
Для общей характеристики соответствия двухканальной антенны требованиям алгоритма компенсации фоновых помех можно ввести следующие интегральные характеристики:
Х) интегральный параметр, характеризующий величину относительного подавления уровня приема в области главного лепестка ДН дополнительного антенного канала
Л
"гл
fiFdon(û)2 sinÛdÛ
_ 0
гл
flFocH(û)2 sinÛdÛ
(4)
где 9^, - угловой размер главного лепестка ДН основной антенны;
2) интегральный параметр, характеризующий степень адекватности принимаемого излучения дополнительным и основным антенным каналом по угловой области боковых и задних лепестков ДН
л
f \Fdon(û)2 sinÛdÛ
Лб = —
б,з p
(5)
f F™ (Û)2 Sinûdû
Каждый из критериев Лгл и Лбз определяет относительный уровень суммарной принимаемой мощности излучения основного и дополнительного антенного канала в соответствующих угловых областях.
Оптимальные значения введенных параметров для случая идеальной реализации метода компенсации в двухканальной радио-теплолокационной системе с дополнительным антенным каналом со специальной формой ДН следующие:
Г л,. = 0
Лб = 1.
I б,з
(6)
Принципы оценки эффективности
применения двухканальной радиотеплолокационной системы для компенсации фоновых помех
Точность реализации предложенного алгоритма работы двухканальных радиотеплоло-кационных систем с компенсацией фоновых шумов в первую очередь определяется характеристиками направленности двухка-нальной антенны, а погрешность результатов измерений обусловлена неполной компенсацией помеховых компонент антенной температуры. Поэтому для ее оценки необходимо ввести критерии, связывающие интегральные параметры антенны Лгл, Лб з и погрешность
определения радиояркостной температуры зондируемой области.
Сигнал на выходе антенны определяется в значениях антенной температуры, которая на выходе основного и дополнительного антенного канала может быть представлена в виде
Тосн = Тгл (1 -Ьосн )h + Тф ßoch+ - h),
Тдоп = Т гл (1 -ßonn )h + T,ßonnh + Т,(Х - h), ( ) где Тл и Тф - усредненные значения радиояркостной температуры по главному лепест-
0
ку и области рассеивания ДН основного антенного канала соответственно; ßoCH и ßdon -коэффициенты рассеивания ДН основного и дополнительного каналов, нормированные по суммарной мощности основного и дополнительного канала, соответственно.
Для нахождения разности антенных температур Тосн и Тдоп, предусмотренной алгоритмом работы системы, необходимо осуществить их нормировку по одной и той же величине суммарной мощности, принимаемой основным каналом. Тогда разность антенных температур основного и дополнительного канала будет определяться соотношением АТа = Тл (1 - DocH / Dш - ßосн + ß'dm )h + + Тф (ßOCH -ßdon )h,
где ß'don - коэффициент рассеивания ДН дополнительного антенного канала, нормированный к суммарной мощности приема основного канала, DOCH и Ddon - коэффициенты направленного действия основного и дополнительного антенного канала.
Значение радиояркостной температуры радиошумового излучения из угловой области главного лепестка, исходя из (8), равно
DT
(8)
Т =
(1 - Doch / Ddon -ßocH +ßL )h
Тф (ßocH ßdon )
(9)
(1 - А» / вдт—росн +роп)'
Первое слагаемое в (9) задает информационную составляющую входного сигнала, а второе является абсолютной погрешностью результатов зондирования двухканальной радиотеплолокационной системой.
Проанализируем погрешности определения Тш по величине первого слагаемого формулы (9). При условии, что все входящие в выражение (9) величины являются независимыми случайными, относительная средне-квадратическая погрешность одноканальной радиотеплолокационной системы определится по формуле
8Тгл2 » кАта 8Ата + кРЧ2 + к/26/\ (10)
где Зт , 8г - относительные ошибки измерения соответствующих величин прироста антенной температуры АТа, коэффициента рассеяния Р , кпд антенно-фидерного тракта /; кАТа,кр,кг - коэффициенты вклада соответствующих ошибок в суммарную погрешность измерения.
