Наземные пространственно-распределенные антенные системы радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Наземные пространственно-распределенные антенные системы радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов

Специальность 05.12. 07 ? «Антенны, СВЧ устройства и их технологии»

Лучкин Сергей Александрович

Казань ? 2010

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. В радиосвязи, в последнее время, значительное внимание уделяется системам, использующим в своей основе множественные пространственно-распределенные передающие и (или) приемные позиции (антенны). В радиолокации также одним из перспективных направлений развития является переход к многопозиционным радиолокационным системам, состоящим из разнесенных в пространстве передающих и приемных (или приемо-передающих) позиций. Подобные системы благодаря совместной обработке информации, принимаемой (передаваемой) множественными пространственно-разнесенными позициями, обеспечивают ряд преимуществ.

Многопозиционные радиотехнические системы покрывают достаточно протяженные области пространства. При этом их совокупные антенные системы имеют значительные размеры, и фактически зона действия таких систем является зоной Френеля. В зоне Френеля интерференционная картина поля зависит не только от пространственных углов, но и от расстояния - удаления точки наблюдения. Преимущества, достигаемые в подобных системах, связаны с характером зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля, формируемого ими. Это, в свою очередь, предопределяет интерес к изучению влияния пространственных характеристик электромагнитного поля на показатели радиотехнических систем и к зависимости пространственных характеристик электромагнитного поля от параметров многопозиционных радиотехнических систем (пространственно-распределенных антенных систем).

Принципиально методика анализа характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем сводится к решению прямой внешней задачи, которая заключается в определении распределения поля по заданному амплитудно-фазовому распределению антенной системы.

Изучение поля излучения антенной системы базируется на определении ее характеристик и закономерностей их изменения от изменения параметров антенной системы. Следующим шагом является анализ флуктуации амплитуды и фазы поля в определенных направлениях, на флуктуации характеристик поля антенной системы. Знание характеристик пространственно-распределенных антенных систем и их изменения позволяет определить их влияния на характеристики (показатели) многопозиционных радиотехнических систем.

Применение многопозиционных радиотехнических систем, в том числе для передачи информации и управления беспилотными авиационными комплексами - важная и актуальная задача, в первую очередь, требующая решения прямой внешней задачи для пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

Таким образом, цели и задачи работы можно сформулировать следующим образом.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

Поставленная цель достигается решением основной задачи, заключающейся в исследовании характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, и определении их влияния на информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Решение обозначенной задачи требует решения следующего круга частных задач:

1. Анализ и определение характеристик интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

2. Оценка влияния параметров пространственно-распределенных антенных систем (длина волны, размеры антенной системы, количество излучателей антенной системы, дальность фокусировки, ширина полосы сигнала и пр.) на характеристики поля формируемого ими.

3. Оценка влияния ошибок и флуктуаций параметров антенных систем на характеристики поля.

4. Оценка влияния характеристик поля на информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

5. Выработка предложений по практической реализации пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, для радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Объект исследования. Пространственно-распределенные антенные системы, сфокусированные в зоне Френеля, радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Предмет исследования. Характеристики пространственно-распределенных антенных систем и информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использованы аналитические методы теории вероятности, математической статистики, численные методы прикладной электродинамики. Экспериментальные исследования проведены с использованием специально разработанного программного обеспечения для задач математического моделирования в среде MATLAB.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Проанализированы и определены характеристики интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

2. Определено влияние широкополосности сигнала на характеристики поля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

3. Получена оценка влияния ошибок амплитуды и фазы на характеристики поля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

4. Определено влияние характеристик поля излучения пространственно-распределенных антенных систем и их изменения на основные информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

5. Проработаны варианты реализации пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, позволяют улучшить информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации и могут быть рекомендованы для использования при проектировании радиотехнических средств связи беспилотных авиационных комплексов.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации прошли апробацию на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международная молодежная научная конференция «XV Туполевские чтения» (Казань, 2007); VI Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007); 6-ая Международная выставка конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2007); VI Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2008); Международная молодежная научная конференция «XVI Туполевские чтения» (Казань, 2008); Девятая международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (Казань, 2008); Седьмая международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009); Международная молодежная научная конференция «XVIII Туполевские чтения» (Казань, 2010); V Международная научно-практическая конференция «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, 2010).

