Научная статья на тему 'Принципы оценки погрешности зондирования протяженных объектов радиометрической системой с дополнительным каналом компенсации фоновых помех'

Принципы оценки погрешности зондирования протяженных объектов радиометрической системой с дополнительным каналом компенсации фоновых помех Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
17
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДВУХКАНАЛЬНАЯ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА / ФОНОВЫЕ ПОМЕХИ / THE TWO-CHANNEL THERMAL MICROWAVE RADIOMETRIC SYSTEM / BACKGROUND HINDRANCES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Федосеева Елена Валерьевна

Предложена методика оценки эффективности применения двухканальной радиотеплолокационной системы с дополнительным антенным каналом формирования сигнала компенсации фоновых помех с точки зрения точности радиотеплолокационных измерений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Федосеева Елена Валерьевна

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

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.

Текст научной работы на тему «Принципы оценки погрешности зондирования протяженных объектов радиометрической системой с дополнительным каналом компенсации фоновых помех»

УДК 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)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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: [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.