Диссертация (1102680), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Принцип работы блока генерации сверхкоротких58радиоимпульсов был описан в главе 2 (раздел 2.3.1.). В экспериментальных исследованияхиспользовались радиоимпульсы длительностью 1.5 нс, 3 нс, 6 нс и 7.5 нс с несущей частотой 10ГГц. Период повторения импульсов составлял 200 нс, а импульсная мощность выходного сигнала– около 300 мВт.
В качестве блока приемника использовался 4-х канальный цифровойосциллограф реального масштаба времени Agilent DSA-X 93204A с полосой частот до 32 ГГц.Максимальная скорость работы аналого-цифрового преобразователя осциллографа составляла80 Гвыб/с при разрядности 8 бит. Осциллограф позволял записывать необходимые сигналы вцифровом виде, которые в дальнейшем обрабатовались на персональном компьютере. Нарисунках 3.1 а и б приведены блок-схема экспериментальной установки и ее фотографиясоответственно.Антенная система (АС) состояла из опорно-поворотного устройства (ОПУ) и двух антенн– передающей и приемной.
Напомним, что в экспериментах, описанных в главе 2 (раздел 2.3.),излучение и прием осуществлялись на одну антенну, а ферритовый циркулятор (полоса частот8–12 ГГц, развязка около 17–20 дБ) осуществлял развязку между передающим и приемнымтрактами. Однако, как оказалось, такой развязки недостаточно, в связи с этим в последующихэкспериментах было использовано две антенны. В качестве передающей A1 и приемной A2антенны использовались соответственно две широкополосные (полоса частот 0.85–17.44 ГГц)измерительные рупорные антенны П6-23А (ширина диаграммы направленности антенны вобласти частоты 10 ГГц по уровню -3 дБ в E -плоскости составляет около 7.50, а в H -плоскости– около 8.50). ОПУ было изготовлено вручную, оно представляло собой круглую неподвижнуюплатформу, установленную на некоторой высоте.
К неподвижной платформе при помощи двухподшипников устанавливалась соосно круглая поворотная платформа, на которую крепилисьштатные держатели (имеют механизм ориентации по углу места и поворот плоскостиполяризации) с передающей и приемной антеннами. На неподвижной платформе былазакреплена шкала с делениями (шаг 0.20), а на поворотной – указательная стрелка. Такимобразом, ОПУ позволяло проводить измерения по азимуту с шагом 0.10 в диапазоне углов от -900до +900 и по углу места с шагом 10 в диапазоне от -400 до +1000, а также поворачивать плоскостьполяризации в пределах от -950 до +950. Фотография АС приведена на рисунке 1в. Высота отуровня пола до оси вращения рупоров (по углу места) составляла H = 187 см. Размеры раскрыварупора составляют: длинная стенка – L = 34.5 см, короткая стенка – S = 26 см. Рупорафиксировались к ОПУ так, что их продольные оси были всегда параллельны.
Пригоризонтальном расположении длинных стенок передающего и приемного рупоров расстояниемежду их ближайшими краями составляло G = 9 см, как показано на схеме на рисунке 3.2а.59а)б)в)Рисунок 3.1. Экспериментальная установка: а) схема установки; б) фотография установки; в) фотография антеннойсистемы.Сигнал с выхода блока генерации сверхкоротких радиоимпульсов через прямой каналнаправленного ответвителя (НО) попадал в передающую антенну АС. В свою очередь, этот жесигнал с направленного выхода НО через линию задержки и аттенюатор подавался на канал-3цифрового осциллографа. Данная “петля” была организована для возможности наблюдения изаписи исходного сигнала с блока генерации.
Используемый коаксиальный направленныйответвитель имел полосу частот от 1 до 18 ГГц и коэффициент ответвления -20 дБ. Линиязадержки состояла из нескольких последовательно подключенных коаксиальных кабелей. Еедлинаопределяласьвременнойзадержкой,необходимойдлясмещенияисходногорадиоимпульса в ту же область развертки осциллографа, что и у принятого отраженного сигнала.60Коэффициент подавления аттенюатора составлял -10 дБ. Аттенюатор был необходим дляпредотвращения перегрузки входного канала-3 осциллографа относительно мощным сигналом сблока генерации. В свою очередь, на канал-2 осциллографа подавался синхроимпульс с выхода“sample mrk out” генератора произвольных сигналов Agilent M8190A.
Осциллограф работал врежиме внешней синхронизации по каналу-2. Сигнал с приемной антенны подавался черезполосовой фильтр (ПФ) на канал-1 осциллографа. ПФ был необходим, для того чтобы в приемникне проникал сигнал от работы устройств беспроводной связи (сотовая связь GSM: 900 и 1800МГц; 3G: 2000–2100 МГц; 4G: LTE 791–862 МГц, Wi-Max 2500–2600 МГц; Wi-Fi: 2,4–2,5 ГГц и5 ГГц и др.), так как диапазон частот работы антенны полностью перекрывал этот диапазон.Значения амплитудно-частотной характеристики ПФ на некоторых реперных частотахприведены в таблице 1, а значения неравномерности группового времени запаздывания – втаблице 2.Полоса пропускания ПФ находится в области частот от 7.7 до 11.8 ГГц, затухание в этойобласти составляет около 1–2 дБ. ПФ давит паразитные сигналы на частотах ниже 4 ГГц,обусловленные современными стандартами беспроводной связи, более чем на 80 дБ.Предварительные эксперименты показали, что при прямом подключении рупорной антенны П623А к цифровому осциллографу (с уровнем собственных шумов около 1 мВ) уровень амплитудыпаразитных сигналов составлял около 100–200 мВ.