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечиваются корректным применением методов расчета поля излучения в зоне Френеля антенных систем, обоснованностью упрощающих допущений, а также результатами математического моделирования.

Реализация результатов. Теоретические и практические результаты, полученные в работе, использованы при разработке технических предложений по совершенствованию информационно-технических показателей командных радиолиний в рамках опытно-конструкторских работ по разработке воздушных мишеней в ОАО «ОКБ «Сокол», а также внедрены в учебный процесс в КГТУ им. А. Н. Туполева.

Публикации. Включенные в диссертацию основные научные результаты опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 2 работы в журналах из списка, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора состоит в адаптации подхода к расчету поля излучения антенной системы во временномй области для определения интерференционной картины поля в зоне Френеля антенной системы с учетом структуры сигнала, разработке алгоритмов и специального программного обеспечения для математического моделирования в среде MATLAB, анализе результатов, также автором разработан вариант аппаратурной реализации пространственно-распределенной антенной системы.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Применение пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, для радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов.

2. Характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

3. Временномй подход расчета интерференционной картины поля в зоне Френеля сфокусированных пространственно-распределенных антенных систем.

4. Результаты оценок характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, и основные закономерности их изменения.

5. Влияние характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, решаемые задачи, перечислены основные положения, выносимые на защиту. Приведена структура диссертации, форма апробации и внедрения ее результатов.

В первой главе дано обобщенное описание пространственно-распределенных антенных систем. Систематизированы основные характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем сфокусированных в зоне Френеля.

Предваряя изложение результатов первой главы, отметим, что в классической теории антенн в качестве базовой модели, для которой устанавливаются наиболее важные закономерности, используется поперечно излучающая линейная антенна с синфазным распределением излучающих токов. Для рассматриваемого случая аналогом является линейная эквидистантная разреженная антенная решетка (РАР) с изотропными антеннами с амплитудно-фазовым распределением, обеспечивающим фокусировку поля в точку, расположенную на нормали к РАР на конечном расстоянии R, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

На рисунке 2 показано типичное распределение плотности потока мощности в зоне Френеля РАР в окрестности точки фокусировки в плоскости 0XY м. Из рисунка видно, что распределение плотности потока мощности неравномерно как по направлению, так и по дальности. При этом в интерференционной картине поля можно выделить область фокусировки, представляющую фокальное пятно, ограниченное по ширине и глубине, а также вторичные интерференционные максимумы, соизмеримые по уровню плотности потока мощности с главным. В работе введены следующие характеристики, позволяющие достаточно полно описать пространственное распределение интенсивности поля.

Рисунок 2.

Смещение фокального пятна по глубине - определяется в продольном направлении, как расстояние между заданным и фактическим значениями дальности до точки фокусировки.

Коэффициент направленного действия - отношение интенсивности излучения в направлении главного максимума к среднему значению интенсивности излучения по всем направлениям (на поверхности полной сферы, охватывающей антенну, при одинаковых - конечных расстояниях в обоих случаях).

Ширина фокального пятна () - определяется как величина угла раствора главного фокусного максимума распределения поля, в какой либо плоскости и на заданном уровне напряжения или мощности.

Глубина фокального пятна () - определяется в продольном направлении, как расстояние между ближним и дальним краями области фокусировки на заданном уровне напряжения или мощности.

Уровень вторичных интерференционных максимумов. Учитывая немонотонный характер зависимости поля не только от пространственных углов, но и от дальности необходимо определять закономерности изменения вторичных интерференционных максимумов как в поперечном направлении (по направлению), так и в продольном направлении (по глубине зоны Френеля).

Уровень вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении () - характеризуется отношением уровня наибольшего вторичного интерференционного максимума к уровню главного фокусного максимума, находящихся на конечном расстоянии, равном дальности фактического положения точки фокусировки. Уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении () - определяется как отношение максимального значения КНД в области фокусировки к максимальному значению КНД в области наибольшего вторичного интерференционного максимума на дальности, отличной от дальности до области фокусировки.

Ввиду сложного характера зависимости поля в зоне Френеля сфокусированной разреженной антенной решетки от пространственных углов и расстояния, простой аналитической модели, позволяющей определять характеристики интерференционной картины поля, в настоящее время не найдено. Расчет интерференционной картины поля реализован на ЭВМ в виде отдельных подпрограмм, разработанных в соответствии с рассмотренной в работе математической моделью РАР.

