ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ЛИТВИНЧУК Ігор Іванович

УДК: 621.396.677.494

ЕХО-КОРЕКЦІЯ АЛГОРИТМІВ ОТРИМАННЯ І ОБРОБКИ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ІНФОРМАЦІЇ ПРИ ОЦІНЦІ ПАРАМЕТРІВ АНТЕН ЛІНІЙНОЮ РЕШІТКОЮ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ЗОНДІВ

05.12.07 – Антени та пристрої мікрохвильової техніки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Лієпінь Улдіс Робертович,

Харківський університет Повітряних

Міністерства оборони України доцент кафедри

пристроїв високочастотної техніки та

радіотехнічних кіл

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Замятін Вадим Іванович, Харківський військовий університет повітряних сил, завідувач кафедри високочастотної техніки та радіотехнічних кіл

- доктор Фізико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет ім.. Карабіна Міністерства освіти і науки завідувач кафедри прикладної електродинаміки

Провідна установа

Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра радіотехніки, м. Севастополь

Захист відбудеться 10.03. 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166; факс. (057) 702 -10-13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки, за адресою, пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166.

Автореферат розісланий 09 02. 2005 р.

Вчений секретар М.П. Мустецов

спеціалізованої вченої ради.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток антенної техніки в напрямку її ускладнення, розширення функціональних можливостей, створення принципово нових антенних систем, ставить усе більш складні задачі перед теорією і технікою антенних вимірювань.

Традиційні підходи до підвищення точності антенних вимірювань (АВ) за рахунок поліпшення безеховості і прецизійності вимірювального устаткування в якійсь мірі вичерпали себе технічно й економічно. Більш перспективним напрямком збільшення точності АВ є удосконалення математичного забезпечення процесу комп'ютерного відновлення (реконструкції) характеристик антен з урахуванням спотворюючих факторів в реальних умовах експлуатації антен і неідеальних умов антенних полігонів.

Неідеальність радіопоглинаючих матеріалів змушує рахуватися з ехо-сигналами (ЕС) не лише на відкритих полігонах, але й у слабоехових і безехових камерах.

Збільшення точності АВ в умовах прийому ЕС пов'язано, насамперед, з одержанням і раціональним використанням інформації про ехову обстановку (ЕО) в області простору, де провадяться АВ. Використання інформації про ЕО передбачає ехо-корекцію як процедур одержання вимірювальної інформації (придушення ЕС у приймачі), так і алгоритмів її обробки (вирахування ЕС з вимірювальних сигналів).

Крім того, вирішення задач ехо-корекції в алгоритмах одержання й обробки вимірювальної інформації дозволить розробити пересувні автоматизовані вимірювальні комплекси (АВК), що реалізують вимірювання параметрів антен на місці базування радіотехнічних систем. Пересувні АВК, що враховують ЕО на місці вимірювання, здатні значно скоротити час і вартість контролю антен за рахунок економії часу і засобів, призначених для демонтажу і перевезення антен до місця контролю.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи базується на пріоритетних напрямках розвитку науки і техніки в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (п.7 – “Перспективи інформаційної технології, основи автоматизації, системи зв'язку”). Дисертаційна робота виконана в Науковому метрологічному центрі (військових еталонів), нерозривно зв'язана з науковими планами Центру і є частиною тем: "Полігон" 2001р. №0361, "Траверс" 2002р. №0367, "Тантал" 2003-04р. №0453, у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Цілі і задачі досліджень. Метою роботи є розробка методу й алгоритмів одержання й обробки вимірювальної інформації, що дозволяють формувати незміщені і обґрунтовані оцінки параметрів діаграм спрямованості (ДС) антен при вимірюванні їх методами дальньої зони в присутності перевідбиттів зондуючого сигналу від землі і місцевих предметів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні наукові задачі:

- визначити похибки в оцінках параметрів ДС досліджуваних антен (ДА), отриманих методами дальньої зони, обумовлені прийомом вимірювальною антеною перешкод у вигляді ехо-сигналів. Оцінити можливості ослаблення впливу ЕС на точність вимірювань вибором геометричних розмірів основних конструкцій полігона;

- розробити метод і алгоритм роздільної оцінки статистичних характеристик прямого зондуючого сигналу і перешкод у вигляді суміші ЕС і шумів у суматорі решітки вимірювальних зондів (РВЗ). Оцінити припустиму похибку в реалізації амплітудно-фазового розподілу (АФР) у РВЗ, що дозволяє з заданою точністю оцінювати ехову обстановку на полігоні і визначати статистичні характеристики фонової складової вимірювань;

