Антенные системы с многофункциональными гибридными оптоэлектронными процессорами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Багно, Дмитрий Витальевич

• Багно, Дмитрий Витальевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Багно, Дмитрий Витальевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГИБРИДНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННО

ВРЕМЕННЫХ СИГНАЛОВ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

1.1 Гибридные акустооптические процессоры спектрального и корреляционного анализа широкополосных сигналов

1.1.1 Акустооптические спектроанализаторы

1.1.2 Акустооптические корреляторы с временным интегрированием

1.1.3 Акустооптические корреляторы с пространственным интегрированием

1.2 Гибридные оптоэлектронные процессоры пространственновременной обработки сложных сигналов (радиооптические антенные решетки)

1.2.1 Гибридные оптоэлектронные процессоры пространственновременных сигналов антенных решеток

1.2.2 Радиооптические антенные решетки с режекцией мешающих пространственных сигналов

1.2.3 Гибридные оптоэлектронные процессоры неплоских антенных решеток

1.2.4 Многофункциональные гибридные оптоэлектронные процессоры

1.3 Итоги программы "Внедрение оптических процессоров в системы"

2 ГИБРИДНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛОЖНОГО

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СИГНАЛА С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ.

2.1 Особенности системы распределения тактической информации

2.2 Возможные подходы к перехвату сигнала

2.3 Интерферометрический алгоритм обнаружения сложного сигнала и определения направления на его источник.

2.3.1 Функциональные характеристики алгоритма.

2.3.2 Действие алгоритма в отсутствии источников шума

2.3.3 Действие алгоритма при наличии источников шума.

Энергетические свойства алгоритма

2.3.4 О возможности реализации интерферометрического алгоритма на основе квадратурной обработки

2.3.5 Влияние неидентичности приемных трактов

2.3.6 Численное моделирование интерферометрического алгоритма

2.4 Реализация интерферометрического алгоритма средствами гибридных оптоэлектронных процессоров

2.4.1 Особенности применения различных типов акустооптических корреляторов

2.4.2 Анализ схем построения и новая структура квадратурного акустооптического коррелятора с временным интегрированием.■.

2.4.3 Анализ и оптимизация геометрии акустооптического взаимодействия

2.5 Двумерный параллельный гибридный оптоэлектронный процессор на основе интерферометрического алгоритма и алгоритма пространственного Фурье-преобразования

2.5.1 Структура двумерного параллельного гибридного оптоэлектронного процессора. Преобразования пространственно-временного сигнала

2.5.2 Анализ радиосцены с использованием двумерного параллельного гибридного оптоэлектронного процессора

3 ГИБРИДНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА

ВНУТРИИМПУЛЬСНОЙ СТРУКТУРЫ. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГИБРИДНЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ДЛЯ ПЕРЕХВАТА СИГНАЛА С

ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ.

3.1 Алгоритмы внутриимпульсной обработки сигнала.

3.1.1 Алгоритмы поэлементного приема

3.1.2 Алгоритмы приема в целом

3.1.3 Помехоустойчивость алгоритмов

3.2 Реализация демодуляторов средствами гибридных оптоэлектронных процессоров

3.2.1 Фильтровой демодулятор для поэлементного приема

3.2.2 Оптимальный автокорреляционный демодулятор для поэлементного приема .W

3.2.3 Квазиоптимальный автокорреляционный демодулятор для поэлементного приема

3.2.4 Подход к реализации приема в целом

3.2.5 Согласованный фильтр с программируемой импульсной характеристикой для приема в целом

3.2.6 Согласованный фильтр с программируемой импульсной характеристикой с использованием техники "двумерного опорного транспаранта"

3.2.7 Параллельная обработка сигнала при приеме в целом

3.2.8 Параллельно-последовательная обработка сигнала при приеме в целом

3.3 Экспериментальное исследование модуля демодуляции

3.4 Антенная решетка с многофункциональным гибридным оптоэлектронным процессором

3.4.1 Алгоритмы обработки сигналов, реализованные в Л' многофункциональном гибридном оптоэлектронном процессоре

3.4.2 Структурная схема

3.4.3 Функциональная и оптическая схемы. Модуль обнаружения

3.4.4 Модуль помехозащищенного диаграммообразования

3.4.5 Модуль анализа внутриимпульсной структуры

3.4.6 Модуль демодуляции

4 ГИБРИДНЫЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЦЕССОР ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ

СИГНАЛОВ ПРИЕМНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

4.1 Антенная решетка с гибридным оптоэлектронным процессором для системы связи

4.2 Алгоритмы обработки сигнала, реализованные в многофункциональном гибридном оптоэлектронном процессоре

4.3 Структурная схема многофункционального гибридного оптоэлектронного процессора с функцией пеленгатора-частотомера

4.4 Модули и макет многофункционального гибридного оптоэлектронного процессора

4.5 Результаты экспериментальных исследований макета гибридного оптоэлектронного процессора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Антенные системы с многофункциональными гибридными оптоэлектронными процессорами»

Разработка и создание нового поколения радиоэлектронных систем, использующих перспективные методы и технологии, является главным направлением, позволяющим повысить возможности военных и гражданских систем по обнаружению, определению местоположения и ориентации, сопровождению и идентификации объектов. К наиболее важным тенденциям, сопровождающим внедрение сложных комплексов аппаратуры, сложных сигналов и методов их обработки, относятся:

- рост информационного потока, поступающего, например, от радиолокационных систем и систем связи, достигающего 1011 бит/с при ширине полосы частот сигнала AF около 1 ГГц, и ужесточение требований к динамике обработки информации и темпу ее обновления;

- широкое распространение сложных многоэлементных антенных решеток (АР) разных типов (в частности, многолучевых, конформных, адаптивных к меняющимся условиям), существенно более гибких по своим возможностям по сравнению с традиционными антеннами, что необходимо для реализации широкополосного, широкоугольного панорамного обзора пространства, повышения помехозащищенности и т.п.;

- использование широкополосных и сложных радиосигналов с полосой частот ДГ >300.350 МГц, базой В = ДГДГ «104 или пространственно-временной (ПВ) базой В3 = ДГДГ М «Ю6 (ДТ-длительность сигнала, М-число пространственных каналов, примерно равное количеству элементов АР) , которые необходимо обрабатывать в реальном масштабе времени.

Широкополосные и сложные радиосигналы (большой длительности, широкополосные пространственно-временные, импульсные локационные фазомодулированные радиосигналы, непрерывные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн) и т.д.) занимают заметное место во многих радиоэлектронных системах: в системах радиолокации, радио- и радиотехнической разведки, связи, радиоастрономии, командных управляющих системах и др. Высокие потенциальные возможности радиоэлектронных систем с такими сигналами делает весьма актуальной задачу создания эффективных средств их обработки.

Традиционные подходы к созданию процессоров (аналоговых, цифровых) в настоящее время не обеспечивают полного решения задачи обработки сложных ПВ сигналов. Достоинства цифровой обработки (высокая точность, универсальность, большой динамический диапазон) предопределяют широкое внедрение устройств на ее основе в радиоэлектронные системы. К настоящему времени, например, разработаны цифровые процессоры на основе БПФ, позволяющие проводить корреляционный анализ сигналов в полосе частот до 300 МГц [1]. Установлено, что при временной базе радиосигнала В = ДГДГ «104 (или ПВ базе Bs = ДГДТ М «104) перед цифровыми процессорами встает проблема энергопотребления, массы, габаритных размеров, а также стоимости и надежности. Если же необходимы полосы ДF >300.350 МГц или базы в(вз)>106, то требуемая производительность процессора превышает возможности электронных средств цифровой обработки даже при использовании в них современных и перспективных быстродействующих интегральных схем.

По-видимому, только создание неоднородных систем обработки информации, включающих в себя как электронные компоненты и узлы, так и процессоры иной физической природы и архитектуры, позволит удовлетворить современным и перспективным требованиям [2-4]. В наибольшей степени этим требованиям отвечают акустоэлектронные и оптоэлектронные (в первую очередь акустооптические) процессоры аналогового типа.

Акустоэлектронные процессоры (на основе приборов с поверхностными акустическими волнами) обеспечивают полосу частот обрабатываемых сигналов до 300 МГц на несущей частоте 1.5.2.0 ГГц при длительности сигнала единицы-десятки микросекунд. Это позволяет проводить корреляционную и спектральную обработку радиосигналов с базой порядка нескольких тыс. [5].

Оптоэлектронные (акустооптические (АО)) процессоры (АОП), по сути, являются высокопроизводительными специализированными аналоговыми процессорами. АОП, вследствие присущей им трехмерности передачи и обработки данных, высокого быстродействия отдельных компонентов, больших функциональных возможностей и многообразия технических решений, позволяют обрабатывать в реальном времени сигналы с полосой в несколько сотен мегагерц в гигагерцовом диапазоне частот, что выходит за пределы возможностей цифровых процессоров. При использовании АОП с временным интегрированием достигается рекордное время обработки радиосигналов - десятки и более миллисекунд. АО анализаторы внутренней структуры-демодуляторы ФМ сигналов работоспособны по одному импульсу, точность фазовых измерений порядка 10° [6-11].

При ПВ обработке радиосигналов АР в АО процессоре с многоканальным АОМ формируется от двух до 50.100 параллельных пространственных каналов, каждый из которых потенциально может работать на частотах 1 ГГц и выше и иметь полосу пропускания 100.500 МГц [12-15] .

Однако, несмотря на достоинства оптических средств обработки сигналов, их преимущества над цифровыми технологиями отнюдь не являются абсолютными: оба метода перспективны, но каждый из них имеет свою область применения. Более того, очевидно, что только сочетание этих методов может привести к созданию многообещающих эффективных систем. Для повышения гибкости оптических (оптоэлектронных) процессоров целесообразно объединять аппаратуру параллельной оптической обработки с устройствами постобработки, управления и контроля, построенными на базе цифровой техники.

Прогноз развития радиоэлектронных средств показывает, что модернизация радиолокационных систем обнаружения и средств радиоэлектронной разведки (РЭР) будет существенно основываться на развитии методов и средств функциональной электроники, квантовой электроники и волоконной оптики, которые, в сочетании с цифровой техникой, составят основу ГОЭП. Информация о создании подобных средств за рубежом, свидетельствующая о повышенном интересе к средствами перехвата информации на основе техники ГОЭП, частично представлена в комплексной научно-технической программе DARPA "Transition of Optical Processors into Systems" (НТП "Внедрение оптических процессоров в системы") (США) [16].

