Помощь студентам в учебе
ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛЬНЫХ И ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОДИННЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ С АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2
Научная новизна 4
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 6
Основное содержание работы 8
Заключение 23
Список литературы 25
Научная новизна 4
Основные положения и результаты, выносимые на защиту 6
Основное содержание работы 8
Заключение 23
Список литературы 25
Актуальность темы исследования и степень разработанности темы
Системы ближней радиолокации (СБРЛ), построенные по автодинному принципу, имеют простейшую конструкцию приёмо-передающего модуля, который содержит лишь антенну и автодинный генератор, совмещающий в себе одновременно функции передатчика и приёмника. Поэтому автодины (АД), работающие в условиях воздействия собственного отражённого от цели излучения, находят широкое применение в СБРЛ различного назначения. Например, в аппаратуре контроля параметров технологических процессов и измерительной технике, а также на транспорте и в промышленности, системах безопасности и в военном деле, в научных исследованиях и медицине, в которых отмеченные выше достоинства АД являются определяющими.
Конструктивная простота АД, тем не менее, контрастирует со сложностью описания и анализа процессов, протекающих в нем. Дело в том, что АД, представляет собой единую автоколебательную систему «генератор - объект локации». В этой системе расстояние и скорость его изменения являются, по отношению к АД, «внешними» параметрами этой системы. Изменения этих параметров в соответствии с автодинным эффектом вызывают изменения собственных параметров генератора (амплитуды и частоты колебаний). Поэтому автодинные системы относятся к классу автопараметрических систем с запаздывающей обратной связью. Учёт динамических характеристик необходим при использовании АД в СБРЛ с различными видами модуляции, а также в случаях регистрации этими СБРЛ быстропротекающих процессов. Для этого необходим учёт инерционности при анализе автодинных сигналов, для чего, как показано в диссертации1, целесообразно привлечение методов теории систем с запаздыванием.
Необходимо отметить, что в период становления и развития данного научного направления и до последних дней значительный вклад в теорию и технику АД внесли отечественные и зарубежные ученые: Е.К. Алахов, И.Л. Берштейн, В.Т. Бузыкин, С.Д. Воторопин, Е.М. Гершензон, В.Н. Дамгов, Г.П. Ермак, И.М. Коган, В.Я. Носков, С.М. Смольский, А.Ф. Терещенко, Б.Н. Туманов, Д.А. Усанов, Ю.Л. Хотунцев, T. Itoh, P.A. Jefford, M.J. Lasarus, S. Nagano, F.R. Pantoya, Y. Takayama и многие другие. В своих публикациях они значительно расширили круг задач, решаемых с помощью АД, а также исследовали различные типы, режимы работы, принципы построения и использования автодинных генераторов.
Современные мировые тенденции дальнейшего развития теории и техники СБРЛ связаны с созданием новых и более совершенных приемо-передающих модулей СВЧ и КВЧ диапазонов в монолитном и гибридно-интегральном исполнениях и освоением все более высоких рабочих частот. В последнее время в нашей стране возобновился интерес к развитию данного направления в связи с запросом промышленностью приемо-передающих модулей и интегральных схем СВЧ и КВЧ диапазонов для СБРЛ отечественного производства, отвечающих современным требованиям по электрическим и тактико-техническим характеристикам. В свете этого запроса автодинные модули, которые в наибольшей мере удовлетворяют указанным требованиям, имеют особые преимущества перед гомодинными модулями по габаритам, весу и стоимости при любой технологии их изготовления и поэтому востребованы.
Применение в АД частотной модуляции (ЧМ) излучения значительно расширяет функциональные возможности СБРЛ в решении задач обнаружения и измерения параметров движения объектов локации. Эти СБРЛ обеспечивают возможность формирования, так называемых, «мертвых зон» и «зон селекции» цели на заданных расстояниях. Кроме того, ЧМ обеспечивает повышение помехоустойчивости СБРЛ к воздействию как активных, так и пассивных помех.