При общепринятых допущениях, принимаемых для упрощения анализа антенных решеток, а именно: антенны являются изотропными и излучают (принимают) электромагнитное поле (ЭМП) равномерно во всех направлениях; взаимная связь между антеннами отсутствует; ЭМП сигналов излучаемых (принимаемых) антеннами поляризовано в одном направлении, к решению прямой внешней задачи применен подход, основанный на определении интерференционной картины поля по результатам расчетов во временномй области.

Согласно данному подходу напряженность электрического поля распределенного по раскрыву РАР может быть описано как амплитудно-фазовое распределение

, (1)

где - фаза радиосигнала подводимого к i-му элементу РАР, - центральная частота сигнала, - величина напряженности электрического поля i-го элемента РАР (, где - подводимая мощность).

Напряженность электрического поля, формируемая i-ым элементом, в дальней зоне

, (2)

где - волновое число, - сопротивление среды распространения, - расстояние от i-го элемента РАР с координатами до точки наблюдения с координатами .

Учитывая принцип суперпозиции, результирующее поле от N излучателей запишется как сумма полей от каждого из них

. (3)

Тогда плотность потока мощности в направлении на конечной дальности R будет равна

, (4)

где время интегрирования.

Таким образом, интерференционная картина поля определяется значениями вектора Пойнтинга на конечных дальностях {R} и направлениях {в}. По рассчитанной картине распределения поля, в зоне Френеля сфокусированной РАР, определяются, рассмотренные выше, характеристики.

В работе оценка характеристик сводится к их определению для следующего ряда значений параметров РАР: количество излучателей РАР (N) - 4, 8, 16, 32, 64, 128; расстояние между соседними элементами или шаг РАР (d), - 4, 8, 16, 32, 64, 128; длина волны (), м - 10, 1, 0.1; дальность до точки фокусировки (R) -двенадцать точек, равномерно распределенных в диапазоне от L до R_max

Смещение фокального пятна. Результаты оценки смещения дальности фокусировки в виде нормированной зависимости показаны на рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость фактической дальности фокусировки от заданной дальности для определенного ряда значений параметров при N = 4 (_), 8 (?), 16 (Ў), 32 (?), 64 (^), 128 (¦).

С увеличением дальности фокусировки увеличивается смещение фокального пятна. Учитывая глубину фокального пятна, можно говорить о фокусировке близкой к не смещенной, в пределах которой отклонение фактической дальности положения точки фокусировки от заданной не превышает величину, равную половине глубины фокального пятна. На заданной дальности фокусировки ~0.1R_max половина глубины фокального пятна по уровню половины мощности составляет ~0.035R_max, а отклонение фактической точки фокусировки от заданной на этой дальности находится в пределах ~(0.01..0.02)R_max. При увеличении заданной дальности фокусировки смещение фактической дальности фокусировки фокального пятна R_СМ увеличивается. Дальность фокусировки равную ~0.1R_max можно назвать границей «несмещенной» дальности фокусировки.

Зависимость смещения фактической дальности фокусировки от заданной в диапазоне дальностей фокусировки , с погрешностью, не превышающей 5%, может быть аппроксимирована выражением

(5)

Рисунок 4. Зависимость нормированной глубины фокального пятна от нормированной фактической дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N = 4 (_), 8 (?), 16 (Ў), 32 (?), 64 (^), 128 (¦).

Глубина фокального пятна. Для определения основных закономерностей изменения глубины фокального пятна использована зависимость вида , где - глубина фокального пятна соответствующая фактической дальности точки фокусировки , - максимальный размер области фокусировки соответствующий максимальному значению фактической дальности до точки фокусировки, результаты оценки которой представлены на рисунке 4. Данная зависимость имеет квадратичный характер, и может быть описана выражением

, (6)

где .

Для дальностей фокусировки получено значение коэффициента n=16, при погрешности не превышающей 5%.

Определена зависимость глубины фокального пятна () для максимальной заданной дальности фокусировки () от длины волны и размеров РАР. Характер изменения максимального размера глубины фокального пятна от линейных размеров РАР и длины волны показан на рисунке 5. Из рисунка видно, что зависимость может быть аппроксимирована выражением

, (7)

где . При помощи метода наименьших квадратов получено значение коэффициента k=0.44 при этом погрешность не превышает 5%.

