Диссертация (1102680), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Проведенные тесты во время настройкигенераторов M8190A и PSG E8267D показывают, что использование более высокой несущейчастоты порядка 30 ГГц и, соответственно, осциллографа с полосой частот до 33 ГГц позволяютполучать наносекундные импульсы с более качественными фронтами.41а)б)г)в)д)Рисунок 2.8. Экспериментальная установка и временные формы радиоимпульсов с несущей частотой 10 ГГц иразной длительностью: а) блок-схема установки; б) фотография установки; в) радиоимпульс 1.5 нс; г) радиоимпульс3 нс; д) радиоимпульс 6 нс.422.2.2.

Схема проведения экспериментов. Описание модельного объектаДля выявления основных принципов, позволяющих получать радиоизображения сложныхцелей (самолет, автомобиль, катер, баржа и др.), очень важным является пониманиеосновополагающих особенностей при отражении наносекундного радиоимпульса от объектовпростой геометрической формы.Эксперименты по локационным измерениям проводились на небольших расстояниях вбезэховой камере, для того чтобы в приемник не проникал сигнал от работы устройствбеспроводной связи (сотовая связь, Wi-Fi и др.), так как полоса частот работы антенныполностью перекрывала этот диапазон. В качестве облучаемой цели был изготовлен модельныйобъект, представляющий собой узкую деревянную дощечку длиной 157 см, на которуюкрепились в два ряда по 19 штук хаотически плотно скрученные дискообразной формы моткиметаллической проволоки.

Плоскости мотков располагались параллельно деревянной дощечке.В ходе предварительных экспериментов было установлено, что плотно скрученные моткиметаллической проволоки хорошо рассеивают СВЧ излучение. Диаметр дискообразного моткапроволоки составлял в среднем 8.5 см, а толщина мотка – около 3 см.В первой серии экспериментов доска с мотками проволоки, в дальнейшем называемаямодельный объект, устанавливалась вертикально на расстоянии 325 см от рупорной антенны (вположении при угле места 00). Высота до оси вращения рупора по углу места составляла 165 см.Разность расстояний от плоскости антенны рупора (в положении при угле места 00) до верхнегоконца модельного объекта и до нижнего конца составляла около 36 см.

На рисунке 2.9а вверхуприведена схема эксперимента, а на рисунке 2.9б – фотография модельного объекта,установленного вертикально в безэховой камере.Во второй серии экспериментов модельный объект устанавливался под углом около 610 кгоризонту, так что горизонтальное расстояние от плоскости антенны до нижнего концамодельного объекта составляло 205 см, а до верхнего – 280 см, как показано на схеме на рисунке2.9а внизу.Подготовительный эксперимент заключался в калибровке экспериментальной установки,выявлении паразитных сигналов (переотражений и не идеальных согласований) и определении“нулевой” дальности, соответствующей плоскости раскрыва рупора.43а)б)Рисунок 2.9.

Схема проведения экспериментов: а) модельный объект расположен вертикально – вверху, модельныйобъект наклонен – внизу; б) фотография вертикально установленного модельного объекта в безэховой камере.2.2.3. Сканирование модельного объекта радиоимпульсами различной длительностиПервый локационный эксперимент проводился с вертикально расположенным модельнымобъектом по схеме, изображенной на рисунке 2.9а вверху. Блок генерации сигнала формировалрадиоимпульсы длительностью 1.5 нс на несущей частоте 10 ГГц. Осуществлялось сканированиеобъекта по азимуту и по углу места при помощи ручного механического поворота антенны.Объект сканировался по углу места в пределах от -300 до 40 с шагом 10, а по азимуту – от -310 до-90 с шагом 20.