Очевидно, что для успешного применения автодинных СБРЛ с ЧМ необходимо учитывать динамические особенности формирования сигнальных и шумовых характеристик АД, отличающие их от хорошо изученных систем гомодинного типа. Эти особенности АД с ЧМ, как и обычных АД без модуляции, состоят в том, что в условиях «сильного сигнала» у них наблюдаются ангармонические искажения сигналов. Данное явление создает проблемы при обработке сигналов, сужает динамический диапазон СБРЛ и ограничивает область применения АД, особенно в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Изучению сигнальных и шумовых характеристик автодинных СБРЛ с ЧМ посвящено большое число работ. Однако на сегодня результаты выполненных исследований этих характеристик имеют ограниченную область применения. В связи с этим представляется актуальным проведение исследований, направленных на поиск новых режимов работы, структур и технических решений автодинных приемо-передатчиков, обеспечивающих улучшение динамических сигнальных и шумовых характеристик, а также расширение функциональных возможностей и областей применения СБРЛ. При этом востребованными для практики являются результаты исследования АД с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляциями с учетом их взаимного влияния на сигнальные характеристики. Кроме того, практический интерес представляют результаты исследований шумовых характеристик, а также режима биений генератора для определения динамических свойств генераторов как автодинов...
Системы ближней радиолокации (СБРЛ), построенные по автодинному принципу, имеют простейшую конструкцию приёмо-передающего модуля, который содержит лишь антенну и автодинный генератор, совмещающий в себе одновременно функции передатчика и приёмника. Поэтому автодины (АД), работающие в условиях воздействия собственного отражённого от цели излучения, находят широкое применение в СБРЛ различного назначения. Например, в аппаратуре контроля параметров технологических процессов и измерительной технике, а также на транспорте и в промышленности, системах безопасности и в военном деле, в научных исследованиях и медицине, в которых отмеченные выше достоинства АД являются определяющими.
Конструктивная простота АД, тем не менее, контрастирует со сложностью описания и анализа процессов, протекающих в нем. Дело в том, что АД, представляет собой единую автоколебательную систему «генератор - объект локации». В этой системе расстояние и скорость его изменения являются, по отношению к АД, «внешними» параметрами этой системы. Изменения этих параметров в соответствии с автодинным эффектом вызывают изменения собственных параметров генератора (амплитуды и частоты колебаний). Поэтому автодинные системы относятся к классу автопараметрических систем с запаздывающей обратной связью. Учёт динамических характеристик необходим при использовании АД в СБРЛ с различными видами модуляции, а также в случаях регистрации этими СБРЛ быстропротекающих процессов. Для этого необходим учёт инерционности при анализе автодинных сигналов, для чего, как показано в диссертации1, целесообразно привлечение методов теории систем с запаздыванием.
Необходимо отметить, что в период становления и развития данного научного направления и до последних дней значительный вклад в теорию и технику АД внесли отечественные и зарубежные ученые: Е.К. Алахов, И.Л. Берштейн, В.Т. Бузыкин, С.Д. Воторопин, Е.М. Гершензон, В.Н. Дамгов, Г.П. Ермак, И.М. Коган, В.Я. Носков, С.М. Смольский, А.Ф. Терещенко, Б.Н. Туманов, Д.А. Усанов, Ю.Л. Хотунцев, T. Itoh, P.A. Jefford, M.J. Lasarus, S. Nagano, F.R. Pantoya, Y. Takayama и многие другие. В своих публикациях они значительно расширили круг задач, решаемых с помощью АД, а также исследовали различные типы, режимы работы, принципы построения и использования автодинных генераторов.
Современные мировые тенденции дальнейшего развития теории и техники СБРЛ связаны с созданием новых и более совершенных приемо-передающих модулей СВЧ и КВЧ диапазонов в монолитном и гибридно-интегральном исполнениях и освоением все более высоких рабочих частот. В последнее время в нашей стране возобновился интерес к развитию данного направления в связи с запросом промышленностью приемо-передающих модулей и интегральных схем СВЧ и КВЧ диапазонов для СБРЛ отечественного производства, отвечающих современным требованиям по электрическим и тактико-техническим характеристикам. В свете этого запроса автодинные модули, которые в наибольшей мере удовлетворяют указанным требованиям, имеют особые преимущества перед гомодинными модулями по габаритам, весу и стоимости при любой технологии их изготовления и поэтому востребованы.
Применение в АД частотной модуляции (ЧМ) излучения значительно расширяет функциональные возможности СБРЛ в решении задач обнаружения и измерения параметров движения объектов локации. Эти СБРЛ обеспечивают возможность формирования, так называемых, «мертвых зон» и «зон селекции» цели на заданных расстояниях. Кроме того, ЧМ обеспечивает повышение помехоустойчивости СБРЛ к воздействию как активных, так и пассивных помех.