Рисунок 5. Зависимость глубины фокального пятна от длины волны и размеров РАР при л=10 м (?), 1 м (Ў), 0.1 м (_).

На основании соотношений (6), (7) с учетом того, что получено выражение отражающее зависимость глубины фокального пятна от параметров РАР

. (8)

Ширина фокального пятна. Результаты оценки ширины фокального пятна показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Зависимость нормированной ширины фокального пятна от нормированной фактической дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N = 4 (_), 8 (?), 16 (Ў), 32 (?), 64 (^), 128 (¦).

Установлено, что ширина фокального пятна в диапазоне дальностей фокусировки прямо пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна размерам РАР. Данная зависимость может быть описана выражением вида

. (9)

При малом количестве элементов РАР () наблюдается зависимость ширины фокального пятна от их количества.

Результаты приближения ширины фокального пятна для количества элементов РАР () в диапазоне дальностей фокусировки показывают, что ширина фокального пятна может быть описана (9) при коэффициенте с погрешностью не превышающей 5%.

Коэффициент направленного действия. Результаты оценки коэффициента направленного действия в области фокусировки РАР сфокусированной в зоне Френеля показаны на рисунке 7. Анализируя результаты оценки КНД можно отметить, КНД зависит от дальности фокусировки. На некотором удалении от РАР КНД достигает максимального значения равного числу излучателей РАР, после чего снижается. На участке дальности КНД может быть определен выражением

. (10)

Рисунок 7. Зависимость КНД в области фокусировки от нормированной фактической дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N = 4 (_), 8 (?), 16 (Ў), 32 (?), 64 (^), 128 (¦).

При этом ошибка аппроксимации не превышает 5%. При аппроксимации КНД выражением (10) в диапазоне ошибка не превышает ~10%.

Уровень вторичных интерференционных максимумов. Как показывают результаты многократных расчетов в зоне Френеля сфокусированной линейной эквидистантной РАР уровни вторичных интерференционных максимумов и, как следствие, их количество неравномерны и зависят от глубины фокусировки. На глубинах близких к минимальным дальностям фокусировки на результирующее поле большое влияние оказывают уровни сигналов, имеющие различную величину из-за большого различия «относительных» длин путей распространения сигналов от различных элементов РАР, но, несмотря на это, выделяются вторичные интерференционные максимумы, равные по уровню главному фокусному максимуму. При увеличении дальности фокусировки происходит выравнивание уровней сигналов от различных элементов РАР, и как следствие, наблюдается картина с более равномерным распределением уровней вторичных интерференционных максимумов. Таким образом, выражение отражающее зависимость уровня вторичных интерференционных максимумов для эквидистантной РАР при применении монохроматического сигнала может быть записано в следующем виде .

Рассматривая оценки интерференционной картины поля в продольном направлении, проходящем через точку фокусировки, для некоторых крайних значений параметров из ряда значений длин волн, количества излучателей РАР и шага РАР можно отметить, что на различных глубинах возникают вторичные интерференционные максимумы близкие главному. Как показывают результаты многочисленных расчетов, на уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении значительное влияние оказывает шаг РАР. При шаге РАР (измеряемом в длинах волн) большем числа излучателей РАР уровень вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении соизмерим с уровнем главного фокусного максимума, как показано на рисунке 8 а, а при шаге РАР меньшем числа излучателей РАР КНД в области главного фокусного максимума превышает КНД вне данной области, как показано на рисунке 8 б.

Рисунок 8. Зависимость нормированного КНД от нормированной дальности (R'=R/maxR), при в=р/2, d=128 N=16 (а) d=16 N=128 (б).

Во второй главе введено понятие коэффициента широкополосности, отражающее зависимость относительной длительности сигнала от ширины полосы частот, занимаемой сигналом, и рабочей частоты.

, (11)

. (12)

Оценки влияния широкополосности сигналов выполнены для случая прямоугольного радиоимпульса, который при увеличении коэффициента широкополосности до единицы вырождается в двуполярный сверхкороткий импульс. Временномй подход, описанный выше, адаптирован для учета коэффициента широкополосности радиосигнала и разности времен его прихода в различные точки РАР или от различных элементов РАР в ту или иную точку наблюдения с учетом существования сигнала в ограниченные промежутки времени в ограниченных областях пространства.

