Цель работы состоит в создании и развитии методов расчета тех характеристик установившегося режима системы адаптивной компенсации активных помех, которые обусловлены неидентичностью частотных характеристик приемных каналов. Точный расчет количественных характеристик подавления помех такой системой необходим для объективного задания технических требований к параметрам приемных каналов с реальными избирательными цепями, а также для совершенствования систем адаптивной компенсации.
Актуальность работы. Известно [1], что неидентичность частотных характеристик приемных каналов является фактором, существенно снижающим эффективность системы адаптивной компенсации активных помех, принятых по боковым лепесткам диаграммы направленности (ДН) антенны радиолокационной станции (PJ1C).
Создание преднамеренных активных помех — один из современных методов радиопротиводействия [2]. При этом расчет делается на то, что проникание активных помех на вход приемного устройства может приводить к таким нежелательным эффектам, как [2,3]:
1) перегрузка станции из-за появления множества отметок от несуществующих целей;
2) создание помехового фона, на котором трудно выделить сигнал, что приводит к существенному уменьшению дальности действия РЯС;
3) подавление сигнала в нелинейных элементах приемного устройства РЛС (блокирование) и другие нелинейные эффекты;
4) изменение рабочего режима активных элементов приемного устройства вплоть до их насыщения.
Перечисленные эффекты расположены в порядке, соответствующем возрастанию интенсивности помехи. Как правило, первый из указанных эффектов относится к имитирующей помехе, а эффекты со второго по четвертый — к маскирующей. В любом случае для того, чтобы обеспечить нормальную работу РЛС, необходимо принимать меры противо-радиопротиводействия.
Обычно для этого в состав приемного устройства вводят систему адаптивной компенсации помех [4]. Для ее функционирования требуется точная копия помехи, причем не содержащая полезного сигнала. Такую копию получают при помощи специального компенсационного приемного канала (см. схему на рис.1). Этот канал включает вспомогательную приемную антенну и усилительно-преобразовательный тракт.
ДН вспомогательной антенны должна иметь нуль в направлении главного лепестка ДН основной приемной антенны. Усилительно-преобразовательный тракт компенсационного канала должен быть полностью идентичен такому же тракту основного канала. При выполнении этих требований можно произвести эффективную компенсацию помехи. В основе такой компенсации лежит взвешенное вычитание напряжения помехи, полученного на выходе компенсационного канала, из суммы «полезный сигнал + помеха, принятая по боковым лепесткам ДН основной антенны», имеющейся на выходе основного канала.
Как правило, ключевую роль в обеспечении идентичности основного и компенсационного приемных каналов играет идентичность их частотных характеристик. Поэтому именно данному аспекту посвящена предлагаемая работа. Вообще же идентичность приемных каналов предполагает также отсутствие в каналах собственных шумов и паразитных сигналов (например, продуктов взаимодействия гармоник гетеродинов в приемных устройствах с многократным преобразованием частоты). Для того, чтобы выявить существенные свойства системы адаптивной компенсации помех, обусловленные именно неидентичностью частотных характеристик приемных каналов, в приятой модели влияние собственных шумов и паразитных сигналов считается достаточно малым.
Частотные характеристики приемных каналов в основном формируются электрическими цепями, обеспечивающими частотную избирательность приемного устройства, например, полосно-пропускающими фильтрами. Кроме того, на частотные свойства каналов могут влиять и те их узлы, которые в принципе должны быть широкополосными, но при практической реализации получаются частотно-зависимыми. К последним относятся, например, усилители, преобразователи частоты, электронные переключатели и т. п.
Разумеется, создать два приемных канала с абсолютно идентичными частотными характеристиками невозможно. Этому препятствуют следующие факторы:
— наличие технологического разброса параметров ненастраиваемых элементов этих каналов;
— неточность настройки подстраиваемых частотно-избирательных цепей в приемных каналах, включающая неточность измерений;
— старение элементов;
— различие температурных изменений параметров элементов.
Исходя из этого перечня, можно предложить соответствующие технологические мероприятия с целью повышения идентичности частотных характеристик приемных каналов:
— применение элементов с меньшими допусками на электрические параметры;
— подбор элементов;
— замена некоторых ненастраиваемых элементов на настраиваемые;
— усовершенствование конструкции настраиваемых элементов с целью повышения точности их настройки;
— использование более точной измерительной аппаратуры для настройки и контроля частотно-избирательных цепей;
— применение более стабильных во времени элементов, а также искусственное старение;
— использование элементов с меньшей температурной нестабильностью.
Проведение таких мероприятий приводит к резкому возрастанию стоимости как комплектации РЯС, так и технологического оборудования, а также существенно повышает трудоемкость изготовления РЛС.
Кроме технологических, возможны также схемотехнические мероприятия по повышению идентичности частотных характеристик приемных каналов. Перечислим некоторые их них:
— изменение электрических характеристик частотно-избирательных цепей — расширение полос пропускания, уменьшение крутизны скатов АЧХ за пределами полосы пропускания;
— замена частотно-зависимых цепей, не участвующих в формировании общей частотной характеристики приемных каналов (усилителей, электронных переключателей и т. п.), на более широкополосные.
— уменьшение количества частотно-избирательных цепей в составе приемных каналов за счет уменьшения количества ступеней преобразования частоты;
— перенесение компенсирующего помеху устройства — автокомпенсатора — на другую 'ступень преобразования частоты, или даже выполнение компенсации на частоте входного сигнала РЛС;
— различные способы температурной стабилизации и компенсации, термостатирование, автоматическая либо сезонная юстировка частотных характеристик приемных каналов.
Однако расширение полос пропускания избирательных цепей или уменьшение крутизны скатов их АЧХ за пределами полосы пропускания, хотя и позволяет снизить требования к точности настройки избирательных цепей, одновременно ухудшает селективные свойства приемного устройства. Частотно-зависимые цепи, не участвующих в формировании общей частотной характеристики приемных, обычно не имеют никаких запасов для расширения рабочей полосы частот. Уменьшение количества ступеней преобразования частоты, как правило, неприемлемо, так как приводит к резкому ухудшению частотной избирательности приемного устройства. Перенесение автокомпенсатора на другую ступень преобразования частоты, или даже выполнение компенсации на частоте входного сигнала РЛС. По эффективности такое мероприятие сравнимо с предыдущим, но при этом можно добиться того, что частотная избирательность приемного устройства не ухудшится. Сложность и стоимость автокомпенсатора в этом случае резко возрастают, а надежность снижается. Кроме того, возникают дополнительные проблемы в многочастотных РЛС. Температурная стабилизация и компенсация, термостатирование, автоматическая либо сезонная юстировка частотных характеристик приемных каналов [33.42] также ведет к существенному росту сложности и стоимости аппаратуры приемного устройства и снижению надежности.
Таким образом, внедрение каких-либо мероприятий с целью повышению идентичности частотных характеристик приемных каналов РЛС неизбежно повлечет либо удорожание изделия и снижение надежности, либо ухудшение других технических характеристик. Следовательно, приобретают первоочередную важность вопросы: к какому конкретно выигрышу в подавлении помех приведет то или иное изменение схемы, элементной базы, конструкции, технологического процесса изготовления приемного устройства? Каков вклад неидентичности каждой из избирательных цепей, каждого элемента в составе приемных каналов в ухудшение подавления помех системой адаптивной компенсации? Какие требования необходимо предъявить к частотным характеристикам избирательных цепей при настройке и контроле, а также к параметрам элементов этих цепей, чтобы обеспечить заданную величину подавления помех?
Актуальность работы заключается в том, что она предоставляет математический аппарат, позволяющий ответить на эти вопросы, то есть выяснить, целесообразны ли те или иные мероприятия по повышению идентичности приемных каналов и каков ожидаемый эффект от их проведения. Следовательно, появляется возможность указать наилучшие пути усовершенствования аппаратуры РЛС.
При исследовании использовались методы: теории линейных электрических цепейстатистической радиотехникитеории функций комплексного переменного, в том числе теории дробно-рациональных функций и теории вычетовлинейной и общей алгебры.
Структура и краткое содержание. Настоящая работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа выполнена на 133 страницах, содержит 65 рисунков и 9 таблиц.
В первой главе сформулированы основные исходные положения, используемые в работе. Приведена математическая модель системы адаптивной компенсации помех, указано, какие приняты допущения при построении модели. Описаны способы, которыми характеризуется неидентичность частотных характеристик приемных каналов в настоящей работе. Проведен обзор публикаций в печати по теме диссертации.
Во второй главе проводится анализ системы адаптивной компенсации помех, в которой собственно подавление осуществляет автокомпенсатор с одной петлей корреляционной обратной связи. Такой простейший автокомпенсатор является элементарным «строительным блоком» для построения любых более сложных многоканальных автокомпенсаторов. Показано, что задача определения коэффициента подавления имеет точное решение, когда известны полюсы и нули передаточных функций приемных каналов. Также рассмотрено влияние второго каскада фильтрации на степень подавления помех. Выведены расчетные формулы для определения коэффициента подавления непосредственно по заданным отклонениям параметров элементов фильтров, без промежуточного этапа нахождения корней полиномов, стоящих в знаменателях частотных характеристик.
Третья глава посвящена расчету характеристик приемного устройства с квадратурным автокомпенсатором. Здесь показано, насколько увеличивается коэффициент подавления при введении в автокомпенсатор квадратурного подканала. Также рассмотрено влияние второго каскада фильтрации на степень подавления помех. Получены расчетные выражения для определения формы спектра остаточной помехи на выходе автокомпенсатора. Рассмотрено влияние неидеальности фазовращающей цепи, осуществляющей в квадратурном подканале сдвиг фазы на 90 градусов. Выведены расчетные формулы для определения коэффициента подавления непосредственно по заданным отклонениям параметров элементов фильтров.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальной проверки достоверности разработанных методик расчета коэффициента подавления.
Заключение
содержит в сжатой форме основные итоги предлагаемой работы.
Научная новизна. В диссертации поставлена и решена задача создания и исследования точных методов расчета количественных характеристик подавления помех системой адаптивной компенсации при неидентичных избирательных цепях в приемных каналах.
Впервые предложены и развиты методы расчета коэффициента подавления помех такой системой по параметрам реальных избирательных цепей в приемных каналах. Предлагаемые методы позволяют проводить расчет коэффициента подавления помех как для систем с автокомпенсатором, имеющим одну петлю КОС, так и для систем с квадратурным автокомпенсатором.
Кроме того, рассмотрены различные варианты построения приемных каналов, которые могут включать как один, так и два каскада фильтров сосредоточенной селекции. При этом предлагаемые расчетные выражения являются точными в том смысле, что при их выводе не делаются упрощающие предположения о малости различия частотных характеристик каналов, о малости относительных полос пропускания приемных каналов.
Получены расчетные выражения для определения спектра остаточной помехи на выходе системы с неидентичными приемными каналами. На основе этих выражений предложен и исследован метод расчета коэффициента подавления помех системой адаптивной компенсации с учетом фильтра, установленного на выходе этой системы.
Предложен и исследован метод расчета коэффициента подавления помех системой, в которой квадратурная обработка выполняется реальной фазовращающей цепью.
Впервые получено замкнутое выражение для вычисления интеграла от дробнорациональной функции вида cf—^iBl—dp, где Л/(р), А (р) и В (р) — полиномы, причем.
А (р)В (р) корни полиномов А{р) и В (р) лежат по разные стороны от контура интегрирования в плоскости комплексного аргумента. Доказано, что для вычисления этого интеграла не требуется находить корни этих полиномов, так как расчет производится непосредственно по коэффициентам полиномов.
На основе этого выражения предложены и развиты методы расчета коэффициента подавления помех непосредственно по заданным отклонениям параметров элементов избирательных цепей в приемных каналах. Показано, что эти методы позволяют определить влияние неточности и нестабильности каждого из этих элементов на характеристики системы.
Праетическая значимость работы состоит в том, что предложенные в ней методы направлены на решение актуальной задачи строгого расчета количественных характеристик системы адаптивной компенсации помех с реальными приемными каналами.
Полученные расчетные методы позволяют разработчику радиоаппаратуры сформулировать обоснованные технические требования к частотно-избирательным цепям и элементам приемного устройства РЛС для обеспечения заданной степени подавления помех, принятых по боковым лепесткам ДН антенны. Кроме того, применение предложенных методов позволяет выяснить, оправданы ли те или иные мероприятия по повышению идентичности приемных каналов и каков ожидаемый эффект от их внедрения, а также указать возможные пути и пределы улучшения характеристик системы адаптивной компенсации помех.
Реализация результатов работы. Методы расчета коэффициента подавления помех, разработанные в диссертации, были использованы в НИИ измерительных приборов (г. Новосибирск) при разработке изделий по заказам 327 и 329, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы и публикации по теме диссертации. Основные положения настоящей работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» [5]. По результатам работы опубликовано 6 статей [6, 7, 9?6−27]. Все опубликованные работы выполнены без соавторов.
На защиту выносятся следующие основные результаты.
1. Методы расчета коэффициента подавления помех системой адаптивной компенсации с приемными каналами, частотные характеристики которых заданы значениями своих нулей и полюсов.
2. Методы расчета коэффициента подавления помех непосредственно по заданным отклонениям параметров элементов избирательных цепей в приемных каналах.
3. Методы расчета коэффициента подавления помех системой адаптивной компенсации с приемными каналами, частотные характеристики которых формируются двухкаскадными фильтрами сосредоточенной селекции. Данный метод применим и для анализа воздействия прицельной помехи с ограниченной шириной спектра.
4. Метод расчета спектра остаточной помехи на выходе системы адаптивной компенсации помех и созданный на его основе метод расчета коэффициента подавления помех с учетом фильтра на выходе этой системы.
5. Метод расчета коэффициента подавления помех системой адаптивной компенсации, в которой квадратурная обработка осуществляется реальной фазосдвигающей цепью.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
Настоящая глава имеет вспомогательный характер и не содержит принципиально новых результатов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Подведем основные итоги настоящей работы.
Была поставлена задача: определить те предельные характеристики установившегося режима системы адаптивной компенсации активных помех, которые обусловлены неидентичностью частотных характеристик приемных каналов. Расчет таких характеристик необходим для того, чтобы указать возможные пути повышения эффективности данной системы, выявить неиспользованные резервы имеющихся технических решений, обосновать целесообразность тех или иных технологических и схемотехнических мероприятий по повышению идентичности приемных каналов.
Для решения этой задачи в настоящей работе было сделано следующее.
1. Получены расчетные выражения, позволяющие для приемных каналов с реальными избирательными цепями определить предельное значение подавления помех системой адаптивной компенсации в установившемся режиме. Анализ системы проводится в частотной области, что дает возможность применять высоко эффективный аппарат теории дробно-рациональных функций комплексного переменного. Применение такого математического аппарата дает большую экономию вычислительных затрат для тех видов частотно-избирательных цепей в приемных каналах, полюсы и нули коэффициентов передачи которых известны. Это относится, в частности, к полиномиальным фильтрам с характеристиками Баттерворта и Чебышева. Именно такие избирательные цепи обычно входят в состав реальных приемных каналов. Неидентичность частотных характеристик таких фильтров удобно характеризовать обобщенными параметрами неидентичности. Показано, как, зная эти параметры, можно рассчитать коэффициент подавления помех в установившемся режиме.
2. Полученные расчетные выражения позволяют определять коэффициент подавления помех как системой, в состав которой входит простейший автокомпенсатор с. одной петлей корреляционной обратной связи, так и системой с квадратурным автокомпенсатором.
3. Проведен анализ системы, в которой частотные характеристики приемных каналов формируются несколькими каскадно включенными избирательными цепями. Это позволило определить относительный вклад в общую величину подавления помех системой каждого из каскадов, когда их полосы пропускания сравнимы по ширине.
4. Выведены расчетные формулы для вычисления коэффициента подавления непосредственно по отклонениям параметров элементов избирательных цепей в приемных каналах, без промежуточного вычисления нулей и полюсов передаточных функций. Такой расчет необходим, чтобы выявить степень влияния неточности и нестабильности каждого из этих элементов на характеристики системы. Указанные расчетные формулы основываются на специально полученном общем выражении для вычисления интеграла от дробног N (p) рациональной функции вида q—dp, где N (p), А (р) и В (р) — полиномы, причем.
А (р)В (р) корни полиномов А (р) и В (р) лежат по разные стороны от контура интегрирования в плоскости комплексного аргумента. Показано, что интеграл можно вычислить непосредственно по коэффициентам этих полиномов, зависящих в явном виде от параметров элементов цепей.
5. Получены выражения для определения спектра остаточной помехи на выходе автокомпенсатора. Показано, что весьма большой вклад в общую мощность остаточной помехи дают спектральные составляющие, лежащие вблизи краев полосы пропускания приемных каналов. На основании специально выведенных выражений проведен анализ роли фильтра на выходе автокомпенсатора, ослабляющего эти составляющие, в улучшении подавления помех.
6. Рассмотрено влияние неидеальности фазовращающей цепи в составе квадратурного автокомпенсатора на величину коэффициента подавления помех. Проведены расчеты, показывающие, что при не слишком большой относительной полосе пропускания приемных каналов (до 50%) влиянием этой неидеальности на величину коэффициента подавления (менее 0,1 дБ) можно пренебречь.
7 Для наиболее типичных видов частотно-избирательных цепей в составе приемных каналов РЛС проведены численные расчеты по полученным формулам. Результаты расчетов даны в виде таблиц и графиков, позволяющих в ряде случаев проводить оценку требований к неидентичности частотно-избирательных цепей при разработке аппаратуры РЛС. Класс задач, решаемых используемыми в настоящей работе методами, не ограничивается только системами с двумя рассмотренными здесь видами автокомпенсаторов. Для устройства адаптивной компенсации помех с любым количеством компенсационных каналов можно составить систему уравнений Винера-Хопфа, аналогичную (69) в разделе 3.4. Решение такой системы линейных уравнений позволяет найти коэффициент подавления помех, причем в получающемся расчетном выражении будут точно так же фигурировать взаимные и собственные «мощности» напряжений помех, приложенных в некоторых точках схемы компенсации.
8. Проведен ряд экспериментов, результаты которых подтверждают достоверность полученных расчетных выражений.
Таким образом, поставленная в настоящей работе задача решена. Разработчик аппаратуры РЛС получает возможность на основе расчета сформулировать технические требования к частотно-избирательным цепям и элементам приемного устройства РЛС с тем, чтобы обеспечить заданную степень подавления активных помех, принятых по боковым лепесткам ДН антенны. Такой путь намного экономичнее применявшегося ранее экспериментального методакроме того, становится возможным указать наиболее целесообразные с точки зрения эффективности мероприятия по улучшения характеристик РЛС и рассчитать предполагаемой от их внедрения выигрыш.