- розробити метод і алгоритми калібрування РВЗ, що враховують взаємний зв'язок зондів. Визначити основні механізми формування помилок калібрування РВЗ і оцінити їх вплив на результуючу похибку розподілу амплітуд і фаз коефіцієнтів збудження РВЗ;

- визначити похибку в оцінках ехової обстановки на полігоні; розробити методику визначення довірчих імовірності й інтервалу оцінювання параметрів ДС ДА використовуючи оцінки ехової обстановки;

- розробити методику оцінки параметрів ДС ДА методом дальньої зони, що дозволяє, використовуючи можливості РВЗ, формувати незміщені і обґрунтовані оцінки в присутності ЕС від землі і місцевих предметів.

Об'єктом досліджень у дисертаційній роботі є процеси формування оцінок параметрів ДС ДА методами дальньої зони в присутності перевідбиттів зондуючого сигналу від землі і місцевих предметів.

Предметом досліджень є метод і алгоритми ехо-корекції вимірювальної інформації шляхом виділення прямого зондуючого сигналу і придушення суміші ЕС у процесі прийому й обробки суміші сигналів, що збуджують РВЗ.

Методи досліджень. У процесі роботи над темою дисертаційної роботи використовувалися:

методи статистичної теорії антен і основи математичної статистики при оцінці припустимих похибок в установці амплітудно-фазового розподілу в РВЗ;

статистична теорія антенних вимірювань при оцінці похибок вимірювання параметрів ДС ДА;

сучасні методи спектрального аналізу при розробці алгоритмів оцінки ехової обстановки на антенному полігоні.

Наукова новизна. У процесі роботи над вирішенням поставлених задач отримані наступні нові наукові результати:

- вперше запропоновано використовувати РВЗ для оцінки ехової обстановки на антенному полігоні методами просторового спектрального аналізу, що дозволяє в процесі антенних вимірювань цієї ж РВЗ придушувати ЕС методами формування провалів у діаграмі спрямованості РВЗ 2, 3;

- запропоновано новий метод калібрування РВЗ, який враховує взаємний зв'язок випромінювачів і відрізняється тим, що для визначення матриці коефіцієнтів взаємних зв'язків випромінювачів немає необхідності визначати число і напрямки приходу сигналів, які утворюють прийняту суміш 4;

- вперше оцінені вимоги до точності калібрування РВЗ, які дозволяють оцінювати ехову обстановку на полігоні антенних вимірювань із заданими точністю і довірчою імовірністю, включаючи оцінки відношення потужності прямого ЗС до потужності залишків неподавлених ЕС і шумів 3;

запропоновано новий метод діагностики елементів управління АФР у РВЗ, який можна реалізувати на місці базування РВЗ, у присутності невідомого числа ЕС 1.

Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному.

1. Заміна одиночного вимірювального зонда решіткою зондів, що реалізує запропоновані методи одержання й обробки вимірювальної інформації, дозволяє здійснити ехо-корекцію результатів вимірювань алгоритмічними методами. Це здешевлює конструкцію полігонів, тому що немає необхідності в застосуванні дорогих радіопоглинаючих матеріалів, які знижують рівень еховості на полігонах. (акт впровадження в Науковому метрологічному центрі (військових еталонів) Міністерства оборони України).

2. Калібрування РИЗ з урахуванням вимірювальних значень матриці ВЗВ збільшують точність її настроювання, що дає можливість досягти заданої достовірності оцінок ЕО на полігоні

3. Запропоновані методи й алгоритми ехо-корекції збільшують точність антенних вимірювань в пересувних автоматизованих вимірювальних комплексів, що реалізують вимірювання параметрів антен на місці їх базування. Це скорочує час контролю і усуває витрати на демонтаж антен і транспортування їх до місця вимірювань.

