Синтез входных устройств приемных радиотехнических систем для широкополосных сигналов

Актуальность темы

.

Современные радиолокационные системы, системы радиоразведки, системы телеметрии, связи, опознавания и др. работают в широкополосном режиме или используют импульсы наносекундной длительности, имеющие очень широкий спектр.

Поэтому весьма актуальной задачей является построение таких радиотехнических систем при широкополосном излучении или приеме сигналов с широкополосным спектром.

При этом требуется пропустить такие широкополосные сигналы через все устройства радиотехнической системы, в том числе и приемные устройства. Для режима передачи данная задача пока теоретически не обоснована и решается только экспериментально.

Особенно сложно решение этой задачи, когда в современных радиотехнических системах используются не обычные линейные, криволинейные, зеркальные и другие приемные устройства, а фазированные антенные решетки (ФАР). Для монохроматических сигналов задача расчета ФАР решается известными методами и не представляет особых трудностей [И].

Что же касается систем, обрабатывающих широкополосное излучение, задача расчета (синтеза) ФАР для них решалась в работах [17, 49].

Получены результаты, позволяющие сокращать количество элементов решетки без ухудшения направленных свойств.

В настоящее время рассматривают решение указанных задач только для одиночных приемных устройств даже не передающих, а только приемных с широкополосным излучением [20]. Эти одиночные устройства можно также рассматривать как элементы ФАР.

Задача сводится к решению интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Известно множество методов, в основном численных, решения таких уравнений [3], [9], [46].

Однако, решение таких уравнений, как известно [3], [16], [44], является неустойчивым, т. е. малым изменениям правой части могут соответствовать большие изменения решения.

Поэтому уравнение Фредгольма 1 рода относят к некорректно поставленным задачам. Из-за этой особенности задачи традиционные методы решения задач синтеза могут давать решения, мало пригодные с точки зрения их практического использования. Решающее влияние на развитие теории синтеза излучающих систем оказали математические работы А. Н. Тихонова, В. К. Иванова и М. М. Лаврентьева по теории регуляризации некорректно поставленных задач.

В конце 60-х — начале 70-х годов в работах А. Н. Тихонова, В. К. Иванова и М. М. Лаврентьева и др. был разработан общий подход к методам регуляризации некорректно постановленных задач синтеза излучающих систем. Смысл этого подхода состоит в том, что неустойчивое решение уравнения Фредгольма 1 рода заменяется на устойчивое решение уравнения Фредгольма 2 рода с параметром регуляризации, связанным с точностью получаемого решения. При этом предполагается что устойчивое решение стремится к неустойчивому (правильному) при стремлении параметра регуляризации к нулю.

Таким образом, в целом, исследуются задачи синтеза при приеме широкополосных сигналов радиотехнической системой от заданной характеристики направленности при заданных автокорреляционных функциях до определения спектра мощности сигнала.

Заметим, что задача определения спектра мощности сигнала по заданной автокорреляционной функции особенно важна для передающих систем, т.к. заранее задается автокорреляционная функция исходя из требований к характеристикам системы (в основном разрешающая способности по дальности) и определяется, какую форму сигнала (импульса) следует использовать.

Задача же определения самого сигнала по спектру его мощности представляется самостоятельной весьма трудной задачей, которая по видимому может быть решена только при заданных ограничениях на форму самого сигнала и здесь не рассматривается.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является построение инженерных методов решения задачи синтеза входных устройств радиотехнических систем с учетом спектра принимаемого излучения. А именно, нахождение распределения тока во входном устройстве по заданной характеристике направленности и заданной функции отклика приемной системы.

Методы исследования.

Основным методом, используемым в работе, является метод регуляризации некорректно поставленных задач математической физики с параметром регуляризации, а также его разновидность — метод «саморегуляризации», как удобный с практической точки зрения для конкретных инженерных расчетов при решении задач синтеза устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосное излучение.

Для численного решения интегральных уравнений использован метод сеточных функций [1] как наиболее быстрый для использования на ЭВМ, а также метод коллокаций для проверки результатов.

Все расчеты в работе выполнены с помощью универсальной математической системы MathCad 2000 Professional.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в ней рассматриваются новые методы приближенного решения задач синтеза характеристик направленности входных устройств с учетом широкополосного излучения по заданной функции отклика приемной системы. Применительно к криволинейным (кольцо, эллипс) приемным системам задача решена впервые.

При этом в задачах синтеза используется современный математический аппарат решения некорректно поставленных задач математической физики.

Практическая ценность.

Практическая ценность диссертационной работы, прежде всего, заключается в том, что в ней разработаны достаточно точные инженерные методы решения задач синтеза, удобные для практического применения. Важно отметить, что рассмотренный метод «саморегуляризации» решения некорректных задач позволяет, заранее задавая необходимую точность решения, получать необходимые для практики результаты при построении новых радиолокационных систем или модернизации существующих.

Отметим также, что рассмотренные в работе задачи в настоящее время решаются в основном экспериментально.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Установление связи между характеристикой направленности криволинейных входных устройств приемных радиотехнических систем с обработкой широкополосных сигналов и относительной шириной спектра принимаемых сигналов.

2. Использование широкополосности принимаемых сигналов (а именно использование их обработки) для уменьшения геометрических размеров входного устройства приемной радиотехнической системы по сравнению с размерами, рассчитанными для сигналов одной частоты.

Реализация результатов работы.

Изложенные в диссертационной работе материалы использовались при выполнении плановых госбюджетных и хоздоговорных НИР, проводимых кафедрой «Теоретической и математической физики» НовГУ им. Ярослава Мудрого.

По результатам работы в Российское Агентство по патентам и товарным знакам подана заявка на изобретение № 2 004 100 632 (приоритет от 05.01.2004).

Результаты проведенных в диссертации исследований предполагается использовать в рамках проводимой ОКР на Федеральном государственном унитарном предприятии «ПО «Квант» для модернизации наземной станции помех. СПН-40, о чем имеется соответствующее заключение.

Апробация работы.

Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях:

— X Международная школа-семинар «Электродинамика и техника СВЧ, КВЧ и оптических частот». Тез. доклада. Москва, 2002 г.

— И Международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». Тез. доклада. Самара, 2003.

А также на областных научно-технических конференциях, проходящих ежегодно в Новгородском государственном университете.

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 14 печатных работах, как в местных, так и в центральных научно-технических журналах. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 126 страниц и содержит 89 иллюстраций.

Список литературы

включает 50 наименований.

119 Заключение.

Приведем основные результаты, полученные в работе.

1. Сформулированы задачи исследования входных устройств радиотехнических систем, принимающих широкополосные сигналы, для получения оптимальных характеристик.

2. Исследованы свойства заданных функций отклика приемной системы.

3. Подробно исследована задача синтеза характеристики направленности для линейных, кольцевых и эллиптических устройств, принимающих широкополосные сигналы при различных функциях отклика приемной системы.

4. Определены для них: распределения тока и, соответствующие им характеристики направленности при различных значениях длины устройства и относительной ширины спектра для заданных слабонаправленной и однолеиестковой характеристик направленности при приеме сигналов с квазиоптимальной автокорреляционной функцией.

5. Проведено сравнение полученных результатов с классической теорией синтеза антенн.

В заключение отметим, что в данной работе подробно было проведено исследование задач синтеза входных устройств с учетом широкополосности сигналов, а не сигналов одной частоты, как в известных работах по синтезу. Ведь только учет широкополосности дает возможность передачи информации, т.к. на одной частоте никакой информации передать нельзя. согласованном фильтре) показывают существенное отличие от классической теории синтеза «монохроматического» приемного устройства без учета обработки.

Особенно интересна эта теория, если в качестве входного устройства используется антенная решетка, т.к. удается для тех же характеристик направленности использовать меньшее число элементов решетки [17], [47−49].

Однако это представляется отдельным исследованием и не входило V в нашу задачу.