Тенденции развития методов устранения двигательных артефактов мрт
Ряписов Е.К. Гидроакустические станции с гибкими протяженными буксируемыми антеннами ВМС США. Зарубежное военное обозрение. №9.1995.
Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. -Л.: Судостроение, 1983.
MODERN SONAR SYSTEMS
Kushnarev N., Lobanov B., Nefedov V., Trefilov N., Milovanova N., Makeenkova N., Esin S.
Considered by digital methods for detecting submarines submerged in direction-finding characteristic acoustic noise, analyzed the existing problems. The ways of further improving the effectiveness of hydroacoustic stations with extended flexible antennas associated with the transition to extreme low range of the spectrum (units of Hz) to detect submarines in tone. Detection of such signals is expected to carry out using a thin line towed antenna.
ДВУХЧАСТОТНЫЕ СИГНАЛЫ В ЛОКАТОРАХ НАЗЕМНОГО, НАДВОДНОГО, ВОЗДУШНОГО И КОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ
Нефедов В.И., Лобанов Б.С., Захаров Ю.О., Милованова Н.В., Герасимов А.В., Денисевич В.Н., Шепелева А.Н.
МИРЭА
В радиолокационных станциях (РЛС) для измерения дальности наиболее часто используется импульсный радиочастотный сигнал. Вместе с тем более высокой точностью измерения дальности обладают фазовый и частотный методы. Однако они имеют меньшую дальность действия из-за проблем обеспечения электромагнитной совместимости приемника и передатчика. Одно из направлений повышения разрешающей способности и точности радиолокационных измерений связано с применением двухчастотного (многочастотного) сигнала и комплексным использованием различных методов.
1. Повышение дальности действия
При использовании в РЛС несущих частот f1 и f2, разнесенных на значению не меньше чем F = f1 – f2 = с/Rr (Гц), где с = 3·108м/с — скорость света, а Rr — протяженность цели по радиальной дальности (м), сигналы на разных несущих частотах не коррелированны. При этом разнос несущих частот невелик. Например, при Rr = 5 м, f1 – f2 = 60 МГц. Благодаря некоррелированности сигналов (флюктуаций амплитуды эхо-сигналов от движущейся цели или от неподвижной цели при движущейся РЛС) в частотных каналах увеличивается дальность действия РЛС.
В случае медленных флюктуаций эхо-сигналов (что часто имеет место в РЛС из-за относительно малого, по сравнению с периодом флюктуаций эхо-сигналов целей, времени облучения целей) при данной средней мощности излучения, выгодно разбить поровну мощности между двумя или несколькими частотными каналами с использованием некогерентного сложения сигналов из разных частотных каналов.
Время поиска целей РЛС в секторе (зоне) поиска часто бывает достаточно велико. Поэтому требуется большая вероятность обнаружения цели за один обзор. Например, при вероятности обнаружения цели Р = 0,9 переход к двухчастотной работе (при той же средней мощности, что и при одночастотной работе) позволяет рассчитывать на выигрыш в 3 дБ. При требуемой большей вероятности обнаружения цели выигрыш будет больше и может оказаться выгоднее облучать цель на трех или большем числе несущих частотах.
Работу с разными несущими частотами можно осуществить по-разному. Проще всего сократить в 2-3 раза время, используемое РЛС для облучения цели на одной частоте, и последовательно работать на двух- трех частотах путем перестройки несущей частоты передатчика и частоты настройки приемника. Возможен вариант с перестройкой несущей частоты передатчика внутри импульса или использования второго выходного каскада (прибора) передатчика, поочередно работающего с имеющимся каскадом на другой несущей частоте. Это еще больше увеличит дальность действия РЛС. В данном случае, если ограничиться увеличением дальности действия РЛС за счет использования двух несущих частот, можно в два раза уменьшить время обзора сектора поиска РЛС.