Особенно актуальна проблема создания сверхширокополосных средств РЭР для обнаружения и вскрытия систем, использующих сложные сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) [17]. Примером последней является "Объединенная система распределения тактической информации" (ОСРТИ) [18] — многофункциональная система, обеспечивающая помехозащищенный засекреченный обмен цифровой информацией в сложных условиях, а также решение задач высокоточного определения местоположения, опознавания, сопрягаемая с системами TACAN (радиолокационные маяки службы управления воздушным движением), IFF (Mkl2 - служба "свой-чужой" воздушных целей), наведения оружия, управления беспилотными ЛА и др. [19]. Особенностью системы является ее работа в диапазоне Lx с полосой частот более 250 МГц с ППРЧ со скоростью 100 тыс. скачков/с в сетке из 51 частоты с информационным потоком 50-500 Кбит/с.

Работы по вскрытию подобных систем, проводимые рядом предприятий, подтверждают сложность решения данной задачи в реальном масштабе времени традиционными технологиями (недостаточное быстродействие, значительные веса, габариты и энергопотребление; сложность реализации панорамного режима работы и т.п.). В связи с этим создание средств обработки подобных сигналов требует применения нетрадиционных технических решений: во-первых — создания комплексированных систем обработки сложных ПВ сигналов, включающих в себя как электронные компоненты и узлы, так и процессоры иной физической природы и архитектуры, что позволит удовлетворить современным и перспективным требованиям; во-вторых — исследования новых путей построения многофункциональных ГОЭП, способных решать указанную выше задачу.

В связи со всем вышесказанным, задача перехвата (обнаружения, пеленгации и вскрытия) источников сложных ПВ сигналов с ППРЧ средствами многофункциональных ГОЭП является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование антенных систем с многофункциональными гибридными оптоэлектронными процессорами, предназначенными для обнаружения, пространственного и временного разделения, анализа структуры, вскрытия основных параметров и приема сложных высокоинформативных сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты и пространственно-временной базой до 1 млн.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. Обоснован и исследован интерферометрический алгоритм, реализуемый антенной системой с ГОЭП, обеспечивающий обнаружение и пеленгацию множества источников сложных сигналов с ППРЧ в полосе частот более 250 МГц. Выявлена общность основных схем акустооптических корреляторов с временным интегрированием и разработан ГОЭП, позволяющий организовать параллельную многоканальную обработку либо двумерную обработку сигналов приемной антенной системы.

2. Разработана антенная система, объединяющая интерферометр и антенную решетку (база 150 м, число каналов до 100 с полосой до 500 МГц) , с обработкой сигналов средствами ГОЭП на основе АОКВИ, позволяющая повысить отношение сигнал/шум+помеха за счет пространственной обработки в угломестной плоскости, повысить ОСШ сложных сигналов за счет ПВ корреляционной (интерферометрической) обработки, а также в параллельном режиме выделить информацию об азимуте и угле места множества источников сигналов.

3. Разработаны схемы акустооптических модулей ГОЭП для восстановления модулирующей функции сигнала типа ФМн-МС с ППРЧ, реализующих автокорреляционные алгоритмы поэлементной обработки и различающихся сложностью аппаратной реализации, а также акустооптических корреляторов с пространственным интегрированием и программируемой импульсной характеристикой, реализующих обработку импульса в целом путем согласованной фильтрации.

4. Предложена структура многофункционального ГОЭП АР на основе оптоэлектронных модулей обнаружения, диаграммообразования, анализа внутриимпульсной структуры и демодуляции, использующего единые источник когерентного излучения и устройство ввода, реализующего последовательность операций, необходимых для перехвата (обнаружения, пеленгации, приема) сигналов ОСРТИ типа ВИМ-ППРЧ-МЦСК-ФМн-МС с полосой более 250 МГц и базой около 1 млн.

5. Проведены экспериментальные исследования макета ГОЭП АР по панорамному обзору радиосцены (диаграммообразованию), подавлению мешающих пространственных помех (режекции), извлечению временного сигнала и анализу внутриимпульсной структуры для подтверждения возможность использования технологий ГОЭП для обработки сложных сигналов с ППРЧ в полосе более 250 МГц.

Методы исследования основываются на использовании теории оптимальной обработки сигналов, оптической обработки информации, голографии и цифровой оптики, радиооптическом анализе на основе скалярной теории дифракции, математического моделирования и физического эксперимента.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

1. Разработана антенная система, объединяющая интерферометр и антенную решетку, с обработкой сигнала ГОЭП, реализующая интерферометрический алгоритм на основе акустооптического коррелятора с временным интегрированием и обеспечивающая обнаружение и пеленгацию множества источников сложных сигналов с ППРЧ в полосе частот более 250 МГц.

2. Разработаны акустооптические модули ГОЭП для восстановления модулирующей функции сигнала типа ФМн-МС с ППРЧ, реализующие автокорреляционные алгоритмы поэлементной обработки, а также акустооптические согласованные фильтры с пространственным интегрированием и программируемой импульсной характеристикой, реализующие обработку импульса в целом.

3. Предложена структура многофункционального ГОЭП АР на основе комплексирования оптоэлектронных модулей обнаружения, диаграммообразования, анализа внутриимпульсной структуры и демодуляции, использующего единые источник когерентного излучения и устройство ввода, реализующего последовательность операций, необходимых для перехвата (обнаружения, пеленгации, приема) сигналов ОСРТИ типа ВИМ-ППРЧ-МЦСК-ФМн-МС с полосой более 250 МГц и базой около 1 млн.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что предложенные и исследованные антенные системы с многофункциональными гибридными оптоэлектронными процессорами позволяют обнаруживать, осуществлять пространственное и временное разделение, анализ структуры, вскрытие основных параметров и прием сложных высокоинформативных сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты и пространственно-временной базой до 1 млн.

