Алгоритмическая коррекция искажений поля в радиопеленгаторных антенных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Корочин, Сергей Владимирович

• Корочин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корочин, Сергей Владимирович

Введение.

1. Анализ методов и алгоритмов оценки угловых параметров источников радиоизлучения в односигнальном и многосигнальном режимах.

1.1. Обзор алгоритмов сверхразрешения.

1.2. Исследование устойчивости алгоритма MUSIG к искажениям измеряемой структуры электромагнитного полж.20.

1.3. Выводы по первой главе.

2. Разработка комплекса физико-математических моделей, описывающих искажения структуры электромагнитного поля радиопеленгаторными антенными системами различного конструктивного исполнения, создание методики размещения вибраторных элементов антенной решетки на корпусе носителя.

2.1. Метод наведённых ЭДС.

2.2. Метод уравнений Халлена.

2.3. Метод уравнений Фредгольмовского типа 1-го рода.

2.3.1. Моделирование пирамидального гофрированного

ТЕМ- рупора.

2.3.2. Моделирование биконического вибратора с кольцевыми пазами.

2.3.3. Моделирование щелевого излучателя бегущей; волны, входящего в состав кольцевой антенной решётки.

2.4. Метод конечного интегрирования Вейланда.

2.5. Метод FDTD (Finite Difference Time Domain), Yee.

2.6. Метод векторного интегрального уравнения Фока в пространственно-частотном представлении.

2.7. Методика размещения вибраторных элементов антенной решётки на корпусе носителя.

2.8. Выводы по второй главе.

3. Разработка и исследование алгоритма оценки вида поляризации и угловых координат источника радиоизлучения с помощью антенной решетки мобильного радиопеленгатора.

3.1. Алгоритм оценки вида поляризации и угловых координат источника радиоизлучения.

3.2. Исследование возможностей совершенствования алгоритма сверхразрешения MUSIC путём учёта искажений структуры измеряемого поля.

3.3. Выводы по третьей главе.

4. Модификация алгоритма сверхразрешения, предназначенного для оценки угловых координат коррелированных источников.

4.1. Исследование возможностей модификации алгоритма пеленгования коррелированных источников.

4.2. Выводы по четвёртой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмическая коррекция искажений поля в радиопеленгаторных антенных системах»

Актуальность темы. В большинстве новых систем радиопеленгации стационарного и мобильного базирования используются антенные решетки, элементы которых предназначены для измерения амплитуды и фазы электромагнитных волн определенной поляризации. Как правило, современные радиопеленгаторы функционируют в весьма широкой полосе частот - коэффициент частотного перекрытия каждой антенной подрешетки может достигать 10 и более, а количество используемых литер наиболее часто составляет от 2 до 4.

При этом существенные искажения поляризационной, амплитудной и фазовой структуры поля вносит не только сама антенная система, каждый элемент которой резонирует на ряде частот и обладает своими отличительными рассеивающими характеристиками, но и опорная мачта, конструктивные узлы крепления, растяжки, корпус мобильного носителя и другие близлежащие рассеиватели электромагнитных волн. В качестве примера можно привести антенную решетку из вертикальных электрических вибраторов, установленную на автомобиле, элементы которой весьма эффективно принимают рассеянные на корпусе носителя волны с вертикальной поляризацией, следствием чего являются погрешности пеленгования, достигающие нескольких десятков градусов.

Наиболее часто используемые методы оценки угловых координат источников радиоизлучения, в том числе, методы сверхразрешения (MUSIC, ESPRIT, максимальной энтропии Берга, Кейпона, теплового шума, Борджот-ти-Лагунаса, Matrix Pencil) построены на предположении о том, что поле каждого источника в пространстве наблюдения (местах расположения фазовых центров (или — центров излучения) элементов антенной решетки) характеризуется строго линейным законом набега фазы и равноамплитудным распределением.

Поэтому, для корректного и эффективного использования существующих методов радиопеленгации, необходимо, либо, тщательно оценивать область их применимости, или проводить предварительную обработку принимаемых сигналов, учитывающую наличие дифракционных искажений, либо модифицировать традиционно используемые методы радиопеленгации, учитывая в реализующих их алгоритмах искажения направленных свойств и входных характеристик антенных элементов, находящихся в составе решетки стационарного или мобильного базирования.

Работа выполнена в соответствии с основными научными направлениями ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»: «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации», «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», а также -с тематикой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) по разработке и созданию комплексов радиопеленгации стационарного и мобильного базирования.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов радиопеленгации, в том числе - модифицированных алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения, характеризующихся высокой степенью устойчивости к наличию погрешностей измерения структуры поля, вызванных рассеянием электромагнитных волн на антенной системе, узлах ее крепления и мобильном носителе.