Следует отметить, что при использовании в РЛС сигналов с однозначным измерением дальности и неоднозначным измерением скорости переход к двухчастотным сигналам связан с увеличением числа скоростных каналов, из которых квадратично суммируются сигналы. При большой неоднозначности измерения скорости это число приблизительно равно отношению половины частоты повторения импульсов к эквивалентной ширине доплеровского фильтра. Это приводит к увеличению числа ложных тревог, что заставляет увеличивать порог обнаружения целей и как следствие уменьшать дальность действия РЛС. Однако возникающие при этом потери в пороговом сигнале не очень велики. Например, если принять, что амплитуда шума на выходе доплеровского фильтра распределена по нормальному закону, то нормированный порог обнаружения на выходе схемы обнаружения Y0 = U2/2Pш и число ложных тревог связаны зависимостью Y0 = - ln F. Отсюда, например, следует, что уменьшение ложных тревог с 10-4 до 10-5 приводит к необходимости изменения порога обнаружения с Y1 = -ln 10-4 = 9,21 до Y2 = ln10-5 = 11,51. Это эквивалентно ухудшению отношения сигнал-шум на 0,97 дБ. Выигрыш от использования двухчастотных и многочастотных сигналов при высокой вероятности обнаружения может быть равен 10 дБ и даже больше.
2. Однозначное определение скорости цели при низкой частоте посылок зондирующих импульсов
Если несущие частоты РЛС f1 и f2 выбраны так, что разность доплеровских частот Fд в каналах, работающих на частотах f1 и f2 для самой высокоскоростной цели не превышали значения, равного половине частоты повторения зондирующих импульсов (Fр/2), то измерив величину Fд можно определить радиальную скорость цели vr из формулы 2vrf1/c – 2vrf2/c = Fд.
Тогда максимальная радиальная скорость цели vrmax = 0,5Fдс/(f1 – f2).
При этом разнос несущих частот должен выбираться из условия vrmax = 0,5(Fр/2)c/(f1 – f2),
Или f1 – f2 = 0,25Fрc/vrmax.
Например, приняв Fp = 400 Гц и vrmax = 300 м/с имеем f1 – f2 = 25 МГц. Соответственно при Fp = 1000 Гц имеем f1 – f2 = 75 МГц.
Доплеровские частоты на каждой несущей частоте можно грубо определять по номеру доплеровского фильтра (частоты БПФ), амплитуда сигнала на выходе которого превышает порог обнаружения. Более точно доплеровские частоты можно измерять моноимпульсным методом путем сравнения амплитуд сигналов в соседних доплеровских фильтрах, амплитудно-частотные характеристики которых пересекаются на относительно на высоком уровне. Такая система измерения может быть построена на основе использования процедуры БПФ и слегка «поддутой» (примерно на половину полосы пропускания доплеровского фильтра) БПФ.
3. Устранение слепых скоростей движущихся целей при низкой частоте повторения импульсов
Ширина спектра сигнала, отраженного от Земли, может составлять 10 % и более от нижней частоты повторения зондирующих импульсов. Поэтому при одночастотной работе более 10 % скоростей целей оказываются «слепыми». Для ликвидации слепых скоростей наземных целей приходится изменять частоту повторения импульсов, что увеличивает время обнаружения целей. При наличии дополнительных скоростных воздушных целей растет число слепых скоростей, что требует еще большего использования частот повторения зондирующих импульсов.
Принципиально при двухчастотной работе РЛС слепые частоты можно исключать без изменения частоты повторения импульсов. Например, при двухчастотной работе РЛС при разносе несущих частот, удовлетворяющем условию 2vrcлf2/c + ΔfЗем = 2vrслf1, или f1 – f2 = 0,5ΔfЗемс/vrсл, где vrсл — слепая скорость, ΔfЗем — ширина спектра доплеровских частот Земли. В данном случае при наличии слепой скорости в одном частотном канале в другом канале она отсутствует. Однако в этом случае при малых скоростях целей требуется большой разнос несущих частот РЛС. Например, при Fr = 1000 Гц, ΔfЗем = 100 Гц и f1 = 9·109 Гц первая слепая скорость с несущей частотой f1: vrсл = (Fr – ΔfЗем)с/(2f1) = 0,5(1000 – 100)·3·108/(9·109) = 15 м/c.
В этом случае f1 – f2 = 0,5ΔfЗемс/vrсл = 100·3·108/(2·15) = 109 Гц.
Такой разнос несущих частот в РЛС не всегда можно реализовать. Поэтому двухчастотный сигнал особенно удобно использовать при обнаружении воздушных и космических целей.
При совместном обнаружении наземных и воздушных целей слепые скорости наземных целей можно исключать за счет изменения частоты повторения зондирующих импульсов, а воздушных — двухчастотного сигнала.