Отсюда следует, что при включении ПФ навходе приемника, в данном случае роль которого выполняет осциллограф, паразитные сигналы,лежащие в области частот ниже 4 ГГц, будут подавлены до уровня амплитуды около 10–20 мкВ.Такой коэффициент подавления ПФ полностью удовлетворяет условиям проведенияэксперимента.Таблица 1АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАПОДАВЛЕНИЕПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯПОДАВЛЕНИЕ4 ГГц6 ГГц7.68 ГГц9 ГГц11 ГГц11.78 ГГц 13.36 ГГц 16.53 ГГц-81.96 дБ -51.45 дБ-2.01 дБ-1.13 дБ-1.44 дБ-2.21 дБ-40.96 дБ -82.07 дБТаблица 2НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ГРУППОВОГО ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ9 ГГц9.45 ГГц9.87 ГГц10.43 ГГц11 ГГц-89.330-91.630-90.100-89.110-91.040Второй важной характеристикой ПФ является неравномерность группового временизапаздывания.
Для данного ПФ в полосе частот 9–11 ГГц максимальное значениенеравномерности составляет 2.50. Это вполне удовлетворяет тому, чтобы используемыйрадиоимпульс на несущей частоте 10 ГГц и максимально короткой длительности 1.5 нс(частотный спектр такого радиоимпульса с боковыми лепестками находится в диапазоне61примерно 9–11 ГГц) не искажал своей формы, т.е сохранял свои фронты, длительность которыхсоставляет около 700 пс, при прохождении через ПФ.Третьей важной характеристикой является коэффициент стоячей волны по входу и повыходу ПФ в диапазоне полосы пропускания, он в среднем имеет значение примерно 1.4.3.2.
Методика обработки экспериментальных данныхМетодика обработки экспериментальных данных заключалась в следующем. Отраженныйсигнал (при каждом угле поворота платформы ОПУ) записывался на осциллографе в файл вцифровом виде в формате “.csv”. Записанные данные обрабатывались на ПК.1. Для каждого файла с соответствующим отраженным сигналом осуществляласьпривязка сигнала по времени с учетом “нулевой” задержки – дальности, измеренной в ходепредварительных экспериментов. Находилось среднее значение амплитуд всех локальныхмаксимумов и минимумов, после чего сигнал сдвигался с учетом этого среднего значения вуровень 0 мВ.
Данная операция проводилась для того, чтобы убрать постоянную составляющуюпо напряжению, если вдруг таковая имелась.2. Производилась операция модуля, после которой находились значения локальныхмаксимумов. Эти значения интерполировались линейно. Полученные данные напряжения (взависимости от времени) возводились в квадрат. Такая процедура сходна с квадратичнымдетектированием.3.
Отраженный сигнал (при каждом угле поворота ОПУ) после процедуры квадратичногодетектирования визуализировался в виде цветной горизонтальной полосы некоторой ширины.Цветовая шкала масштабировалась (по линейному/логарифмическому закону или иначе)относительно максимума квадрата амплитуды из всех отраженных сигналов при всех углах.Такимобразом,распределениецветагоризонтальнойполосы повременнойшкалесоответствовало распределению квадрата огибающей отраженного сигнала от временнойзадержки.4.
При фиксированном угле места поворота ОПУ строился график в координатах: азимут– временная задержка, на котором каждому углу места соответствовала своя цветовая полоса.5. В случае если сканирование осуществлялось не только по азимуту, а в полном растреуглов (угол места – азимут), тогда для каждого угла места строилась соответствующая цветоваякартина (азимут – временная задержка). Итоговый результат представлял собой суммированиеквадратов огибающих (от временной задержки) для всех углов места при каждом фиксированномазимуте. В результате, экспериментальные данные также представлялись на одном графике вкоординатах: азимут – временная задержка.626. Экспериментальные данные также представлялись в несколько ином виде.
Вместоописанного в процедуре 3 линейного/логарифмического масштабирования осуществлялосьследующее. Выбиралось пороговое значение уровня квадрата амплитуды (в единицах мВ2), нижекоторого считалось, что присутствует только шум, выше – сигнал. Тогда шум визуализировалсяна итоговом графике белым цветом, а сигнал – черным.
Такой способ визуализации такжепозволял получать четкие и информативные радиоизображения.Таким образом, разработанная экспериментальная установка позволяла проводитьлокационные эксперименты с возможностью ручного механического сканирования по углулоцируемыхобъектоврадиоимпульсаминаносекунднойдлительности.Разработанноепрограммное обеспечение позволило достаточно оперативно обрабатывать экспериметальныеданные и получать радиоизображение цели в координатах: угол – временная задержка.3.3. Экспериментальные результаты, полученные при сканировании объектовкольцеобразной формы3.3.1. Предварительный эксперимент. Определение оптимальной конфигурацииэкспериментальной схемыВ ходе предварительного эксперимента осуществлялась оптимальная настройкаэкспериментальной установки; измерялось значение “нулевой” задержки – дальности дляпоследующего его учета при цифровой обработке экспериментальных данных; определяласьоптимальная конфигурация схемы проведения эксперимента.Каркас лоцируемого объекта представлял собой трубу (диаметр около 3 см), согнутую вкольцо диаметром D = 127 см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