Основные задачи исследования:

• критический анализ традиционно используемых методов и алгоритмов оценки угловых параметров источников радиоизлучения (в том числе -методов и алгоритмов сверхразрешения) на предмет возможности их корректного и эффективного использования в аппаратно-программных комплексах радиопеленгации стационарного и мобильного базирования, устойчиво функционирующих при наличии помех, шумов, погрешностей измерения поля, в том числе - дифракционных искажений, вызванных рассеянием волн на антенной системе и ее носителе (или - опорной мачте);

• разработка физико-математических моделей, описывающих искажения структуры электромагнитного поля радиопеленгаторными антенными' системами стационарного и мобильного базирования в сверхширокой полосе рабочих частот;

• разработка алгоритмов радиопеленгации и способов размещения элементов антенной решетки вблизи близлежащих рассеивателей (в частности - корпуса носителя), характеризующихся существенно уменьшенными значениями погрешности измерения угловых координат источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот в односигнальном режиме;

• модификация и исследование усовершенствованных алгоритмов сверхразрешения, устойчивых к дифракционным искажениям наблюдаемого поля, вызванным рассеянием принимаемых электромагнитных волн на антенной системе, ее конструктивных элементах, опорной мачте и корпусе мобильного носителя;

• разработка программного обеспечения, предназначенного для обработки в реальном масштабе времени сигналов, принимаемых радиопеленга-торной антенной решёткой стационарного или мобильного базирования.

Методы исследования. При выполнении работы использовались основные методы технической электродинамики, методы анализа и синтеза антенных устройств и систем, методы математического моделирования и оптимизации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработаны и исследованы физико-математические модели антенных систем стационарных и мобильных радиопеленгаторов, позволяющие оценить влияние дифракционных искажений наблюдаемого поля на точность измерения угловых координат источников радиоизлучения с учетом рассеивающих свойств опорной мачты, корпуса носителя и других близлежащих неоднородностей;

• разработана и апробирована методика синтеза антенной системы мобильного радиопеленгатора, основанная на аппроксимации амплитудно-фазового распределения наблюдаемого поля с помощью линейной комбинации полей точечных источников или плоских волн, отличающаяся возможностью оптимального расположения вибраторов на корпусе носителя без использования информации о его геометрии и материальных свойствах;

• разработан и исследован алгоритм оценки вида поляризации и угловых координат источника радиоизлучения с помощью антенной решетки мобильного радиопеленгатора, отличающийся учетом дифракционных искажений наблюдаемого поля антенной системой и ее носителем;

• разработаны модификации алгоритмов сверхразрешения MUSIC и Шевченко, отличающиеся повышенной устойчивостью к искажениям структуры электромагнитного поля, вызванным рассеянием принимаемых электромагнитных волн на близлежащих объектах.

Практическая значимость работы заключается в существенном повышении точности оценки угловых координат источников радиоизлучения в стационарных и мобильных радиопеленгаторных комплексах, оснащенных программным обеспечением, в котором реализованы созданные алгоритмы пеленгования с повышенной устойчивостью к дифракционным искажениям наблюдаемого электромагнитного поля.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и Воронежского института МВД РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

• комплекс физико-математических моделей одиночных антенных элементов и составленных из них решеток, позволяющих оценить инструментальную погрешность измерения пеленгов источников радиоизлучения с учетом рассеяния принимаемых волн антенной системой, опорной мачтой и корпусом носителя;

• методика размещения вибраторных элементов радиопеленгаторной антенной решетки на корпусе мобильного носителя, позволяющая минимизировать систематическую погрешность пеленгования в широкой полосе частот без предварительного создания модели корпуса носителя;

• алгоритм обработки сигналов, принимаемых радиопеленгаторной антенной решеткой мобильного базирования, позволяющий с высокой степенью точности оценить угловые координаты источника радиоизлучения с неизвестной поляризацией, действующего в сверхширокой полосе частот;

• модифицированные алгоритмы сверхразрешения MUSIC и Шевченко, позволяющие, соответственно, измерять угловые координаты некоррелированных и коррелированных источников радиоизлучения с компенсацией искажений, вносимых в наблюдаемое поле антенной системой и ее носителем.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях: 11-й международной научно-технической конференций «Радиолокация, навигация и связь» (RLNC 2005 г.), г. Воронеж; 2-й Всероссийской научной конференции-семинаре «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром; 14-й международной научно-технической конференций «Радиолокация, навигация и связь» (RLNC 2008 г.), г. Воронеж, а также на ежегодно проводимых научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ГОУВПО «ВГТУ» (Воронеж, 2004-2008 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 научных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [50-52] - разработка моделей и алгоритмов численного анализа характеристик сверхширокополосных антенн; [53] — разработка математической модели радиопеленгаторной антенной решетки и алгоритма измерения угловых координат источника радиоизлучения; [54] — разработка математической модели вибраторной антенной решетки; [55] -исследование возможности использования антенн Вивальди в составе кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки; [56] — разработка и исследование алгоритмов радиопеленгации, инвариантных к дифракционным искажениям наблюдаемого поля; [57] - разработка и исследование модифицированного алгоритма сверхразрешения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 104 наименования, и трёх приложений. Работа содержит 157 страниц, 53 рисунка и 1 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Корочин, Сергей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и исследованы алгоритмы радиопеленгации, в том числе модифицированные алгоритмы сверхразрешения источников радиоизлучения, характеризующихся высокой степенью устойчивости к наличию погрешностей измерения структуры поля, вызванных рассеянием электромагнитных волн на антенной системе, узлах ее крепления и мобильном носителе.