Очевидно, что для успешного применения автодинных СБРЛ с ЧМ необходимо учитывать динамические особенности формирования сигнальных и шумовых характеристик АД, отличающие их от хорошо изученных систем гомодинного типа. Эти особенности АД с ЧМ, как и обычных АД без модуляции, состоят в том, что в условиях «сильного сигнала» у них наблюдаются ангармонические искажения сигналов. Данное явление создает проблемы при обработке сигналов, сужает динамический диапазон СБРЛ и ограничивает область применения АД, особенно в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн.
Изучению сигнальных и шумовых характеристик автодинных СБРЛ с ЧМ посвящено большое число работ. Однако на сегодня результаты выполненных исследований этих характеристик имеют ограниченную область применения. В связи с этим представляется актуальным проведение исследований, направленных на поиск новых режимов работы, структур и технических решений автодинных приемо-передатчиков, обеспечивающих улучшение динамических сигнальных и шумовых характеристик, а также расширение функциональных возможностей и областей применения СБРЛ. При этом востребованными для практики являются результаты исследования АД с амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляциями с учетом их взаимного влияния на сигнальные характеристики. Кроме того, практический интерес представляют результаты исследований шумовых характеристик, а также режима биений генератора для определения динамических свойств генераторов как автодинов...
1. На основе выполненного обзора литературы, посвященной исследованиям автодинных устройств и их применению в СБРЛ, поставлена цель диссертационного исследования и сформулированы задачи исследований. По итогам диссертационных исследований можно утверждать, что цель диссертации достигнута, а задачи решены. При этом получены следующие научные результаты и положения, а также вытекающие из них рекомендации.
2. С использованием известного из теории нелинейных колебаний метода усреднения разработана математическая модель автодинного генератора с учетом воздействия на него собственного отраженного от цели излучения и внутренних шумов генератора. В основе разработанной модели лежит представление авто- динной системы «генератор - объект локации» в виде автопараметрической системы с запаздывающим воздействием собственного, отраженного от цели СВЧ излучения. Модель представлена в виде системы линеаризованных в окрестности стационарного режима автономного генератора дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом. Эти уравнения учитывают внутреннюю и внешнюю инерционности автодинной системы, обусловленные конечной величиной скорости изменения параметров колебаний генератора и конечным временем распространения зондирующего излучения до цели и обратно соответственно.
2.1. Обобщенная модель распространена на случай автодина с одновременной амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией его колебаний по произвольному закону модулирующей функции. Она описывает одновременно протекающие процессы генерации излучения, приема и взаимодействия с отраженным от объекта локации радиосигналом, а также выделения результата этого взаимодействия в виде автодинного отклика.
2.2. Выполнен переход от общих выражений к конкретным выражениям для случая одновременной АМ и ЧМ автодина по закону гармонической функции. При этом рассмотрен случай выполнения сильного неравенства Оа << Ом, когда основные спектральные составляющие на частоте Оа автодинного сигнала группируются не только в области низких «нулевых» частот, но и в окрестности гармоник частоты Ом модуляции. В конечных выражениях, описывающих автодин- ный отклик, выполнено разложение функций запаздывающего воздействия в ряды Тейлора по малому времени запаздывания отраженного от цели излучения по сравнению с текущим временем наблюдения. Это разложение позволило перейти к выражениям, в которых все переменные становятся явными.
2.3. Получены выражения для расчета сигнальных и шумовых характеристик автодина с ЧМ по произвольному закону модулирующей функции. При этом для случая соблюдения условия Оа >> Ом выполнено разложение функций запаздывающего воздействия в ряды Тейлора, как и в предыдущем случае выполнения обратного неравенства.
3. Выполнены расчеты характеристик амплитудной селекции (ХАС), динамических сигнальных и шумовых характеристик, формы и спектров сигналов ав- тодинных СБРЛ с АМ и ЧМ для общего случая произвольного соотношения времени запаздывания отраженного от объекта локации излучения и длительности периодов автодинного сигнала и модулирующей функции.
3.1. В результате взаимодействия в автоколебательной системе автодинного генератора с АМ зондирующих и отраженных от объекта локации излучений ав- тодинный отклик на гармониках частоты модуляции, включая нулевую гармонику, формируется в зависимости от расстояния в виде периодических зон амплитудной селекции цели.