Проведенный натурный эксперимент на разработанном макете акустооптического модуля демодуляции сигналов подтвердил эффективность использования модуля для выявления тонкой внутриимпульсной структуры сигнала и целесообразность его применения в составе многофункционального ГОЭП системы РЭР.

Проведенный натурный эксперимент на разработанном макете многофункционального ГОЭП АР на основе многоканального электрооптического модулятора света, реализующего параллельный панорамный) обзор пространства по угловой координате и частоте в широкой полосе, пространственную режекцию помех, прием сигнала с ППРЧ, демодуляцию сигнала с фазоразностной манипуляцией ФРМ, подтвердили эффективность его использования в составе системы передачи информации.

Приоритетная сфера приложений таких антенных систем с ГОЭП — радиоэлектронная разведка.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использованы и внедрены в НТЦ "Элерон" при выполнении договорной НИР "Переполох" с в/ч 4 4 386 по теме "Прогнозные исследования в области развития методов и средств радиолокационного наблюдения целей", а также в Таганрогском НИИ Связи.

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, использованием апробированного радиооптического подхода при анализе преобразований оптических полей в ГОЭП, совпадением результатов теоретического анализа, численного имитационного моделирования и натурного эксперимента на разработанном макете многофункционального ГОЭП.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на:

IV Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика — 2002", Зеленоград, МИЭТ, 19-21 ноября 2002г; 12-й Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо12002) , Севастополь, 9-13 сентября 2002г.; Всероссийской научно-технической дистанционной конференции

Электроника" в рамках НТП Минобразования РФ, 19-23 ноября 2001г, Москва, Россия; Millenium Conference on Antennas and Propagation, AP2000, 9-14, April, 2000, Davos, Switzerland; The 6th Student exchange seminar, Technical University Munich — Moscow Aviation Institute, September 28-30, 1999, Moscow, Russia; The XXVII Moscow international conference on antenna theory and technology, September 22-24, 1998, Moscow, Russia; Москва, МГТУ; The 4th Student exchange seminar, Technical University Munich — Moscow Aviation Institute. April 18-23, 1996, Moscow, Russia; Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие", 28 января - 2 февраля 1996г.

Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано восемь печатных работ, из них три научные статьи и пять тезисов докладов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Интерферометрический алгоритм, реализуемый антенной системой с ГОЭП, обеспечивает обнаружение и пеленгацию множества источников сложных (с базой до 1 млн.) сигналов типа ОСРТИ, работающей в диапазоне частот Lx с ППРЧ в полосе частот более 250 МГц и сложной внутриимпульсной структурой, скорость перестройки частоты 100 тыс. скачков/с. Выявленная общность основных схем акустооптических корреляторов с временным интегрированием позволила предложить ГОЭП, позволяющий организовать параллельную многоканальную обработку либо двумерную обработку сигналов приемной антенной системы.

2. Предложенная антенная система, объединяющая интерферометр и антенную решетку (база 150 м, число каналов до 100 с полосой до 500 МГц), с обработкой сигналов средствами ГОЭП на основе АОКВИ, позволяет повысить отношение сигнал/шум+помеха за счет пространственной обработки в угломестной плоскости, повысить ОСШ сложных сигналов за счет ПВ корреляционной (интерферометрической) обработки, а также в параллельном режиме выделить информацию об азимуте и угле места множества источников сигналов.

3. Восстановление модулирующей функции сигнала типа ФМн-МС с ППРЧ средствами ГОЭП возможно осуществлять на основе разработанных схем акустооптических модулей, различающихся сложностью аппаратной реализации, реализующих автокорреляционные алгоритмы поэлементной обработки, а также акустооптических корреляторов с пространственным интегрированием и программируемой импульсной характеристикой, реализующие обработку импульса в целом путем согласованной фильтрации.

4. Предложенная структура многофункционального ГОЭП АР на основе модулей обнаружения, диаграммообразования, анализа внутриимпульсной структуры и демодуляции, использующие единый источник когерентного излучения и единое устройство ввода, реализует последовательность операций, необходимых для перехвата (обнаружения, пеленгации, приема) сигналов ОСРТИ типа ВИМ-ППРЧ-МЦСК-ФМн-МС с полосой более 250 МГц и базой около 1 млн.

5. Результаты экспериментальных исследований макета ГОЭП АР по панорамному обзору радиосцены (диаграммообразованию), подавлению мешающих пространственных помех (режекции), извлечению временного сигнала и анализу внутриимпульсной структуры подтвердили возможность использования технологий ГОЭП для обработки сложных сигналов с ППРЧ в полосе более 250 МГц.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 199 машинописных страницах, включая 133 страницы основного текста, и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, трех приложений. Иллюстративный материал представлен в виде 68 рисунков и четырех таблиц. Список использованных источников включает 73 наименования.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Багно, Дмитрий Витальевич

Выводы по главе 4

1. ГОЭП приемной АР системы связи позволяет реализовать панорамный обзор пространства с использованием линейной АР, режекцию помех по пространству на 20-25 дБ, параллельный прием сигналов с ППРЧ от трех источников, а также оперативный спектральный анализ помеховой обстановки.