4. Разделение наземных и воздушных целей
Трудной проблемой, возникающей в импульсных РЛС с расширенными функциями, является проблема разделения сигналов от движущихся наземных и воздушных целей. При двухчастотных (многочастотных) сигналах эта проблема решается относительно просто, поскольку при них можно измерять скорость целей даже на этапе обнаружения. В простейшем случае к наземным целям можно относить цели, эхо-сигналы от которых находятся в доплеровских фильтрах разночастотных каналов с близкими или равными номерами фильтров, а к воздушным — с дальними номерами.
5. Обнаружение и распознавание самонаводящихся снарядов, ложных целей,
беспилотных летательных аппаратов и электронных ловушек
По амплитуде (корреляции) эхо-сигналов, принимаемых на разных несущих частотах можно оценить протяженность целей по радиальной дальности. Это используют для обнаружения и распознавания самонаводящихся снарядов, ложных целей, беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и электронных ловушек. Ценно то, что это можно сделать непосредственно на этапе обнаружения целей, облучаемых двухчастотным сигналом. Как показывают предварительные исследования разнос несущих частот в этом случае должен выбираться из условия f1 – f2 = 0,87с/Rmax, где Rmax — максимальный измеряемый размер цели по радиальной дальности. Например, при Rmax = 2,5 м имеем f1 – f2 = 104 МГц.
Следует также отметить бурное развитие беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Учитывая размеры современных и перспективных БЛА, а также установку на них антирадарных покрытий наибольшую эффективность дает применение двухчастотных импульсных радиолокаторов. Первая группа частот применяется в дециметровом диапазоне, вторая — в сантиметровом для обнаружения сверхлегких БЛА. Данные локаторы широко применяются в войсковых средствах ПВО. Перестройка локатора в двухчастотный режим не представляет каких-либо принципиальных трудностей.
6. Защита от пассивных помех
Для защиты от пассивных помех в качестве основного режима используется двухчастотный когерентно-импульсный метод, имеющий значительные преимущества по сравнению с другими методами когерентной защиты, и фильтрация в виде двукратного череспериодного вычитания. Когерентность сигналов обоих частотных каналов станции обеспечивается построением приемопередатчика, при котором сигналы в них формируются от одного источника — задающих генераторов. Двухчастотное построение приемопередатчика не требует специального стабилизированного когерентного гетеродина. При обычном когерентно-импульсном методе наиболее трудным является требование одновременной компенсации отражений от местных предметов и от медленно перемещающихся облаков дипольной помехи. Такое требование выполнимо лишь тогда, когда доплеровские частоты сигналов, отраженных от пассивной помехи, значительно меньше частоты повторения импульсов РЛС, что является обычным для РЛС метрового диапазона.
Двухчастотный когерентно-импульсный метод позволяет понизить доплеровские частоты отраженных сигналов, выделяя так называемую разностную доплеровскую частоту отраженных сигналов двух рабочих частот станции. Последние выбраны так, чтобы разностная частота соответствовала метровому диапазону волн. При двухчастотном методе доплеровские частоты снижаются, поэтому применение его позволяет не только решить проблему одновременной компенсации отражений от местных предметов и облаков дипольных помех, но и избавиться от слепых скоростей.
При полном подавлении активной помехой или неисправности одного из приемных (или передающих) каналов можно работать одним каналом. Для защиты от пассивных помех при этом применяется когерентно-импульсный метод с использованием внешнего фазирования. Автоматическая компенсация собственного перемещения помехи в этом случае достигается фазированием когерентного гетеродина отраженным сигналом помехи, а не зондирующим импульсом. Чтобы исключить зоны слепых скоростей, станция должна работать с частотой повторения Fц (т.е. с вобуляцией).
Реальную радиолокационную цель можно рассматривать как систему элементарных отражателей. При изменении взаимного расположения станции и цели (что неизбежно в условиях движения) суммарный принимаемый сигнал испытывает непрерывные флюктуации, вызванные изменением соотношения фаз и амплитуд отдельных слагаемых. В одночастотных станциях возможны пропуски цели вследствие замираний отраженного сигнала. Для двухчастотных станций вероятность одновременного пропадания отраженного сигнала в обоих частотных каналах уменьшается.
Выводы
Как показали многочисленные исследования, использование двухчастотных и многочастотных сигналов в импульсных РЛС наземного, надводного, воздушного и космического базирования, обнаруживающих наземные, надводные, воздушные и космические цели, весьма полезно. Оно способствует повышению дальности действия РЛС, однозначному определению скорости целей, эффективности распознавания целей, повышению производительности и помехозащищенности систем в которых работает РЛС. В ряде важных случаев многочастотные сигналы могут заменить сверхширокополосные сигналы, которые не могут быть реализованы в импульсных РЛС с большими фазированными антенными решетками (ФАР) и особенно в мобильных РЛС. При многочастотных сигналах возможна перестройка по частоте несущей ФАР и приемо-передающих трактов.