Здобувачем особисто:

- зроблений аналіз і оцінка похибок, внесених ЕС у результати вимірювань параметрів антен 1;

- обрані й обґрунтовані метод і процедури удосконалення власноструктурних алгоритмів просторового спектрального аналізу, що дозволяють оцінювати кількість і напрямки приходу ЕС в умовах сильної кореляції між прямим ЗС і ЕС 2, 3;

визначена припустима похибка в управлінні АФР РВЗ, що дозволяє з заданою точністю оцінювати ЕО на полігоні і формувати в ДС РВЗ провали заданої глибини і ширини 2, 3;

розроблені алгоритми контролю відповідності математичних моделей ЕО і РВЗ їх дійсному стану 1.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення дисертаційної роботи обговорені на 3-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь у XXI сторіччі” (1999, Харків, Україна), 2-й, 3-й і 4-й науково-технічних конференціях Наукового метрологічного центру (Військових еталонів) “Удосконалення систем і засобів метрологічного забезпечення озброєння і військової техніки” (1999-2003, Харків, Україна), II-й та IV-й наукових конференціях молодих вчених Харківського військового університету (2003, 2004, Харків, Україна).

Публікації. Основні результати по темі дисертаційної роботи опубліковані в 4 статтях у науково-технічних вісниках збірниках, доповідях, що входять до переліку ВАК України, 3 звітах по НДР.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел і має загальний обсяг 173 сторінки, містить 42 рисунки, перелік використаних джерел з 82 літературного джерела на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність задачі удосконалення алгоритмів одержання й обробки вимірювальної інформації з метою відновлення (реконструкції) характеристик антен при врахуванні спотворюючих факторів в реальних умовах експлуатації антен і неідеальних умовах антенних полігонів. Показано взаємозв'язок проведених досліджень з науковими програмами, планами і темами Наукового метрологічного центру (Військових еталонів), визначено об'єкт і предмет досліджень, сформульовані їх цілі і задачі. Визначено наукову новизну і практичну цінність результатів досліджень, дана інформація про публікації, апробації й особистий внесок автора.

У першому розділі “Оцінка впливу перевідбиттів зондуючого сигналу на точність вимірювання параметрів антен” приведена методика апріорної аналітичної оцінки ехової обстановки на антенному полігоні і визначені похибки в оцінці параметрів антен внаслідок наявності перевипромінених сигналів. Під еховою обстановкою в дисертаційній роботі мається на увазі інформація про кількість і розміщення дискретних (або розподілених) джерел перевипромінювання зондуючого сигналу, інтенсивності перевідбитих сигналів. Отримано аналітичні вирази для визначення координат ділянок земної поверхні, що максимально впливають на формування ехо-сигналів. Зроблено аналіз відомих методів зменшення впливу перевипромінених сигналів на результати вимірювання параметрів антен. Показано результати розрахунку спотворень розподілу амплітуд і фаз поля на апертурі досліджуваної антени внаслідок складання прямої хвилі ЗС і перевідбитих землею хвиль. Розраховано залежність похибки вимірювання параметрів антен від висоти підйому передавальних і прийомних антен. Показано, що найбільша похибка виникає при вимірюванні таких параметрів антен як напрямок головного максимуму, рівень бічних пелюстків (РБП), коефіцієнт підсилення (КП). Для вимірювання цих параметрів на відкритих полігонах відомими методами з точністю до одиниць відсотків необхідно передавальну і прийомну антену розміщати на висотах, що перевищують десятки метрів.

Як альтернативу методам зниження еховості антенних полігонів пропонується робити попереднє радіозондування полігона решіткою вимірювальних зондів з метою визначення апріорних даних про ехову обстановку і використання їх для корекції результатів вимірювань.

В другому розділі “Експериментальна оцінка ехової обстановки на антенному полігоні” досліджені можливості цифрових методів обробки вимірювальної інформації, отриманої РВЗ, для оцінки ехової обстановки на антенному полігоні.

Практична реалізація оцінки ехової обстановки припускає вирішення задач одержання оцінок: числа джерел ЕС; напрямків приходу (НП) ЕС; інтенсивності ЕС; відношення сигнал/завади по потужності, припускаючи під завадами як зовнішні сторонні випромінювання, так і перевідбиття ЗС.

В якості алгоритмів, що формують оцінки числа джерел ЕС на антенному полігоні, обрані статистичні тести Акаіке (AIC) і мінімальної довжини (МDL). Суть тестів AIC і MDL полягає у формуванні кореляційної матриці (КМ) прийнятої суміші сигналів, визначенні власних чисел матриці і поділу їх на підпростори, що належать сигналам і шумам.

В міру збільшення кореляції між сигналами, що розділяються, (між ЗС і кожним з ЕС) різниця між меншими власними числами сигнального підпростору і власних чисел підпростору шуму наближається до нуля. Ця обставина знижує вірогідність тестів AIC і MDL у випадку застосування їх для визначення числа джерел ЕС при АВ.

