Автореферат (Пеленгаторные антенные решетки коротковолнового диапазона с высокоточным способом пеленгования)

На правах рукописиВАСИН Антон АлександровичПеленгаторные антенные решетки коротковолнового диапазонас высокоточным способом пеленгованияСпециальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииСпециальность 05.12.14 – Радиолокация и радионавигацияАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2012Диссертационная работа выполнена на кафедре 406 «Радиофизика, антенны имикроволноваятехника»МосковскогоАвиационногоИнститута(национального исследовательского университета).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорПономарев Леонид ИвановичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорТрошин Георгий Ивановичдоктор технических наук, профессорЧеремисин Олег ПавловичВедущая организация:18 ЦНИИ МО РФЗащита диссертации состоится «29» мая 2012 г.

в 10:00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 в Московском Авиационном Институте(национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва,А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского АвиационногоИнститута (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «_____» ______________ 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.03, к.т.н., доцент_________________2М.И. СычевОБЩАЯ ХАРАК ТЕРИС ТИК А РАБОТЫАктуальность темы диссертацииЗадача определения параметров (направлений прихода и амплитуд)сигналовназемныхисточниковрадиоизлученияиосуществлениерадиомониторинга в коротковолновом (КВ) диапазоне до настоящего времениостается весьма актуальной.

Это связано со спецификой сигнально-помеховойобстановки в этом диапазоне и естественными особенностями распространенияпеленгуемых сигналов одной частоты, поступающих на вход антенны, какправило, с нескольких направлений в условиях многолучевого распространенияволн. Кроме того, к принципиальным особенностям сигнально-помеховойобстановки, в которой приходится функционировать антенным устройствамрадиопеленгаторов КВ диапазона, следует отнести существенный уровеньпомех во всей полосе частот в связи с резким ростом числа радиосредств нетолько военного, но и гражданского назначения, а также зачастую малыйуровень полезного сигнала. Перечисленные выше обстоятельства не позволяютсчитать задачу радиопеленгования в КВ диапазоне успешно решенной.Наряду с широко известными пеленгаторными антеннами в последниегоды интенсивно развивалось направление пеленгования КВ сигналов спомощью малоразмерных антенных решеток (АР) с цифровой обработкойинформации. Для подобных АР в литературе широко употребляется термин«цифровые антенные решетки» (ЦАР).

В задачах радиомониторинга в КВдиапазоне определенную сложность представляют вопросы двумерногопеленгованиясигналов,поступающихнавходАРснаправлений,характеризующихся малым угловым разносом в азимутальной (1 – 2) идостаточно большим разносом в угломестной (25 – 40) плоскостях. В этомслучае наблюдается ситуация, когда в пределах главного лепестка диаграммынаправленности (ДН) приемной антенны оказывается несколько сигналов,приходящих с различных направлений. Это приводит к тому, чтопространственное разделение источников по углу оказывается невозможнымиз-за малости электрических размеров антенны, что не позволяет эффективноосуществить пространственную фильтрацию принимаемых сигналов даже вадаптивных АР этого диапазона и является еще одним характернымограничением, присущим процессу пеленгования в диапазоне коротких волн.Также ситуацию пеленгования сигналов с помощью АР в этом диапазоне3осложняет явление многолучевости, которое приводит к сильной корреляциилучей, поступающих на вход АР от одного и того же источника.Следует отметить, что задача высокоточного определения угловыхкоординат сигналов в условиях многолучевого распространения волн возникаетне только в диапазоне коротких волн, но и в гораздо более высокочастотныхдиапазонах, которые используются, например, в системах спутниковойнавигации, системах радиовидения и др.

Например, для систем спутниковойнавигации характерна ситуация, когда на вход приемного устройства поступаетдва сигнала – прямой и отраженный от земли. При этом на входе антеннынаблюдаются сигналы с сильной корреляцией, которые трудно разделить из-заслабой направленности антенны. Это, в свою очередь, приводит кзначительным ошибкам позиционирования.Значительный вклад в развитие теории пеленгования с использованиемантенных решеток в сложной сигнально-помеховой обстановке внеслиследующие ученые: Черемисин О.П., Гершман А.Б., Караваев В.В., ДрогалинВ.В., Marple S.L.