В целом величина 8Тгл, определяемая по (10), может быть охарактеризована как сред-неквадратическая погрешность оценки ра-диояркостной температуры по величине антенной температуры в условиях отсутствия помеховых компонент последней. Аналогичная погрешность, обеспечиваемая рассматриваемой двухканальной радиотеплолокаци-онной системой, будет несколько выше, так как для нее в выражениях для коэффициентов кАТ^,кр,кг величина (1 — р) должна быть
заменена на выражение
(1 — А™ / Ядоп — росн + рп). Тогда средне-квадратическая погрешность измерения ра-диояркостной температуры в направлении главного лепестка ДН 8^ для двухканаль-
ной системы может быть представлена выражением
1 — Росн С
о*
дТ =-FT
D
(11)
1---ß +ß'
D ' °cH ' v°n
где 8Тл - среднеквадратическая погрешность
определения Тгл в соответствии с формулой (10).
Представление погрешности 8* в виде
(11) позволяет связать ее увеличение за счет ненулевого уровня ДН дополнительного антенного канала в направлении зондирования. Преобразования выражения (11) приводят к следующей формуле:
8 = к1Агж, к1д =(1 — Ам/(1 — Ропп/Р))—1■. (12)
Соотношение (12) позволяет сформулировать требования к ДН дополнительного антенного канала в области главного лепестка
исходя из допустимом величины погрешно-
С*
сти дТ .
Проанализируем погрешность измерения Тгл, обусловленную неадекватности суммарной мощности приема основного и дополнительного антенного канала из угловой области рассеяния ДН основного канала. Величина данной погрешности характеризуется вторым слагаемым в (9) и равна:
8Т =
ß -ß'
/осн /до)
ТЛ
—^. (13) - 1 -D /Dд -В + В Т
осн доп / осн / доп гл
После преобразования выражение (13) имеет вид:
Т,
Ат — к 2. — , к 2. ■ ,
Тгл А Т А В " — 1 — А
гл Г осн гл
Для анализа влияния характеристик основной и дополнительной антенн двухка-нальной радиотеплолокационной системы были проведены расчеты величин факторов влияния к1А и к 2А , результаты которых представлены в таблице.
1 -А,
б,з
. (14)
ßосн 0.2 0.3
Ма А гл 0.1 1.03 1.04
0.01 1.003 1.004
k 2а Аб,3 1.01 0.002 0.004
1.1 0.02 0.04
1.2 0.04 0.08
По известным значениям d
и Тф / Т г
можно оценить суммарную погрешность, обеспечиваемую двухканальной радиотепло-локационной системой с антенной, характеризуемой значениями параметров Ал и Абз, по следующему выражению:
Ае— + к2.Тф /Т, . (15)
Так к при росн =0,2, А г, =0,01, Аб,3
=1,01, 8Тш =10%, Тф /Т, =20 суммарная погрешность Ае составит 14,3%.
Заключение
Предложенный способ оценки эффективности применения двухканальной радиотеплолокаци-онной системы достаточно универсальный и позволяет оценить возможные способы реализации двухканальных антенн с позиции комплексной задачи повышения точность радио-теплолокационных измерений.
Литература
1. Федосеева, Е.В. Статистические вопросы обнаружения радиотеплолокационных сигналов с учетом влияния фонового излучения / Радиотехнические и телекоммуникационные системы. -2011. - №1. - С.4 - 7.
2. Федосеева, Е.В. сравнительная оценка пространственной разрешающей способности радиометрической системы с дополнительным антенным каналом / Радиотехника. - 2008. - №9. - С. 134-136.
3. Федосеева, Е. В. Радиометрическая система с дополнительным каналом формирования сигнала компенсации / Е.В. Федосеева, И.Н. Ростокин // Труды ГГО. - 2010. - Вып. 562. - С. 243 - 257.
4. Федосеева, Е.В. Характеристики излучения двухканальной двухмодовой антенны радиометрической системы с компенсацией фоновых помех /Е.В. Федосеева, И.Н. Ростокин // Вопросы радиоэлектроники. - 2011. - Т.2. - №1. -с.44 - 51.
5. Федосеева, Е.В. Выбор коэффициента передачи канала формирования сигнала компенсации в радиометрической системе // Радиотехника. - 2007. - №6. - С.75 - 77.
Поступила 12 февраля 2012 г.
The technique of an estimation of efficiency of application of two-channel thermal microwave radiometric system with the additional antenna channel of formation of a signal of indemnification of background hindrances from the point of view of accuracy microwave radiometric measurements is offered.
Key words: the two-channel thermal microwave radiometric system, background hindrances.
Федосеева Елена Валерьевна - к.т.н., доцент кафедры радиотехники Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». E-mail: elenafedoseeva@yandex.ru.