У дисертації запропоновано доповнити відомі алгоритми AIC і MDL процедурами, призначеними для декореляції прийнятої суміші сигналів. Показано можливості декореляції вимірювальних сигналів, прийнятих РВЗ, методами просторового згладжування КМ.

На графіках рис. 1 представлені оцінки числа джерел випромінювання повністю корельованих сигналів 16-ти елементної РВЗ, отримані за допомогою алгоритму MDL. Моделювалася ситуація, коли кількість джерел V=7, а АФР у РВЗ відомий з точністю до 10-3 рад по фазі і 0,1% по відносній амплітуді. Штрих-пунктирною лінією показана оцінка числа джерел без застосування декореляції прийнятих сигналів, а суцільною – із застосуванням декореляції. По горизонтальній осі відкладені числа, що відповідають очікуваним оцінкам числа джерел випромінювань, по вертикальній осі реакція тесту на аналізовану ситуацію. Точка мінімуму реакції тесту відповідає оцінці числа джерел випромінювань.

Вплив похибок при реалізації АФР у РВЗ на похибку оцінок ЕО визначався імітаційним моделюванням. Похибки в моделі АФР РВЗ задаються у вигляді складового вектора похибок а:

, (1)

де i, N – номер і число каналів у РВЗ; m, M – номер і число реалізацій випадкового вектора ; – похибки у визначенні амплітудного розподілу, що мають Гаусів розподіл з нульовим середнім і середньоквадратичним відхиленням (СКВ), рівним ; – похибки у визначенні фазового розподілу, що також мають Гаусів розподіл з нульовим середнім і СКВ, рівним .

Залежності імовірності правильного визначення числа джерел ЕС Р() від результуючої СКВ помилки у визначенні АФР РВЗ при фіксованих значеннях відношення сигнал/шум (q) і кутах приходу ЕС представлені на рис. . Число елементів у решітці N=16, кількість джерел V=4, відстань між джерелами дорівнює половині ширини ДС.

Застосування процедур декореляції сигналів, прийнятих РВЗ, дозволяє значно розширити можливості надрозрізнювальних алгоритмів також і по оцінці НП частково корельованих сигналів.

Для порівняння різних методів пеленгації в дисертаційній роботі приводяться результати аналізу спектру суміші ЗС і ЕС методами MUSIC (Mu), Кейпона (Ca) і Бартлета (Ba). На графіках рис. 3 представлені спектри Mu(), Ca() і Ba(), отримані при імітації 7 джерел цілком корельованих сигналів 16-ти елементною РВЗ

Похибка в оцінках НП ЕС при статистичних випробовуваннях алгоритму MUSIC визначалася відповідно до виразу

, (2)

де n – номер реалізації; u дійсні напрямки приходу сигналів; оцінка НП ЕС при n-й реалізації алгоритму; ширина бічного пелюстка РВЗ по нулях; число випробовувань Т дорівнює 100.

Результат розрахунку згідно виразу (2), у залежності від СКВ у реалізації АФР на апертурі РВЗ , для фіксованих значень q, приведений на рис.4.

Залежність імовірності правильного виявлення кількості ЕС і точності оцінок НП ЕС від точності настроювання РВЗ отримані вперше.

Оцінки комплексних амплітуд (КА) ЗС і ЕС при імітаційному моделюванні визначалися методом найменших квадратів, відповідно до виразу

, (3)

де ;

– NN діагональна матриця ДС випромінювачів; – NV матриця хвильових фронтів; вектор КА оцифрованої суміші ЗС, ЕС і шуму.

Моделювалася обстановка, коли по першому бічному пелюстку приймаються 2 ехо-сигнали. Кутова відстань між ЕС менше половини ширини ДС. Графік залежності дисперсії оцінок від точності настроювання РВЗ і співвідношення сигнал/шум приведений на рис. 5.

У третьому розділі “Методи й алгоритми придушення ехо-сигналів у суматорі решітки вимірювальних зондів” досліджуються методи й алгоритми, що дозволяють реалізувати в РВЗ неспотворений прийом прямого зондуючого сигналу і придушення, із заданим рівнем, ЕС.

У дисертації аналізується реалізуємість і ефективність наступних методів придушення ЕС у суматорі РВЗ:

розрахунок і реалізація в РВЗ АФР, що формує ДС із рівнем бічних пелюстків нижче або рівним необхідного ступеня придушення ЕС (дольф-чебишевські АФР);

розрахунок і реалізація в РВЗ АФР, що формує в ДС вузькі і глибокі провали в НП ЕС;

розрахунок і реалізація в РВЗ АФР, що формує ДС із зниженим РБП і широкими (по можливості глибокими) провалами в НП ЕС.

Застосування РВЗ буде конкурувати з застосуванням радіопоглинаючих матеріалів, для створення умов безеховості, лише в тому випадку, якщо придушення ЕС у РВЗ буде можливо на рівні -40 -60 дБ. Підтримка таких, украй низьких РБП, висуває жорсткі вимоги до точності установки АФР. Так, уже при вимозі сформувати РБП у -40 дБ для 16-ти елементної решітки припустиме СКВ дольф-чебишевського АФР не повинно перевищувати 110-4.

Якщо відомі оцінки числа джерел ЕС V і НП ЕС u, то АФР, що формує провали в ДС у НП ЕС, потрібно розраховувати по формулі

, (4)

де w – N1 вектор АФР у РВЗ; I – NN одинична матриця; – матриця проектування на V-мірний підпростір ЕС, що придушуються; – матриця Грама; – NV матриця хвильових фронтів ЕС, що придушуються.

Реалізація цього методу можлива при використанні в якості пристроїв керування АФР у РВЗ дискретних фазообертачів (ФО), доповнених розрядом аналогового ФО, що змінює фазу в межах від 0 до ціни молодшого розряду дискретного ФО; різні типи амплітудно-фазових регуляторів і модуляторів.

Комбінований метод придушення полягає у формуванні дольф-чебишевського АФР із заданим РБП і з урахуванням виразу (4).

Для збільшення ширини провалів у напрямку на джерела ЕС похідні синтезованого АФР по кутах повинні дорівнювати нулеві, тобто АФР додатково повинно задовольняти умові

, (5)

де , n номер похідної. У роботі n=1.

На графіках рис. 6, рис. 7 показані теоретичні ДС РВЗ, розраховані за умови точної реалізації АФР: незбурена ДС; адаптована до НП ЕС f1, f2 ДС. Рис. 6 ДС РВЗ без урахування похідних по , рис. 7 з урахуванням першої похідної по .

Залежність ступеня придушення ЕС (і дисперсія цієї величини ) від точності настроювання РВЗ показана на рис. 8, 9. Графіки ілюструють можливість придушувати ЕС на 40 50 дБ, не погіршуючи умов прийому прямого ЗС (рис. 6,7) за умови, що СКВ у реалізації АФР РВЗ не перевищує 610-3, де СКВ у реалізації амплітудного і фазового розподілів, відповідно.

У четвертому розділі “Калібрування РВЗ. Очікувана точність вимірювання параметрів ДС досліджуваних антен” вирішуються задачі розробки методу й алгоритмів калібрування РВЗ, що дозволяють врахувати практично всі механізми спотворення АФР сигналів у каналах РВЗ.

Збільшення точності вимірювання параметрів ДС досліджуваних антен до необхідних показників методом дальньої зони, використовуючи РВЗ, можливо при успішному рішенні наступних задач:

а) виділення прямого ЗС із прийнятої суміші ЗС, ЕС і шуму з заданими довірчими імовірностями і точністю;

б) придушення ЕС у суматорі РВЗ до рівня фону, створюваного шумами і помилками калібрування РВЗ.

В другому і третьому розділах показано, що обидві задачі вирішуються за умови калібрування РВЗ із точністю, при якій СКВ у реалізації АФР не перевищує 10-3.

Найбільш складною задачею в процесі калібрування є визначення матриці взаємних зв'язків випромінювачів (ВЗВ) РВЗ. У роботі запропонований новий метод діагностики, що дозволяє оцінити ВЗВ без попередньої оцінки числа і НП ЕС. Суть методу полягає в наступному.

Як джерело контрольного сигналу використовується сигнал генератора, підключеного до досліджуваної антени. У процесі діагностики формується масив відгуків РВЗ у кожному з її каналів, що відповідає прямому дискретному перетворенню Фур'є (ДПФ) прийнятої суміші:

, (6)

де КА суміші ЕС, що збуджує k-ий випромінювач РВЗ; xu, u КА і НП u-го ЕС; ni,p – КА шуму при вимірюванні р-го відгуку; – матриця коефіцієнтів прямого ДПФ.

Зсув фаз р0 реалізується розворотом апертури РВЗ навколо центру симетрії у вертикальній площині і фіксації відліків yi,p при орієнтації нормалі до апертури під кутами

, (7)

де d – міжелементна відстань у РВЗ.

Результатом застосування процедури зворотного ДПФ до масиву NN значень yi,p є матриця

, , (8)

де i,m – похибка в оцінці еi,m, яка обумовлена шумом.

У роботі показано, що для оцінки еi,m із СКВ е10-4, припустиме СКВ у реалізації кутів р 15,5, що цілком реалізовано.

Наявність апріорної інформації про Ck,k (коефіцієнти відбиття в каналах РВЗ, отримані при заводському настроюванні РВЗ) дозволяють визначити коефіцієнти ВЗВ Ci,k без обчислення Xk (або xu, u) шляхом нормування

. (9)

При відомих Ck,k шукані .

Наявність інформації про матрицю ВЗВ дозволяє застосувати алгоритмічну компенсацію ВЗВ, наприклад, множенням yi,p на С-1.

Компенсація ВЗВ дозволяє реалізувати вимірювання електричної довжини НВЧ трактів і КП випромінювачів РВЗ із заданою точністю шляхом накопичення відліків контрольного сигналу і зробити калібрування РВЗ. У розділі показано, що застосовуючи запропоновану методику можливе настроювання РВЗ із точністю , при якій СКВ у реалізації АФР не перевищує 10-3 по різниці фаз і відносній амплітуді. Це, у свою чергу, дозволяє забезпечити придушення ЕС на 40 50 дБ і виділити прямий ЗС (із суміші ЕС і шуму) з точністю, що визначається фоном, статистично незалежним від виділеного ЗС. Незалежність залишків перешкод від прямого ЗС дозволяє успішно реалізувати задану точність вимірювання шляхом накопичення необхідного числа відгуків когерентного ЗС і реалізувати вимірювання параметрів ДС досліджуваних антен із заданими довірчими імовірністю і точністю.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі задача підвищення точності оцінювання параметрів ДА методами дальньої зони вирішується шляхом придушення ЕС у суматорі РВЗ до рівня шумового фону. Це одночасно вирішує задачу збільшення точності оцінювання за рахунок збільшення відношення амплітуди прямого ЗС до амплітуди суміші непригнічених залишків ЕС і надає можливість подальшого збільшення точності оцінок за рахунок накопичення прямого ЗС. Останнє стає можливим завдяки незалежності відліків суміші залишків перешкод і шуму в часі.

У процесі рішення загальної задачі збільшення точності антенних вимірювань шляхом придушення ЕС в прийомній РВЗ, отримані наступні наукові результати:

1. Отримано аналітичні вирази для визначення координат ділянок земної поверхні, що максимально впливають на формування ЕС і формули розрахунку спотворень розподілу амплітуд і фаз поля на апертурі досліджуваної антени внаслідок складення прямої хвилі ЗС і перевідбитих землею хвиль, що створюють ехо-сигнали.

2. Розроблено методику й алгоритми оцінки ехової обстановки на антенному полігоні. Приведено доробки алгоритмів просторового спектрального аналізу, що дозволяють упевнено визначати число і НП ЕС, навіть в умовах жорсткої кореляції між ЕС і ЗС. Імітаційним моделюванням оцінені необхідні точності калібрування РВЗ. Показано, що для визначення НП ЕС з точністю до 1,5% ширини ДС РВЗ, АФР у РВЗ не повинно відхилятися від рівномірного більш ніж на 110-2.

3. Розроблено план організації вимірювань і алгоритми обробки результатів вимірювань, що дозволяють оцінювати відношення потужності прямого ЗС (корисний сигнал) до потужності суміші ЕС (перешкоди) із заданими точністю і довірчою імовірністю.

Одержано аналітичні вирази, що дозволяють в процесі вимірювань і розрахунків коректувати число вибірок сигналів, добиваючись досягнення заданої точності. Показано, що при СКВ АФР у РВЗ, що не перевищують 8·10-3, відношення сигнал/завади можна вимірювати з точністю до 1%, маючи при цьому довірчу імовірність не нижче 95%.

4. Вирішено задачу синтезу АФР у РВЗ, що гарантує придушення ЕС, прийнятих з відомих напрямків, із заданим ступенем при збереженні умов прийому прямого ЗС.

5. Показано можливість збільшення ширини провалів у ДС РВЗ. Для цього при синтезі АФР досить врахувати першу похідну АФР по узагальнених кутах НП перешкод. Моделюванням показано збільшення ширини провалів до половини ширини ДС, зберігаючи глибину провалу на рівні _ дБ. Це дозволяє гарантовано придушувати не лише дзеркальну, але і дифузійні складові перевідбиттів ЗС, розташовані, як правило, у невеликому секторі кутів щодо центру дзеркального компонента.

6. Оцінено зниження рівня залишкового фону перешкод, що містить непригнічені ЕС і шум, шляхом вирахування квадрата середнього значення цього фону. Очікується, що фонові залишки не корельовані з ЗС, прийнятим по центру головного пелюстка ДС РВЗ. Показана ефективність накопичення прямого ЗС на фоні залишків перешкод і реалізації в такий спосіб вимірювання параметрів ДС ДА з заданою точністю.

7. Розроблено метод і алгоритми калібрування РВЗ, що враховують взаємний зв'язок випромінювачів. Запропоновано новий простий у реалізації алгоритм оцінки коефіцієнтів матриці ВЗВ на місці базування РВЗ у присутності невідомого числа й інтенсивностей завад у вигляді перевідбиттів ЗС від землі і місцевих предметів. Показано незміщеність і обґрунтованість оцінок вимірюваних коефіцієнтів.

8. Визначено перелік процедур, реалізація яких у процесі калібрування дозволить забезпечити СКВ АФР у РВЗ від рівномірного не більше ніж на 10-3 по різниці фаз (0,6) і відносній амплітуді (0,1%). Показано, що для подальшого збільшення точності калібрування РВЗ необхідно збільшити відношення сигнал/шум у каналах і збільшити точність механічного розвороту РВЗ при вимірюванні матриці ВЗВ.

9. Показана можливість оцінки рівня відношення корисного сигналу (прямого ЗС) до завадового (результуючої суміші ЕС) до і після застосування адаптації до ЕО. Доведено, що очікуваний ступінь придушення одиночних дискретних завад, у залежності від їх взаємного розташування і точності калібрування РВЗ, знаходиться в межах (50...60) дБ.

10. Показано, що застосування ретельно відкаліброваної РВЗ (замість одиночного зонду) дозволяє оцінити ехову обстановку на антенному полігоні і завдяки цьому:

видалити з вимірювального сигналу результуючої оцінки вимірюваного параметра ДА середнє значення залишків завад і шуму, що забезпечує незміщеність і обґрунтованість вибіркових оцінок параметрів ДА;

оцінити дисперсію залишкового фону випадкових помилок вимірювань і розрахувати довірчі імовірність і інтервал для вимірюваного параметра.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Карлов В.Д., Петрушенко М.М., Сірик Ю.А., Головіна Л.В., Литвинчук І.І. Діагностика ФАР в умовах прийому перевідбиттів зондуючого сигналу від землі. // Збірник наукових праць. –Харків: ХВУ. 2002. Вип. 3(41). С.86-87.

2. Губарь В.А., Головина Л.В., Литвинчук И.И. Оценка числа источников эхо-сигналов при реализации антенных измерений. // Збірник наукових праць. –Харків: ХВУ. 2002. Вип. 3(41). С.88-90.

3. Губарь В.А., Головина Л.В., Литвинчук И.И. Оценка эховой обстановки на антенных полигонах методами спектрального анализа. // Вестник НТУ ХПИ. –Харьков: НТУ ХПИ.2003. №1 том 2. С.55-61.

4. Карлов В.Д., Лиепінь У.Р., Головіна Л.В., Литвинчук І.І. Оцінка матриці коефіцієнтів взаємного зв’язку випромінювачів у решітці вимірювальних зондів по прийнятій суміші зондуючого і ехо-сигналів. Системи обробки інформації. –Харків. 2004. Вип. 26. С.83-86.

АНОТАЦІЇ

Литвинчук І. І. Ехо-корекція алгоритмів отримання і обробки вимірювальної інформації при оцінці параметрів антен лінійною решіткою вимірювальних зондів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.07 – антени і пристрої мікрохвильової техніки. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення точності вимірювань параметрів антен методами дальньої зони в реальних умовах експлуатації антен і неідеальних умовах еховості антенних полігонів шляхом урахування ехової обстановки в області простору, де провадяться вимірювання, і корекції результатів вимірювань алгоритмічними методами.

Задача вирішена шляхом застосування методів просторового спектрального аналізу в алгоритмах обробки вимірювальної інформації. Оцінено вимоги до точності калібрування решітки вимірювальних зондів для рішення задачі вимірювання параметрів антен із заданими точністю і довірчою імовірністю.

Ключові слова: вимірювання параметрів антен, решітка вимірювальних зондів, спектральний аналіз, ехо-корекція.

Литвинчук И. И. Эхо-коррекция алгоритмов получения и обработки измерительной информации при оценке параметров антенн линейной решеткой измерительных зондов. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 – антенны и устройства микроволновой техники. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2005.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи повышения точности измерений параметров антенн методами дальней зоны в реальных условиях эксплуатации антенн и неидеальных условиях эховости антенных полигонов путем учета эховой обстановки в области пространства, где производятся измерения, и коррекции результатов измерений алгоритмическими методами.

Оценка эховой обстановки осуществляется методами пространственного спектрального анализа сигналов, принятых решеткой измерительных зондов (РИЗ), а коррекция результатов измерения выделением прямого зондирующего сигнала (ЗС) из смеси принятых сигналов и подавлением эхо-сигналов (ЭС) формированием провалов в ДН РИЗ в направлениях прихода (НП) ЭС. Оценены требования к точности калибровки РИЗ для решения задачи измерения параметров антенн с заданными точностью и доверительной вероятностью.

Получены аналитические выражения для определения координат участков земной поверхности, максимально влияющих на формирование ЭС. Рассчитана и отображена графически зависимость погрешности измерения параметров антенн вследствие сложения прямой волны ЗС и переотраженных землей волн от высоты подъема передающих и приемных антенн. Произведен сравнительный анализ известных способов эхо-коррекции процедур измерения параметров антенн, определены основные направления повышения эффективности известных методов эхо-коррекции.

Разработаны процедуры усовершенствования собственноструктурных алгоритмов углового спектрального анализа, позволяющих сохранить их качества при пеленгации источников радиоизлучений, имеющих высокую степень корреляции между собой. Впервые имитационным моделированием получены зависимости вероятности правильного обнаружения и точности оценок НП ЭС от среднеквадратических ошибок в реализации АФР и углового разноса источников ЭС. Разработаны метод и алгоритмы оценки отношения сигнал/помехи в сумматоре РИЗ с заданными точностью и доверительной вероятностью.

Решена задача синтеза АФР в РИЗ, гарантирующего подавление ЭС, принимаемых с известных направлений, с заданной степенью при условии сохранения прямого ЗС. Оценены возможности решения задачи подавления ЭС путем формирования в РИЗ дольф-чебышевских ДН с пониженными УБЛ, проекционным методом синтеза АФР, формирующего ДН с узкими и глубокими провалами в направлении на источники ЭС. Показана возможность увеличения глубины и ширины провалов в ДН РИЗ применяя метод синтеза АФР, учитывающий пространственные производные АФР.

Разработаны математические модели РИЗ и алгоритмов диагностики, позволяющие учесть практически все механизмы искажения АФР сигналов в каналах РИЗ. Предложен новый простой в реализации алгоритм оценки коэффициентов матрицы взаимной связи излучателей на месте базирования РИЗ, в присутствии неизвестного числа и интенсивностей помех в виде переотражений ЗС от земли и местных предметов. Разработаны алгоритмы получения и обработки измерительной информации, позволяющие получать несмещенные и состоятельные оценки измеряемых параметров ДН ИА. Приведена методика расчета ожидаемой точности оценок параметров ДН ИА.

Ключевые слова: измерение параметров антенн, решетка измерительных зондов, спектральный анализ, эхо-коррекция.

I.I. Litvinchuk. Echo-correction of algorithms for obtaining and processing information when testing antenna parameters with lineal array of sensors. –Manuscript.

The dissertation for candidacy in technical sciences in specialty 05.12.07 antennas and devices of microwave technics. Kharkov National University for Radio-Electronics, Kharkov, 2005.

The dissertation is aimed at providing solution of the currently important problem of precision increase in testing the antenna parameters, applying far-field technique in actual practice of antenna operating under imperfect multiple reflection conditions of antenna ranges by means of registration of echo conditions in the area, where testing is held, and correction of the results obtained after testing with algorithmic techniques.

The aim is achieved by applying techniques of spatial spectrum analysis in algorithms of test information processing. The requirements for calibration precision of array of sensors for solving the problem of antenna parameters testing with fixed precision and confident probability are estimated.

Key terms: antenna parameters testing, array of sensors, spectrum analysis, echo-correction.