JR, Capon J., Stoica P., Ottersten B., Viberg M., Kaveh M.,Friedlander B., Weiss A., Manikas A., Pillai U., Wax M. Также вопросами теориии разработки устройств в этой области занимаются такие специалисты, какГрешилов А.А., Виноградов А.Д., Нечаев Ю.Б., Бобрешов В.Г., РембовскийА.М., Ашихмин А.В, Вертоградов Г.Г., Шевченко Н.М., Хомсков Е.В., ХомсковА.Е., Сычев М.И. и другие.Цель работыЦельюданнойработыявляетсяисследованиевозможностииспользования малоразмерных антенных решеток (с базой от десятых долей доединиц длины волны пеленгуемых сигналов) для высокоточного (до 1)пеленгования сигналов в условиях многолучевого распространения волн в КВдиапазоне, и разработка способа, направленного на повышение точностипеленгования многолучевых сигналов в таких антенных решетках.Для достижения поставленной цели в работе решены следующиеосновные задачи: проведены обзор и анализ литературы по теории и техникепеленгаторных антенных решеток и методам пеленгования длявыяснения требований, предъявляемых к АР радиопеленгаторов КВдиапазона;4 разработан и обоснован способ определения количества, направленийприхода и амплитуд сигналов в условиях многолучевогораспространения волн при помощи малоэлементной ЦАР,позволяющий улучшить характеристики существующих пеленгаторовпутем анализа введенных сигнальных и шумовых собственных ДНАР1; проведены численное моделирование и анализ эффективностиразработанного способа в ЦАР при условии действия на входе АРпространственного белого шума; определеновлияниеосновныххарактеристикнаправленностилинейных и кольцевых АР КВ диапазона, а также взаимодействияизлучателей в этих решетках на эффективность пеленгования спомощью развитого способа; установленовлияниеограниченностидинамическогодиапазонаприемного устройства на точность определения основных параметровсигналов с помощью разработанного способа, и проанализированывозможные пути устранения этого влияния; проведеноимитационноемоделированиеэффективностиразработанного способа на 16-элементной пеленгаторной кольцевойантенной решетке (диаметр которой в нижней части диапазонарабочих частот составляет приблизительно 1/3 длины волныпеленгуемых сигналов).Методы исследований, используемые для решения поставленных вдиссертации задач, основываются на применении электродинамическихметодов теории антенн, численных методов математического анализа имоделирования, матричного аппарата линейной алгебры.

Численныерезультаты, приведенные в работе, получены на основе компьютерногомоделирования с использованием вычислительных алгоритмов, реализованныхв математическом программном пакете MathCad.1Сигнальными и шумовыми собственными ДН АР здесь и в дальнейшем для краткости будем называть ДН АРпри возбуждении излучателей АР компонентами комплексно-сопряженных сигнальных и шумовыхсобственных векторов корреляционной матрицы входных сигналов.

Отметим, что впервые понятиесобственных диаграмм направленности было введено в книге: Монзинго Р.А. Адаптивные антенные решетки:Введение в теорию / Т.У. Миллер, Р.А. Монзинго // М.: Радио и связь, 1986. – 447 с.5Научная новизна работы заключается в разработке и теоретическомобосновании высокоточного способа пеленгования узкополосных сигналов КВдиапазона по введенным N собственным ДН N-элементной АР с получениемсистемы функциональных уравнений относительно этих ДН с цельюопределения количества многолучевых сигналов, направлений прихода иамплитуд этих сигналов. Алгоритм эквивалентен введению N – 1 суммарноразностных ДН АР и определению направлений прихода многолучевыхсигналов из условий максимизации и минимизации мощности, принимаемой поэтим ДН.

С использованием этого алгоритма проведено численноеимитационное моделирование эффективности пеленгования для разныхотношений сигнал/шум. Установлена степень влияния взаимодействияизлучателей в АР КВ диапазона на точность определения параметровмноголучевых сигналов. Проанализировано влияние ограниченностидинамического диапазона входных цепей приемных устройств на точностьпеленгования.Практическая значимость результатов работыПроведенные в процессе работы над диссертацией аналитическиеисследования разработанного способа определения параметров пеленгуемыхсигналов и анализ результатов численного и имитационного (на примере 16элементной кольцевой АР) моделирования показали возможность примененияэтого способа на практике в радиопеленгаторах КВ диапазона смалоэлементными линейными, кольцевыми и крестообразными АР,функционирующими в условиях многолучевого распространения волн.Реализация и внедрение результатов работыРезультаты диссертационной работы нашли практическое применение.