Результаты анализа по выполненным расчетам для ряда значений коэффициента широкополосности () - 1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.01 можно сформулировать следующим образом:

1. Возможность фокусировки близкая к несмещенной сохраняется в диапазоне дальностей фокусировки , при этом наблюдаются отклонения фактического положения точки фокусировки от заданного на величину, не превышающую ~0.01R_max.

В отмеченном диапазоне дальностей фокусировки широкополосность сигнала не оказывает сколь либо значительного влияния на смещение фактической дальности положения фокального пятна относительно заданной. Характер изменения данной зависимости близок характеру, полученному для монохроматического сигнала, также может быть описан выражением (5).

2. В диапазоне дальностей фокусировки зависимость (6) слабо зависит от коэффициента широкополосности, влияние которого приводит к незначительному увеличению глубины фокального пятна. Результаты оценки n для различных коэффициентов широкополосности приведены в таблице 1.

Таблица 1

	1	0.5	0.25	0.1	0.01
n	21	18	17	16	16

3. Ширина фокального пятна, в диапазоне дальностей фокусировки , слабо зависит от дальности, также может быть описана выражением (9). При увеличении коэффициента широкополосности происходит незначительное увеличение ширины фокального пятна от при >0 до при >1. Результаты оценки m для различных коэффициентов широкополосности приведены в таблице 2.

Таблица 2

	1	0.5	0.25	0.1	0.01
m	1	0.97	0.93	0,91	0.88

4. Максимальное значение КНД зависит от дальности фокусировки. На некотором удалении от РАР КНД достигает максимального значения равного числу излучателей РАР, после чего снижается. На участке дальности КНД может быть определен выражением (10).

5. Уровень вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении зависит от количества элементов РАР и коэффициента широкополосности радиосигнала; данная зависимость может быть описана следующем эмпирическим выражением

. (13)

Результаты оценки уровня вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении для N=8 для определенного ряда значений параметров показаны на рисунке 9.

6. При шаге РАР (измеряемом в л), меньшем числа излучателей РАР, уровень вторичных интерференционных максимумов уже при монохроматическом сигнале меньше уровня главного фокусного максимума, а при увеличении коэффициента широкополосности эта разница увеличивается. Как показывают результаты расчетов выполненных для ряда значений параметров РАР превышение уровня КНД главного максимума над КНД вторичных максимумов может достигать 9дБ.

Рисунок 9. Зависимость уровня вторичных интерференционных максимумов в поперечном направлении от дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N=8, =1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.01 (маркеры _, ?, Ў, ?, ^ соответственно)

При шаге РАР и дальности до точки фокусировки находящейся в пределах от ~R_min до ~0.05R_max характер зависимости может быть описан эмпирическим выражением

. (14)

Результаты оценки уровня вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении для N=8 для определенного ряда значений параметров показаны на рисунке 10.

В третьей главе исследовано влияние случайных ошибок фазы и амплитуды на рассматриваемые характеристики РАР, сфокусированной в зоне Френеля.



Рисунок 10. Зависимость уровня вторичных интерференционных максимумов в продольном направлении от дальности фокусировки для определенного ряда значений параметров при N=8, =1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.01 (маркеры _, ?, Ў, ?, ^ соответственно)

В реальных системах, особенно пространственно-распределенных, сказываются ошибки положения элементов РАР в пространстве, отличия токов в элементах РАР от расчетных, влияние условий распространения волн в пространстве - случайных неоднородностей среды, шероховатой подстилающей поверхности, многолучевости и пр. В общем случае отмеченные влияния имеют случайный характер, и как следствие приводят к случайному характеру электромагнитного поля и его характеристик.

Во влияния случайных ошибок на характеристики РАР большую роль играет межпозиционная (пространственная) корреляция амплитуд и фаз поля в совпадающие моменты времени (после устранения различий запаздывания сигналов) и их дисперсия (или среднеквадратичное отклонение).