При использовании в РЛС двухчастотных сигналов для повышения разрешающей способности по дальности можно использовать внутриимпульсную частотную модуляцию. Как показывают предварительные исследования при многочастотных сигналах особенно целесообразно произвести замену используемого линейного закона изменения частоты несущей на нелинейный. В этом случае можно ликвидировать весовую обработку сигналов при приеме, используемую в целях уменьшения уровня боковых лепестков сжатого импульса. Это устранит потери в пороговом сигнале, возникающие при весовой обработке ЛЧМ-сигнала в приемнике, облегчит развязку двухчастотных сигналов и особенно при наличии сигналов, составляющих один импульс.
Литература
1. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. – М.: Советское радио, 1977. 526 с.
2. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Часть 1. /Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. – М.: Радиотехника, 2004. 312 с.
3. Нефедов В.И., Сигов А.С. Основы радиоэлектроники и связи. – М.: высшая школа, 2008. 638 с.
3. Справочник по радиолокации. Тома 1-6. Ред. М. Скольник. Перевод с английского под общей редакцией К.Н. Трофимова. – М.: Советское радио, 1977. 526 с.
DUAL-FREQUENCY SIGNALS IN THE LOCATOR GROUND, SURFACE, AIR AND SPACE-BASED
Nefedov V., Lobanov B., Zakharov J., Milovanova N., Gerasimov A., Denisevich V., Shepeleva A.
The efficiency of dual-frequency and multi-frequency signals in apulsed radar ground, surface, air and space-based. This increases the range of the radar unambiguous determination of the rategoals, recognition efficiency goals, increase productivity andimmunity systems in which the radar staion. In some importantcases multifrequency signals can be replaced UWB signals, whichcan not be realized in pulsed radar with large phased array antennas (PAR), and especially in mobile radars. With multi-frequency signals of possible restructuring of the carrier frequency, and phased array transmit-receive paths. When used in dual-frequency radar signals to improve the range resolution can be used intra-frequency modulation.
ВЛИЯНИЕ АНТЕННЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО СЕГМЕНТА НА ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ЦИФРОВОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ
Лобанов Б.С, Трефилов Н.А., Герасимов А.В.
МИРЭА
Антенные системы цифровой линии связи, размещаемые на борту космического летательного аппарата (КЛА), оказывают существенное влияние на помехозащищенность линии связи. Степень влияния зависит от типа линии связи, типа антенн, параметров орбиты КЛА и многих других факторов.
Уровень шума на выходе антенны в режиме приема в основном определяется приемом шумового излучения земли по главному и боковым лепесткам диаграммы направленности антенны, расположенным в переднем полупространстве. Уровень шума, в соответствии с соотношением Найквиста зависит от полосы пропускания антенны и от температуры поверхности земли в зоне обслуживания. Уровень шума существенно повышается в системах связи и радиоуправления головными частями баллистических ракет на нисходящем участке траектории полета, вследствие образования плазменного слоя вблизи головной части. Уровень теплового шума в антеннах земных станций космической связи существенно ниже из-за использования охлаждаемых до низкой температуры предусилителей и из за ориентации диаграмм направленности антенн в космос. Поэтому тепловой шум в основном влияет на работу бортового оборудования и его уровень трудно изменить за счет изменения характеристик бортовых антенн.
Второй причиной образования помех в космических линиях связи является прием бортовыми антеннами радиоизлучений посторонних источников. Прием возможен по главному лепестку диаграммы направленности при расположении источников в зоне обслуживания. Такими помехообразующими источниками являются радиоизлучения естественного происхождения, промышленные помехи, внеполосные излучения различных радиотехнических средств. Они обусловлены электромагнитной обстановкой в зоне обслуживания и учитываются при проектировании радиолинии.
Другой причиной образования подобных помех является прием радиоизлучений посторонних источников, расположенных вне зоны обслуживания, по боковым лепесткам диаграммы направленности. Такие источники могут быть случайными и преднамеренными, например активные средства РЭБ. Для борьбы с такими видами помех необходимо разрабатывать приемы проектирования бортовых зеркальных антенн с уменьшенным уровнем боковых лепестков и методы адаптации формы диаграммы направленности зеркальных антенн, которые позволяли бы оперативно уменьшать уровень боковых лепестков антенны в направлении на активные источники помехи.