2. Разработанный макет ГОЭП АР на основе многоканального волноводного (интегрально-оптического) фазового ПВМС с электрическим управлением и фазового ПВМС на основе структуры МДП-ЖК с оптическим управлением позволяет реализовать задачи по п. 1.

3. Результаты экспериментальных исследований макета ГОЭП АР по панорамному обзору радиосцены (диаграммообразованию), режекции мешающих пространственных помех и извлечению временного сигнала подтвердили возможность использования многоканальных интегрально-оптических ПВМС с электрическим управлением в качестве устройств ввода сигнала АР в КОП. Достигнуто пространственное подавление помех до уровня 20 дБ. Экспериментальные исследования подтвердили правильность заложенных принципов и технологий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена разработке и исследованию антенных систем с многофункциональными гибридными оптоэлектронными процессорами, предназначенными для обнаружения, пространственного и временного разделения, анализа структуры, вскрытия основных параметров и приема сложных высокоинформативных сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты и пространственно-временной базой до 1 млн. Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы.

Основными направлениями развития ГОЭП являются: ГОЭП для обработки сигналов во временной области (АО спектроанализаторы, АО корреляторы с временным и пространственным интегрированием, АО демодуляторы, АО фильтры), ГОЭП обработки ПВ сигналов (ГОЭП сигналов АР, пеленгаторы-частотомеры, ГОЭП АР с режекцией помех, ГОЭП неплоских АР) и многофункциональные ГОЭП.

При обработке сигналов с полосой ДF >300.350 МГц или временной (пространственно-временной) базой в(вз)>106, требуемая скорость обработки превышает возможности электронных систем цифровой обработки даже при использовании в них современных быстродействующих и перспективных интегральных схем.

Акустооптические спектроанализаторы могут обрабатывать непрерывные и импульсные сигналы с базой AFAT я=103 в полосе от нескольких сотен до единиц ГГц на центральной частоте в единицы ГГц.

Акустооптические процессоры (корреляторы) позволяют:

- АОК ВИ - вести поиск по задержке в пределах от 1.50 мкс сигнала длительностью до единиц секунд в полосе частот до 1 ГГц (перспективны для применения в пассивной локации источников СШПсигналов с базой AFAT « 108);

- АОК ПИ - вести поиск по задержке в неограниченных пределах сигнала длительностью от 0.1 мкс при полосе частот до 1 ГГц до 50 мкс при полосе частот 100 МГц с базой AFAT « 103 (находят применение при обработке сигналов активной радиолокации и связи).

Акустооптические демодуляторы позволяют анализировать внутреннюю структуру импульсных (локационных ФМ радиосигналов) и непрерывных (связных сигналов с фазоразностной модуляцией ФРМ различных порядков) сигналов, работоспособны по одному сигналу; точность измерения т, составляет 5.10 не и зависит от отношения сигнал-шум и дифракционной эффективности используемых АОМ (5.5%/Вт для диапазона 1.5.2.0 ГГц и более 60%/Вт для диапазона 100-130 МГц); точность измерения модуля ф1 порядка 10.15°.

ГОЭП панорамных пеленгаторов-частотомеров позволяют обрабатывать сигналы антенных решеток с пространственно-временной базой сигналов ДГДГМ »106. С помощью многоканальных АОМ можно формировать до 50.100 параллельных пространственных каналов, каждый из которых может работать на частотах порядка 1 ГГц и иметь полосу пропускания 100.500 МГц.

Для повышения помехозащищенности панорамных пеленгаторов-частотомеров целесообразно использовать спектральный метод режекции мешающих пространственных сигналов, не нарушающий режим панорамного обзора и на современной оптоэлектронной элементной базе обеспечивающий адаптивное подавление помех на 25.30 дБ.

Неплоские АР с ГОЭП (в первую очередь, цилиндрические и кольцевые) реализуют панорамный обзор пространства по азимуту одновременно с корреляционной (спектральной) обработкой сигналов, при этом можно формировать до 50.100 параллельных пространственных каналов, каждый из которых может работать на частотах порядка 1 ГГц и иметь полосу пропускания 100.„500 МГц.

Интерферометрический алгоритм, реализуемый антенной системой с ГОЭП, обеспечивает обнаружение и пеленгацию множества источников сложных сигналов типа ОСРТИ. Абонент ОСРТИ в типичной ситуации будет обнаружен с вероятностью 0.9 на расстоянии 1800 км при вероятности ложной тревоги 0.001. При базе антенной системы 150 м в секторе 180° обеспечивается 250 элементов разрешения по углу, погрешность определения пеленга на источник находится в пределах 0.01°.1° при дальностях до 1 тыс. км.

Выявленная общность построения основных схем акустооптических корреляторов с временным интегрированием позволила провести их модификацию и предложить схемы АОКВИ для параллельной многоканальной обработки либо двумерной обработки сигналов антенной системы. Предложенная антенная система, объединяющая интерферометр и антенную решетку (база 100-300 метров, число каналов до 100 с полосой до 500 МГц), с обработкой сигналов средствами ГОЭП на основе АОКВИ, позволяет повысить отношение сигнал/шум+помеха за счет пространственной обработки в угломестной плоскости, повысить ОСШ сложных сигналов за счет ПВ корреляционной (интерферометрической) обработки, а также в параллельном режиме выделить информацию об азимуте и угле места множества источников сигналов.

Проведенный анализ алгоритмов восстановления внутриимпульсной модулирующей псевдослучайной последовательности сигнала типа ППРЧ-ФМн-МС показал, что для обеспечения равной вероятности ошибки при приеме на фоне нормального белого шума фильтровой приемник по сравнению с различными модификациями автокорреляционного позволяет работать при более низких ОСШ на 6.7-8.5 дБ. Однако, ввиду режима ППРЧ, реализация фильтрового приемника требует больших аппаратных затрат (параллельная обработка на всех частотах сетки ППРЧ).

Для реализации в составе многофункционального ГОЭП разработаны и исследованы модификации оптических схемы модулей внутриимпульсной обработки для поэлементного приема сигнала. Наиболее перспективными с точки зрения сложности аппаратной реализации, эффективностью использования света лазера и т.п. являются ГОЭП на основе фильтровой автокорреляционной обработки. Для приема импульса в целом предпочтительными являются оптоэлектронные демодуляторы на основе акустооптического коррелятора с пространственным интегрированием и программируемой импульсной характеристикой. Демодуляторы реализуют обработку импульса в целом путем согласованной фильтрации и позволяют при известном виде модулирующей ПСП снизить пороговое ОСШ на 8-13 дБ по сравнению с автокорреляционными поэлементными схемами. Результаты проведенных экспериментальных исследований разработанного макета оптоэлектронного демодулятора, реализующего фильтровой алгоритм обработки сигнала типа ФМн, на основе АОМ MJI-201 в режиме Брэгга (несущая частота 160 МГц, тактовая частота до 5 МГц) , подтвердили заложенные принципы и технологии.

Проведенные исследования послужили основой для разработки структурной, функциональной и оптической схем многофункционального ГОЭП, позволяющего осуществить последовательность операций, необходимых для перехвата (обнаружения, пеленгации, приема) сигналов ОСРТИ типа ВИМ-ППРЧ-МЦСК-ФМн-МС с полосой более 2 50 МГц и базой около 1 млн. Такой многофункциональный ГОЭП использует единый источник когерентного излучения, единое устройство ввода и объединяет следующие модули:

- модуль обнаружения (реализует интерферометрический алгоритм), формирующий на выходе информацию в координатах пеленг-спектр и пеленг-время;

- модуль диаграммообразования (реализует алгоритм помехозащищенного диаграммообразования), обеспечивающий подавление мешающих пространственных сигналов на глубину 20.25 дБ;

- модуль анализа внутриимпульсной структуры (реализует автокорреляционный алгоритм), обеспечивающий восстановление модулирующей ПСП и формирующий оценки амплитуды, длительности, количества элементов и тактовой частоты манипуляции;

- модуль демодуляции (реализует сжатие импульса), обеспечивающий восстановление информационного сигнала, а также восстановление частотно-временной матрицы ППРЧ и измерение момента прихода импульса.

Решение задач РЭР по обнаружению, пеленгации и вскрытию источников сложных ПВ сигналов с ППРЧ осуществляется в условиях значительной неопределенности. Ситуация существенно трансформируется, когда речь идет о задаче связи (о приеме сложных сигналов на "своей стороне"), когда полностью известна структура сигнала, имеется синхронизация и т.д. На передний план в этом случае выдвигаются требования панорамного обзора пространства, селекции источников радиоизлучения (свой, чужой, помеха), повышения помехоустойчивости за счет использования сложных сигналов и подавления (режекции) мешающих пространственных сигналов.

ГОЭП приемной АР системы связи позволяет реализовать панорамный обзор пространства с использованием линейной АР, режекцию помех по пространству на 20-25 дБ, параллельный прием сигналов с ППРЧ от трех источников, а также оперативный спектральный анализ помеховой обстановки. Эти задачи позволяет реализовать разработанный макет ГОЭП АР на основе многоканального волноводного (интегрально-оптического) фазового ПВМС с электрическим управлением и фазового ПВМС на основе структуры МДП-ЖК с оптическим управлением. Результаты экспериментальных исследований макета ГОЭП АР по панорамному обзору радиосцены (диаграммообразованию), режекции мешающих пространственных помех (достигнуто пространственное подавление помех до уровня 20 дБ) и извлечению временного сигнала подтвердили возможность использования многоканальных интегрально-оптических ПВМС с электрическим управлением в качестве устройств ввода сигнала АР в КОП, а также позволили выявить их достоинства и недостатки.

Приоритетная сфера приложений ГОЭП связана с созданием систем РЭР, предназначенных для обнаружения, пространственного и временного разделения, анализа структуры, вскрытия основных параметров и приема сложных высокоинформативных сигналов.

Основными тенденциями развития ГОЭП являются совершенствование оптоэлектронной базы (устройств ввода и вывода, динамических фильтров и т.п.), поиск новых приложений ГОЭП, разработка новых структурных схем и технических решений ГОЭП, преодоление специфических технологических и конструктивных трудностей (температурных, вибрационных и т.п.) и, безусловно, создание промышленных образцов, демонстрирующих достоинства оптоэлектронных средств обработки. Специфическое направление развития техники ГОЭП связано с возможностью реализации комплекса взаимосвязанных вычислительно сложных процедур обработки высокоинформативного сигнала в едином устройстве - многофукциональном ГОЭП.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Багно, Дмитрий Витальевич, 2003 год

1. Proceedings of the IEEE Radar Conference- Radar 2000 "A Global Perspective of Affordable Radar Systems for the New Millenium", May, 2000, Alexandria, Virginia, USA.

2. L.Lembo, J.Brok. Microwave Photonic Signal Processing for Wide Bandwidth Systems // DARPA AOSP Workshop. TRW Co. Dec 6, 2000.

3. Михайлуца К.Т., Ушаков В.Н., Чернышов Е.Э. Процессоры сигналов авиационно-космических радиосистем. Под ред. Е.Э. Чернышова. С.-Петербург, Радиоавионика, 1997. — 207 с.

4. Функциональные устройства обработки сигналов (основы теории и алгоритмы) / С. А. Баруздин, Ю.В. Егоров, Б. А. Калиникос и др. Под ред. Ю.В. Егорова. — М.: Радио и связь, 1997. 288 с.

5. Кочемасов В.Н., Долбня Е.В., Соболь Н.В. Акустоэлектронные Фурье-процессоры. — М: Радио и связь, 1987. — 168 с.

6. Das Р.К., DeCusatis С.М. Acoustooptic Signal Processing: Fundamentals & Applications, Artech House, Boston, London, 1991.

7. Jane's C3I Systems, 1993-1994 / Alexandria, Virginia, USA.: Jane's Information Group, 1993. P. 397.

8. Yu.V. Egorov, K.P. Naumov, V.N. Ushakov. Acousto-Optic Processors and Spectrum Analyzers: New Tecniques for Signal Processing. SPIE Optical Engeniring Press, Vol. PM33, August 1997. — P. 174.

9. B.B. Роздобудько. Широкополосные акустооптические измерители частотных и фазовых параметров радиосигналов // Радиотехника. — 2001. №1. - С. 79-92.

10. К.П. Наумов, А. Н. Рогов, В.Н. Ушаков. Аустооптические процессоры корреляционного типа // Зарубежная радиоэлектроника. — 1998. №2. - С. 38-48.

11. Егоров Ю.В., Наумов К.П., Ушаков В.Н. Акустооптические процессоры. — М.: Радио и связь, 1991. — 160 с.

12. N.A. Riza. Photonic Signal Processing for Antennas // DARPA AOSP Workshop. PIPS Labs. Dec 6, 2000.

13. A.Yu. Grinev. Radiooptical arrays (array antennas with Hybrid optoelectronic space-time signal processors) // Millenium

14. Conference on Antennas and Propagation, AP2000. 9-14, April, 2000. Davos, Switzerland.

15. D.V. Bagno. Adaptive hybrid opto-electroic processor of array antenna with parallel beam forming: theory and experiment // Millenium Conference on Antennas and Propagation, AP2000. 9-14, April, 2000. Davos, Switzerland. Vol. 1. - P. 213-216.

16. Воскресенский Д.И., Гринев А.Ю., Воронин Е.Н. Радиооптические антенные решетки. — М. : Радио и связь, 1986. — 224 с.

17. Transition of Optical Processors into Systems. Proc. SPIE, vol.1958 (1993), 2236 (1994), 2489 (1995).

18. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П. Перехват сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. // Радиотехника и электроника. — 2001. — Том 46, №3. — С.346-363.

19. В.Н. Саблин, О.В.Викулов, В. И. Меркулов. Авиационные многопозиционные системы многоканального наведения. Разведывательно-ударные комплексы. // Успехи современной радиоэлектроники. — 1998, №9. С. 3-31.

20. Jane's C4I Systems. 13th edition, 2001-2002 / Edited by

21. Clive Walker. Alexandria, Virginia, USA.: Jane's Information Group, 2001. - P. 151-153.

22. Кулаков С.В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа. — Л.: Наука, 1978. — 144 с.

23. M.D. Knootz, J.В. Wood. Transition of acousto-optics into EC systems. Proc. SPIE, 1993, vol.1958, pp. 52-59.

24. M.D. Knootz. Transition of acousto-optics into EC systems. Proc. SPIE, 1994, vol.2236, pp. 27-30.

25. A. E. Spezio. Electronic Warfire Channelizer and Precision Direction Finder Applications // Proc. SPIE. 1995. - Vol. 2489. -P. 116-127.

26. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / О. Б. Гусев, С. В. Кулаков, Б. П. Разживин, Д. В. Тигин; Под ред. С. В. Кулакова. — М.: Радио и связь, 1989. — 136 с.

27. N.A. Riza. In-line interferometric time-integrating acousto-optic correlator // Appl.Opt. 1994. - Vol.33, №14. - P. 3060-3069.

28. N.J. Berg, I.J. Abramovitz, J.N. Lee, M.W. Casseday. A new surface-wave acousto-optic time-integrating correlator // Appl. Phys. Lett. 1980. - Vol. 36, №4. - P. 256-258.

29. Rogov A.N., Sergienko А.В., Ushakov V.N. Detection and estimation of stochastic signal parameters by quadrature time-integrating acousto-optic correlator // Proc. SPIE. — 1993. — Vol. 2051. P. 660-665.

30. Гринев А.Ю., Воронин E.H., Темченко B.C. Проектирование радиооптических антенных решеток. — М.: МАИ, 1989. — 68 с.

31. В.Н. Ушаков. Реализация высокочастотных фильтров на основе нового режима работы акустооптического коррелятора с пространственным интегрированием // Квантовая электроника, 1995, т.22, №10, с. 971-974.

32. Lambert L., Arm М., Aimette A. Electro-optical signal processor for phased array antennas. — In.: Optical and electro-optical information processing/Ed. by J.T. Tippet et. al. — Inst, of Techn. Press, Cambridge, 1965, p. 715-748.

33. А.Ю. Гринев, Д.В. Багно. Гибридный оптоэлектронный процессор пространственно-временных сигналов // Радиотехника. — 2001. — №3. — С. 42-51.

34. А.Ю. Гринев, Д.В. Багно. Антенная решетка с обработкой сложных пространственно-временных сигналов многофункциональным гибридным оптоэлектронным процессором // Антенны. — 2000г. — №3(46). С. 27-36.

35. А.Ю. Гринев, Д. В. Багно. Многофункциональный гибридный оптоэлектронный процессор сложных пространственно-временных сигналов // Вестник МАИ. 2001. - Том 8. - №1. - С. 53-63.

36. A.Iu. Grinev, D.V. Bagno. Array Antenna Hybrid Electrooptical Processor For Communication System // In: Proc. of the 4th Student exchange seminar, Technical University Munich—Moscow Aviation Institute.' April 18-23, 1996. Moscow, Russia. P. 34-39.

37. Гринев А.Ю., Воронин Е.Н., Темченко B.C. Плоские радиооптические антенные решетки с режекцией мешающих сигналов по направлению прихода// Изв. вузов. Радиофизика, 1980, №7, с. 849-863.

38. Antony W. Sarto, Robert Т. Weverka, Kelvin Wagner. Photorefractive phased-array-radar processor dynamics. Proc. SPIE, 1993, vol.2026, p. 310-324.

39. Остронаправленный параллельный прием радиоизлучения конформными антенными решетками с когерентно-оптической обработкой // Изв. вузов. Радиофизика, 1980, №2, с. 197-201.

40. Гринев А.Ю., Свет В.Д., Темченко B.C. Когерентный оптический процессор кольцевых антенных решеток//Автометрия, 1985, N'5, с. 56-63.

41. Overview of Link-16. — Logicon, Inc., paper 116-02-002. — 1999r., p. 1-8. http://www.logicon.com/lkl6pap.pdf

42. Клименко Н.Н., Кисель В.В., Гончар А.Н. Объединенная система распределения тактической информации ДЖИТИДС / / Зарубежная радиоэлектроника. — 1988, N'5. — С. 85-96.

43. Клименко Н.Н., Кисель В.В., Замарин А. И. Сигналы с расширением спектра в системах передачи информации // Зарубежная радиоэлектроника. — 1983, №11. — С. 45-59.

44. Емельянов П.Б., Парамонов А.А. Дискретные сигналы с непрерывной фазой // Зарубежная радиоэлектроника.— 1990, №12. С. 17-34.

45. Аджеметов С.С., Кастейянос Г.Ц., Смирнов Н.И. Перспективы ф применения частотно-манипулированных сигналов с непрерывной фазой //

46. Зарубежная радиоэлектроника. — 1987, №9. С. 3-9.

47. Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. — М. : Сов. радио, 1978. — 320 с.

48. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. — М. : Радио и связь, 1993. 416 с.

49. Н.М. Цейтлин. Антенная техника и радиоастрономия. — М.: Сов. радио, 1976. 352 с.

50. Detection of spread spectrum signals. A.W.Houghton,

51. C.D.Reeve. PCT №PCT/GB95/02222, Mar 19, 1997. 5,955,993.

52. A.W. Houghton, C.D. Reeve. Detection of spread-spectrum signals using the time-domain filtered cross spectral density // IEE Proc. Radar, Sonar Navig. 1995. - Vol. 142, №6. P. 286-292.

53. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. — М.: Мир, 1971. 496 с.

54. Радиоэлектронные системы (основы построения и теории). Справочник / Под. ред. Я.Д. Ширмана. М. : ЗАО "МАКВИС", 1998 . - 828 с.

55. И.Я. Иммореев, Д.В. Федотов. Оптимальная обработки радиолокационных сигналов с неизвестными параметрами // Радиотехника. 1998, №10. - С. 84-88.

56. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.

57. Гринев А.Ю., Воронин Е.Н., Рымов А.А. Радиооптическая антенная решетка со сжатием длинного ЛЧМ сигнала // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1990. - №8. - С. 45-51.

58. Престон К. Когерентные оптические вычислительные машины. — М. : Мир, 1974. 399 с.

59. Питерсон У., Уэлдон Э. Коды, исправляющие ошибки. — М. : Мир, 1976.

60. Ю.Б. Окунев. Цифровая передача информации фазомоду-лированными сигналами. — М.: Радио и связь. — 1991. — 296 с.

61. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. / Г. И. Тузов, В.А. Сивов, В.И. Прытков, Ю.Ф. Урядников, Ю.А. Дергачев, А.А. Сулиманов; Под ред. Г.И. Тузова. — М.: Радио и связь, 1985. — 264 с.

62. Петрухин Г. Д. Фотоэлектронные умножители в режиме радиогетеродинирования. — М.: Радио и связь, 1983, 88 с.

63. Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высшая школа,1988. 432 с.7 3 Белоусов А.П., Каменецкий Ю.А. Коэффициент шума. — М.: Радио и связь, 1981.