Оценки влияния флуктуаций амплитуды и фазы на характеристики РАР, проведены при следующих допущениях:

- амплитудное распределение в отсутствие ошибок равномерное;

- ошибки в антенне стационарны, т. е. среднее значение и дисперсии ошибок постоянны вдоль системы;

- коэффициент корреляции уровня амплитуды и фазы зависит лишь от разности координат (взаимного расположения элементов РАР);

- коэффициент корреляции имеет вид , , где - радиусы корреляции в относительных единицах, связанные с радиусами корреляции амплитудных и фазовых ошибок соотношениями , .

Принятые допущения позволяют в определенной мере упростить вычисления и последующую оценку влияния радиуса корреляции ошибок и их дисперсии на характеристики РАР.

Выбор коэффициента корреляции в гауссовой форме, конечно, произволен. Он оправдывается тем, что во многих случаях принятый закон корреляции удовлетворительно соответствует экспериментальным данным и достаточно удобен при теоретических исследованиях. Именно поэтому такие функции широко применяются при исследовании статистики антенн, а также в работах по распространению волн в среде со случайными неоднородностями.

Случайную амплитуду электрической напряженности поля i-го элемента РАР представлена в виде

, (15)

где - амплитудное распределение в отсутствие ошибок; - уровень флуктуации амплитуды.

Флуктуации фазы поля i-го элемента РАР

, (16)

где - заданная фаза i-го элемента РАР; - флуктуации заданной фазы i-го элемента РАР.

и рассматриваются как нормальные случайные функции со средними значениями , , дисперсиями , и коэффициентами корреляции ,

Моделирование случайного процесса (будь то флуктуации амплитуды, или флуктуации фазы), результатом которого станут реализации составляющих случайного вектора, выполнено в рамках корреляционной теории.

По полученным результатам статистического моделирования сделаны следующие выводы:

1. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы большем длины РАР (,) ошибки сказываются не значительно. По мере увеличения радиуса корреляции ошибок РАР приближается к когерентной системе. Зависимости характеристик интерференционной картины поля приближаются к характеристикам в отсутствие ошибок.

2. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы меньшими длины РАР (,) влияние ошибок возрастает. При уровне ошибок фазы и уровне ошибок амплитуды искажения характеристик происходят незначительные. При уровне ошибок фазы и уровне ошибок амплитуды происходят значительные искажения характеристик.

В четвертой главе рассмотрено влияние характеристик поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации, а именно на дальность действия, пропускную способность, достоверность передачи информации, помехозащищенность, живучесть, также рассмотрена возможность определения местоположения объекта находящегося в зоне фокального пятна. Показано, что согласно пространственно-временной теории при оптимальном приеме сигналов если источник сигнала и (или) источник помех находятся в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы, то отношение сигнал-шум (сигнал-помеха) зависит как от направления приема, так и от дальности. Даже если источник сигнала и источник помех находятся на одном направлении, но на различных дальностях, то отношение сигнал-помеха (степень подавления внешних помех) возрастает за счет пространственной селекции по направлению и по дальности, что достигается в результате рассмотренного фокусирования пространственно-распределенной антенной системы.

Разработана структура пространственного фильтра, обеспечивающего фокусировку поля сигнала в заданной области пространства в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы.

Предложен вариант аппаратурной реализации разработанной структуры пространственного фильтра на базе цифровых технологий обработки и передачи информации Патентная заявка № 2010129156 от 13.07.2010 г. Устройство когерентного пространственно-разнесенного приема и передачи радиосигналов / Седельников Ю. Е., Лучкин С. А..

В заключении приведены основные результаты и выводы по работе.

В приложении приведены результаты расчетов характеристик поля РАР с учетом влияния ошибок амплитуды и фазы.

антенный радиолиния беспилотный

Основные результаты и выводы

Совокупность результатов выполненной работы можно квалифицировать как решение актуальной задачи повышения информационно-технических показателей радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов за счет применения пространственно-распределенных антенных систем.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1. Систематизированы основные характеристики интерференционной картины поля пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля.

2. Показан подход к решению прямой внешней задачи, основанный на определении интерференционный картины поля по результатам расчетов во временномй области. Рассматриваемый подход адаптирован для расчета интерференционной картины поля с учетом временной структуры сигналов, разности времен запаздывания сигналов при их распространении от различных точек раскрыва антенны и влияния флуктуаций амплитуды и фазы сигнала в различных точках раскрыва антенны.

3. Проанализированы основные закономерности изменения характеристик интерференционной картины поля пространственно-распределенной антенной системы от ряда значений параметров, в том числе от коэффициента широкополосности радиосигнала. По результатам анализа выполнена аппроксимация соответствующих закономерностей и получены формульные выражения определяющие зависимость характеристик поля от параметров пространственно-распределенных антенных систем.

4. Получены оценки влияния флуктуаций амплитуды и фазы поля на характеристики поля пространственно-распределенных антенных систем. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы большем длины пространственно-распределенной антенной системы (,) ошибки сказываются не значительно. По мере увеличения радиуса корреляции ошибок пространственно-распределенная антенная система приближается к когерентной системе. Зависимости характеристик интерференционной картины поля приближаются к характеристикам в отсутствие ошибок. При радиусе корреляции ошибок амплитуды и фазы меньшем длины пространственно-распределенной антенной системы (,) влияние ошибок возрастает. При уровне ошибок фазы и уровне ошибок амплитуды искажения характеристик происходят незначительные. При уровне ошибок фазы и уровне ошибок амплитуды происходят значительные искажения характеристик.

5. Определено влияние характеристик пространственно-распределенных антенных систем, сфокусированных в зоне Френеля, на основные информационно-технические показатели радиолиний управления и передачи информации беспилотных авиационных комплексов. Разработана структура пространственного фильтра обеспечивающего фокусировку поля сигнала в заданной области пространства в зоне Френеля пространственно-распределенной антенной системы. Предложен вариант аппаратурной реализации разработанной структуры пространственного фильтра на базе цифровых технологий обработки и передачи информации.

Список работ, отражающих основное содержание диссертации

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК:

1. С.А. Лучкин, Ю.С. Седельников. Пространственно-распределенные радиотехнические средства связи и управления беспилотных авиационных комплексов // Нелинейный мир. № 8, т. 6, 2008. (Журнал в журнале Распределенные устройства и системы: теория и приложения. Выпуск 1, 2008.) с. 75-80.

2. С.А. Лучкин, Р.Р. Низамутдинов. Снижение уровней боковых лепестков сфокусированных антенных решеток // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. № 5, т. 10, 2007 С. - 33-35.

Прочие публикации:

3. С.А. Лучкин, Р.Р. Низамутдинов. Снижение влияния побочных всплесков при применении разреженных апертур сфокусированных в зоне Френеля // Труды конференции. VI международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань, 2007, С. - 191-192.

4. С.А. Лучкин, О.В. Потапова, Р.Р. Низамутдинов, Ю.Е. Седельников Эффективные алгоритмы обработки сигналов в эхолокационных устройствах с многоэлементной синтезированной апертурой // Тезисы докладов 6-й Международной выставки конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». М, 2007. С. - 200-201

5. С.А. Лучкин. Пространственно-временное описание сигнала принимаемого разреженной апертурой // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XV Туполевские чтения. Казань, 2007, Том IV. С. - 124-127.

6. С.А. Лучкин. Разреженные антенные решетки, сфокусированные в зоне Френеля, как средство определения местоположения // Тезисы докладов. Девятая международная научно-техническая конференция «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций». Казань, 2008, С. - 305-307.

7. С.А. Лучкин. Точность определения дальности в зоне Френеля // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XVI Туполевские чтения. Казань, 2008, Том III, С. - 391-393.

8. С.А. Лучкин, Ю.Е. Седельников. Пространственно-распределенные радиотехнические средства связи и управления беспилотных авиационных комплексов // Труды конференции. VII международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 2008, С. - 104-106.

9. С.А. Лучкин. Влияние структуры разреженной антенной решетки сфокусированной в зоне Френеля на вторичные максимумы трехмерной диаграммы направленности // Труды конференции. Седьмая международная научно-практическая конференция «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». С.-Петербург, 2009, С. - 122-124.

10. С.А. Лучкин. Влияние случайных ошибок на характеристики поля разреженных антенных решеток сфокусированных в зоне Френеля // V Международная научно-практическая конференция «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». Казань, 2010.

11. С.А. Лучкин. Моделирование случайных ошибок в разреженных антенных решетках // Материалы конференции. Международная молодежная научная конференция XVIII Туполевские чтения. Казань, 2010. С. - 108-110.

Размещено на Allbest.ru