В случае отсутствия или сравнительно малой величины сопутствующей девиации частоты генерации максимум автодинного отклика соответствует середине зоны амплитудной селекции. С увеличением сопутствующей девиации частоты происходит смещение области главного максимума в сторону больших значений нормированного расстояния и появление многогорбой ХАС, характерной СБРЛ с ЧМ. Амплитуда отклика АД с АМ на всех гармониках частоты модуляции, включая нулевую гармонику, асимптотически возрастает с приближением коэффициента АМ к единице при любом уровне ЧМ. Эффективность переноса сигнала на гармоники частоты модуляции уменьшается с увеличением номера гармоники у АД с АМ, но эта эффективность несколько возрастает при сопутствующей ЧМ...
2. С использованием известного из теории нелинейных колебаний метода усреднения разработана математическая модель автодинного генератора с учетом воздействия на него собственного отраженного от цели излучения и внутренних шумов генератора. В основе разработанной модели лежит представление авто- динной системы «генератор - объект локации» в виде автопараметрической системы с запаздывающим воздействием собственного, отраженного от цели СВЧ излучения. Модель представлена в виде системы линеаризованных в окрестности стационарного режима автономного генератора дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом. Эти уравнения учитывают внутреннюю и внешнюю инерционности автодинной системы, обусловленные конечной величиной скорости изменения параметров колебаний генератора и конечным временем распространения зондирующего излучения до цели и обратно соответственно.
2.1. Обобщенная модель распространена на случай автодина с одновременной амплитудной (АМ) и частотной (ЧМ) модуляцией его колебаний по произвольному закону модулирующей функции. Она описывает одновременно протекающие процессы генерации излучения, приема и взаимодействия с отраженным от объекта локации радиосигналом, а также выделения результата этого взаимодействия в виде автодинного отклика.
2.2. Выполнен переход от общих выражений к конкретным выражениям для случая одновременной АМ и ЧМ автодина по закону гармонической функции. При этом рассмотрен случай выполнения сильного неравенства Оа << Ом, когда основные спектральные составляющие на частоте Оа автодинного сигнала группируются не только в области низких «нулевых» частот, но и в окрестности гармоник частоты Ом модуляции. В конечных выражениях, описывающих автодин- ный отклик, выполнено разложение функций запаздывающего воздействия в ряды Тейлора по малому времени запаздывания отраженного от цели излучения по сравнению с текущим временем наблюдения. Это разложение позволило перейти к выражениям, в которых все переменные становятся явными.
2.3. Получены выражения для расчета сигнальных и шумовых характеристик автодина с ЧМ по произвольному закону модулирующей функции. При этом для случая соблюдения условия Оа >> Ом выполнено разложение функций запаздывающего воздействия в ряды Тейлора, как и в предыдущем случае выполнения обратного неравенства.
3. Выполнены расчеты характеристик амплитудной селекции (ХАС), динамических сигнальных и шумовых характеристик, формы и спектров сигналов ав- тодинных СБРЛ с АМ и ЧМ для общего случая произвольного соотношения времени запаздывания отраженного от объекта локации излучения и длительности периодов автодинного сигнала и модулирующей функции.
3.1. В результате взаимодействия в автоколебательной системе автодинного генератора с АМ зондирующих и отраженных от объекта локации излучений ав- тодинный отклик на гармониках частоты модуляции, включая нулевую гармонику, формируется в зависимости от расстояния в виде периодических зон амплитудной селекции цели.
В случае отсутствия или сравнительно малой величины сопутствующей девиации частоты генерации максимум автодинного отклика соответствует середине зоны амплитудной селекции. С увеличением сопутствующей девиации частоты происходит смещение области главного максимума в сторону больших значений нормированного расстояния и появление многогорбой ХАС, характерной СБРЛ с ЧМ. Амплитуда отклика АД с АМ на всех гармониках частоты модуляции, включая нулевую гармонику, асимптотически возрастает с приближением коэффициента АМ к единице при любом уровне ЧМ. Эффективность переноса сигнала на гармоники частоты модуляции уменьшается с увеличением номера гармоники у АД с АМ, но эта эффективность несколько возрастает при сопутствующей ЧМ...
ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛЬНЫХ И ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОДИННЫХ РАДИОЛОКАТОРОВ С АМПЛИТУДНОЙ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