Часто используются разворачиваемые конструкции бортовых зеркальных антенн, например зонтичного типа. Конструкции таких антенн содержат трансформируемый каркас на который натягивается, в процессе приведения антенны в рабочее положение, эластичный отражающий слой, например проводящая металлическая сетка.
При этом формируется отражающая поверхность, профиль которой между ребрами каркаса отличается от теоретического профиля рефлектора. Это приводит к изменению амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве зеркала по сравнению с теоретическим и приводит к изменению характеристик антенны, в частности к возможному росту боковых лепестков в некоторых направлениях. Для уменьшения влияния этого вредного воздействия необходима разработка методов оценки изменения формы и уровня бокового излучения разворачиваемых конструкций бортовых зеркальных антенн, а также разработка конструкций бортовых разворачиваемых антенн с уменьшенным уровнем бокового излучения, например за счет использования рычажно-шарнирных конструкций каркаса рефлектора.
Еще одним направлением формирования паразитных каналов приема помехи в бортовых зеркальных антеннах является наличие кроссполяризации, которая приводит к появлению дополнительных боковых лепестков, уровень которых трудно точно оценить даже при высокоточном изготовлении профиля рефлектора зеркальной антенны. Известен главный способ борьбы с кроссполяризацией – применение длиннофокусных рефлекторов зеркальных антенн. Эффективность такого приема для разворачиваемых конструкций зеркальных антенн является не очевидной и требует теоретического подтверждения.
Следующей причиной образования помех в космических линиях связи является нестабильность положения диаграммы направленности бортовой антенны относительно направления на источник сигнала, связанная с работой системы ориентации спутника при движении по орбите. Эта причина является более существенной в системах направленной связи, когда используются бортовые зеркальные антенны с узкой диаграммой направленности, постоянно ориентируемой на объект связи для повышения скрытности. Возможными путями повышения помехозащищенности от такого вида помех являются:
- анализ характеристик помехи для применяемых бортовых систем ориентации с целью разработки методов эффективной борьбы;
- разработка бортовых зеркальных антенн с системой электрического управления ориентацией диаграммы направленности, которая позволяла бы компенсировать помеху, вызванную работой систем ориентации спутника связи.
Еще одним направлением, позволяющим потенциально повысить помехозащищенность космической линии связи за счет совершенствования антенных систем, используемых в космическом сегменте, является исследование и разработка новых математических моделей и численных методов, позволяющих повысить точность проектирования бортовых разворачиваемых зеркальных антенн. Возможным путем совершенствования методов проектирования бортовых антенн является развитие и применение быстрого метода моментов, который активно разрабатывается в электродинамике для решения дифракционных задач.
Отдельной задачей по повышению помехозащищенности космических линий связи является анализ путей повышения надежности и помехозащищенности канала связи и радиоуправления для линий типа земная станция – спутник связи – головная часть баллистической ракеты. Возникающие на трассе прохождения радиоволны условия, связанные с интенсивных нагревом, абляцией теплозащитной оболочки головной части, с интенсивным и неоднородным нестационарным плазмообразованием вблизи от поверхности головной части приводят к существенному искажению спектра и высокому затуханию радиоволны, что снижает надежность радиоканала связи и радиоуправления.
Литература
Мартин Дж. Вход в атмосферу. М.: Мир, 1969. 320 с.
Авдуевский B.C., Галицейский Б.М., Глебов Г.А. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1975. 623 с.
Тамаркин В.М., Невдяев Л.М., Серев СИ. Низкоорбитальные системы спутниковой связи: Обзор информ. М.: ЦНТИ Информсвязь, 1995. 96 с.
EFFECT OF ANTENNA SYSTEMS, SPACE SEGMENT ON THE IMMUNITY OF DIGITAL SPACE LINK
Lobanov B., Trefilov N., GerasimovA.
Considered ways that potentially improve the immunity of spacedigital communication line by improving on-board antenna systems. Different variants of communication lines, including directional communication and liaison with the descent of spacecraft.
i
Цифровая обработка сигналов и ее применение
Digital signal processing and its applications
страница 1 ... страница 3страница 4страница 5страница 6
скачать
Другие похожие работы: