УДК 621.396.62

Радиоинтерферометр с автономными гетеродинами в разнесенных приемных каналах

 

А. П. Дятлов, Д. О. Троц

Технологический институт Южного Федерального Университета

Получена 22 июля 2013 г.

Аннотация. Исследуются принципы построения радиоинтерферометра и стенда для его моделирования с целью обеспечения оптимизации основных характеристик при различных исходных условиях.

Ключевые слова: радиоинтерферометр, линейный тракт приемника, пеленг, автономный гетеродин, шумовой сигнал, база пеленгования, отношение сигнал/помеха, погрешность пеленгования.

Abstract. Principles of constructing of radio interferometer and test bench for his modeling to ensure optimization of the basic characteristics for different initial conditions are considered.

Keywords: radiointerferometer, linear receiver chain, bearing, autonomousheterodyne, the noise signal, the base direction finding, signal-to-noise ratio, accuracy of direction finding.

 

Радиоинтерферометры (РИ) относятся к классу высокоточных пеленгаторов различных источников шумовых радиоизлучений [1]. Погрешность в РИ зависит величины базы, сектора и зоны пеленгования, а также определяется флюктуационной погрешностью и аппаратурными погрешностями за счет неидентичности линейных трактов приемника (ЛТП) и нестабильности каналов связи между приемными каналами РИ. В работе [1] исследованы пути уменьшения аппаратурной погрешности пеленгования, обусловленных неидентичностью каналов ЛТП, за счет введения режима калибровки, реализованного на основе совмещенного встроенного контроля.

В данной статье с целью дальнейшего снижения погрешности пеленгования исследуются принципы построения РИ с автономными гетеродинами в каналах линейного тракта приемного устройства.

С целью уменьшения погрешности пеленгования в РИ с большими базами в работе [2] было предложено использование независимых атомных стандартов частоты с фиксацией выходных эффектов на выходе каналов в запоминающих устройствах и последующей постобработкой на основе совмещения записей для определения пеленга.

Однако такой подход имеет такие недостатки, как высокая стоимость РИ, низкое быстродействие и возможность пеленгования в узком частотном диапазоне.

При необходимости функционирования РИ в широком частотном диапазоне предлагается использовать в качестве гетеродинов в приемных каналах двух независимых синтезаторов частоты, перестраиваемых по частоте от общего пункта управления (ПУ). С учетом современного уровня элементной базы, используемой при проектировании перестраиваемых широкодиапазонных синтезаторов частот имеется возможность реализации в каналах ЛТП гетеродинных напряжений с разносом частот до 500 кГц при перепаде температур от –20° С до +30° С [3].

Наличие частотного разноса сигналов на выходах ЛТП приводит к необходимости использовать в РИ вместо корреляционной обработки корреляционно-фильтровую обработку с последующим выделением свернутого по спектру сигнала в параллельном спектроанализаторе (ПСА), рабочий частотный диапазон которого согласован с частотным разносом гетеродинных напряжений.

С целью обеспечения функционирования в реальном масштабе времени между каналами приемника следует предусмотреть каналы связи по промежуточной частоте, а для уменьшения аппаратурной погрешности, обусловленной нестабильностью группового времени запаздывания в каналах связи предлагается использовать компенсационный алгоритм [3].

 

Рис. 1

 

С учетом вышеизложенного структура исследуемого РИ приведена на рис. 1, где А₁, А₂ — антенны; ЛТП₁, ЛТП₂ — линейные тракты приемника; Г₁, Г₂ — гетеродины; М₁, М₂ — модуляторы; УСВК₁, УСВК₂ — устройства совмещенного встроенного контроля; Обн₁, Обн₂ — обнаружители; РЛЗ₁, РЛЗ₂ — регулируемые линии задержки; П₁, П₂ — перемножители; ПСА₁, ПСА₂ — параллельные спектроанализаторы; ПУ — пункт управления; Упр₁, Упр₂ — управители; ЛС₁, ЛС₂ — линии связи; Ш₁, Ш₂,Ш₃ — шины управления; К₁, К₂ — каналы РИ.

Принцип действия РИ состоит в следующем. При пеленговании по азимуту сектор пеленгования Da определяется шириной диаграммы направленности антенн А₁ и А₂ в азимутальной плоскости q_a. В случае пеленгования источников радиоизлучений в дальней зоне, когда фронт приходящих электромагнитных волн можно полагать плоским, на входы каналов РИ поступают процессы

 

y₁(t) = S(t) + n₁(t);   y₂(t) = S(t – t_s) + n₂(t);
t_s = ,

 

где S(t) — шумовой сигнал (ШС), соответствующий квазибелому шуму (КШ); n₁(t), n₂(t) — внутренние шумы; t_s — временной сдвиг ШС, пропорциональный пеленгу a; d — разнос антенн А₁ и А₂ (база РИ); c — скорость распространения радиоволн.

Автокорреляционная функция ШС имеет вид:

 

R_s(t) =sinc(pDf_st) cos(2pf_st),DF = f_в – f_н,

 

где  — дисперсия сигнала S(t); f_s, Df_s — несущая частота и ширина спектра ШС; f_н, f_в, DF — нижняя, верхняя границы и ширина рабочего частотного диапазона РИ.