Значения отношения амплитуд сигнал/шум на приемнике находились в диапазонеот 2 до 10.Отраженный сигнал при каждом угле поворота антенны записывался на осциллографеAgilent DSOX91304 в файл в цифровом виде. Записанные данные обрабатывались на ПК. Длякаждого файла с соответствующим отраженным сигналом осуществлялась привязка сигнала повремени с учетом “нулевой” задержки – дальности, измеренной в ходе предварительныхэкспериментов. Далее находилось среднее значение всех локальных максимумов и минимумов(по амплитуде), после чего сигнал сдвигался с учетом этого среднего значения в уровень 0 мВ.Данная операция проводилась для того, чтобы отбросить постоянную составляющую понапряжению, если вдруг таковая имелась.

Далее производилась операция модуля, после которойнаходились значения локальных максимумов. Эти значения интерполировались линейно.Полученные данные возводились в квадрат. Тем самым, описанная процедура сходна сквадратичным детектированием.44Отраженный сигнал при каждом угле поворота антенны после процедуры квадратичногодетектирования визуализировался в виде цветной горизонтальной полосы некоторой ширины,цветовая шкала которой масштабировалась относительно максимума квадрата амплитуды извсех отраженных сигналов. Таким образом, распределение цвета горизонтальной полосы повременной шкале соответствовало распределению квадрата огибающей отраженного сигнала отвременной задержки.

При фиксированном азимуте поворота антенны строился график вкоординатах: угол места – временная задержка, на котором каждому углу места соответствоваласвоя цветовая полоса.Следующиелокационныеэкспериментыпроводилисьтакжесвертикальнорасположенным модельным объектом по схеме, изображенной на рисунке 2.9а вверху, но с болеедлинным зондирующим радиоимпульсом длительностью 3 нс. Объект сканировалсярадиоимпульсами длительностью 3 нс по углу места в пределах от -300 до 40 с шагом 10, а поазимуту – от -280 до -100 с шагом 20.

Также осуществлялось сканирование объектарадиоимпульсами длительностью 6 нс по углу места в пределах от -240 до 40 с шагом 20, а поазимуту – от -340 до -100 с шагом 20.Во второй серии экспериментов лоцируемый объект устанавливался наклонно, согласносхеме на рисунке 2.9а внизу. Объект сканировался радиоимпульсами длительностью 1.5 нс поуглу места в пределах от -380 до 40 с шагом 20, а по азимуту – от -160 до 40 с шагом 20.Во время проведения эксперимента ожидалось, что отраженный сигнал будетпредставлять собой радиоимпульс, который будет перемещаться по временной шкале суменьшением (по модулю) угла места поворота приемно-передающей антенны. Однаконаблюдалась совершенно иная картина.

На осциллографе (при сканировании объекта по углуместа) отраженный сигнал представлял собой два радиоимпульса, положение которых повременной шкале практически не менялось, при этом происходило “перетекание” энергии(наблюдалось по амплитуде) между импульсами. На рисунке 2.10 приведены характерныевременные формы сигналов, отраженных от модельного объекта (расположен вертикально,согласно схеме на рисунке 2.9а вверху), сканируемого радиоимпульсами длительностью 1.5 нс,при азимуте -210 и углах места а) -170 и б) -30.По данному рисунку видно, что при разных углах места -170 и -30 поворота антенны наобоих графиках присутствуют два радиоимпульса (отмечены цифрами 1 и 2), расположенные повременным задержкам примерно равным 22.2 нс, 23 нс и 21.8 нс, 22.9 нс соответственно.

Длятого чтобы разобраться с этим, предлагается теоретическая модель, описанная в следующемразделе 2.2.4.45а)б)Рисунок 2.10. Временные формы сигналов, отраженных от модельного объекта, сканируемого радиоимпульсамидлительностью 1.5 нс при азимуте -210 и углах места а) -170 и б) -30.2.2.4. Теоретическая модель и объяснение экспериментальных результатовИнтерпретируем экспериментальные результаты, полученные в разделе 2.2.3., припомощи теоретической модели, построенной на основе принципа Гюйгенса–Френеля. Пусть изисточника (в данном случае рупорной антенны) распространяется импульсное излучение,имеющее амплитуду волны U 0 t  .

Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, сферическая волна отисточника достигает поверхности модельного объекта, и на ней появляются вторичныеисточники. Эти вторичные источники испускают сферические волны, которые интерферируют вточке приема, т.е. в рупорной антенне, одновременно являющейся как излучательной, так иприемной. Схема теоретической модели численного эксперимента приведена на рисунке 2.11а.На расстоянии d = 325 см, как в эксперименте, от источника расположим облучаемый объект,который представим в виде 19 точечных переотражателей, имеющих известную диаграммуобратного рассеивания (ДОР), расположенных на одном вертикальном отрезке длиной L = 157см на расстоянии l1 = 8.26 см друг от друга. При этом, расстояние от верхнего конца отрезка допервого точечного переотражателя должно составлять l0 = 4.13 см.Разобьем ось y облучаемого объекта, имеющего форму длинной прямоугольнойдощечки, на маленькие отрезки размера dy . На первом этапе волна, излученная антенной,достигает модельного объекта и, пройдя расстояние r , зависящее от координаты y , падает поамплитуде на величину 1 r и приобретает задержку по времени r c , где c – скорость света.46а)б)г)в)д)е)Рисунок 2.11.

Теоретическое моделирование: а) вычислительная модель; б) фото эксперимента по измерению ДОРодного отражательного элемента; в) измеренная ДОР отражательного элемента в полярных координатах; г)измеренная и аналитическая ДОР отражательного элемента в декартовых координатах; д) диаграмманаправленности приемно-передающей антенны; е) реальный и аналитический радиоимпульс длительностью 1.5 нс.47Тогда амплитуда волны описывается формулойU  y, t   U 0  t r 1   f ДНА   ,c r(2.2)где f ДНА   – диаграмма направленности антенны ДНА.

На втором этапе отражения волны,учитывая принцип Гюйгенса–Френеля, поле от каждого вторичного источника, имеющегодиаграмму обратного рассеяния f ДОР   , попадает обратно в антенну и с учетом диаграммынаправленности антенны f ДНА   имеет суммарную амплитуду, выражаемую по формулеy~ 2 U   U  y, t y1r 1   f ДНА    f ДОР    dy .c r(2.3)Так же, как и на первом этапе распространения, волна приобретает временную задержкуr c и падает по амплитуде на величину 1 r .

Подставляя формулу (2.2) в (2.3), получаемвыражение для амплитуды отраженной волны на приемникеy2r  1~ 2 2U   U 0  t    2  f ДНА    f ДОР    dy .c  ry1(2.4)Расстояние r от антенны до точечных переотражателей имеет 19 дискретных значений.Тогда выражение (2.4) переписывается в виде~ 19 2rU  U 0  t  icri  r1r 12  2  f ДНА    f ДОР   . ri(2.5)ДОР одного отражательного элемента измерялась экспериментально. Хаотическискрученный моток проволоки дискообразной формы крепился вертикально к тонкой деревяннойрейке, которая в свою очередь крепилась к оси специального поворотного столика.

Высота, накоторой крепился моток проволоки, соответствовала высоте рупорной антенны. Фотографииэксперимента представлены на рисунке 2.11б. Поворотный столик поворачивался с шагом 10относительно неподвижного основания (поворотные столики такого типа, как правило,используются в безэховых камерах для измерения диаграмм направленностей разрабатываемыхантенн). Моток проволоки облучался радиоимпульсом длительностью 1.5 нс с несущей частотой10 ГГц. При каждом угле поворота мотка проволоки относительно вертикальной оси записывалсяотраженный сигнал.

На ПК в специальной программе для каждого угла находился максимумотраженного сигнала и строился график ДОР в полярных координатах. График ДОР в полярныхкоординатах с линейным масштабированием представлен на рисунке 2.11в. Измеренная ДОРизображена сплошной кривой в декартовых координатах в диапазоне углов от -900 до 900 нарисунке 2.11г. На том же графике пунктирной кривой изображена аналитическая ДОР,48полученная аппроксимированием реальной экспериментальной ДОР.

Характеристики

Список файлов диссертации