Поиск ШС по частоте в ЛТП₁ и ЛТП₂ осуществляется синхронно и завершается обнаружением ШС после перестройки частоты Г₁ и Г₂, когда

 

f_s – f_os1 = f_s1;   f_s – f_os2 = f_s2; f_os1 – f_os2 ≤ F;   Df_n ≥Df_s;   F<Df_n;

 

где f_os1, f_os2 — частоты гетеродинов Г₁ и Г₂; Df_n — полоса пропускания ЛТП₁ и ЛТП₂; F — величина расстройки частот гетеродинов Г₁ и Г₂ при их автономной перестройке по целеуказаниям от ПУ; f_s1, f_s2 — частота ШС после преобразования частоты в ЛТП₁ и ЛТП₂.

После прохождения процессов y₁(t) и y₂(t) через ЛТП₁ и ЛТП₂ с учетом аппаратурных погрешностей, обусловленных неидеальностью их фазочастотных характеристик, получаем:

 

y₁₁(t) = K₁[S₁(t – t₁) + n₁(t – t₁)];   y₂₁(t) = K₂[S₂(t – t_s– t₂) + n₂(t – t_s– t₂)],

Δt₀=t₁-t₂;

 

где K₁, K₂ — коэффициенты передачи ЛТП₁ и ЛТП₂; t₁, t₂ — групповое запаздывание, вносимое ЛТП₁ и ЛТП₂; Δt₀–неидентичностьЛТП₁ и ЛТП₂ по групповому запаздыванию.

При использовании в РИ совмещенного встроенного контроля, как показано в работе [1], обеспечивается благодаря УСВК₁ и УСВК₂ корректировка группового запаздывания в ЛТП₁ и ЛТП₂, таким образом, чтобы t₁ = t₂.

В Обн₁ и Обн₂ осуществляется энергетическое обнаружение, если

U₀₁(T₀) = >U_п;   U₀₂(T₀) = >U_п,

 

где U₀₁(T₀), U₀₁(T₀) — напряжение на выходе энергетических обнаружителей Обн₁ и Обн₂; T₀ — постоянная интегрирования в обнаружителе; U_п — пороговое напряжение.

При Df_пT₀>> 1 характеристики помехоустойчивости рассчитываются из следующих соотношений [5]:

P_по = Ф;   Ф(x) = ;   P_лт = 1 – Ф;

 = ;    = ,

 

 

где P_по, P_лт — вероятность правильного обнаружения и ложной тревоги; Ф(x), arc Ф(x) — функция Лапласа и обратная ей функция;  — входное отношение сигнал/помеха по мощности;  — отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе Обн₁₍₂₎; g_п — нормированный порог; — дисперсия шума в полосе Df_п.

Максимальное время поиска сигнала S(t) в ЛТП₁₍₂₎ по частоте и его обнаружения  равно

 =  .

 

После обнаружения ШС начинается этап подстройки РЛЗ₁ и РЛЗ₂ с целью обеспечения оценки временного сдвига t_s. При этом отличительной особенностью исследуемого РИ является необходимость перехода от корреляционной к корреляционно-фильтровой обработке. Учитывая, что средние частоты сигналов S₁(t) и S₂(t) отличаются на априорно неизвестную величину F, то для выделения свернутого по спектру выходного эффекта используется ПСА, частотный диапазон которого перекрывает интервал изменения F.

После завершения подстройки РЛЗ₁ и РЛЗ₂ на выходе перемножителя П₁₍₂₎ одного из каналов ПСА₁₍₂₎, центральная частота которого совпадает с разностной частотой F, выделяется компонент «сигнал–сигнал»

S₁₂(t) = ;
S₂₂(t) = ;

h_i(t) = pDf_ksinc(pDt) cos(2pt);    ≈ F,    

 

где t_l, t₂ — временные сдвиги, вносимые РЛЗ₁ и РЛЗ₂; t₁₁, t₁₂ — временные сдвиги, вносимые линиями связи ЛС₁ и ЛС₂;  h_i(t) — импульсная реакции i-го канала ПСА со средней частотой  и полосой пропускания D.

При t₁ = t_s – t_l2 и t₂ = –t_s + t₁₁ на выходе i-го канала ПСА₁₍₂₎ компоненты «сигнал–сигнал» представляет собой квазигармонические процессы  

 

S₁₃(t) = K_пr_s(Dt₁) cos(2pFt);
S₁₄(t) = K_пr_s(Dt₂) cos(2pFt);
r_s(t) = sinc(πDf_st),

 

где K_п — коэффициент передачи П₁₍₂₎; r_s(Dt₁), r_s(Dt₂) — коэффициенты автокорреляции сигнала в 1-м и 2-м каналах РИ; Dt₁, Dt₂ — временные рассогласования за счет неточности подстройки РЛЗ₁ и РЛЗ₂, а также неидеальности функционирования УСВК₁ и УСВК₂.

При использовании в качестве линий связи комбинированных многожильных кабелей с компенсирующими усилителями, например, кабель марки SAT100n, можно обеспечить:

1)                    равенство задержек, вносимых ЛС₁ и ЛС₂ (t₁₁ = t₁₂);

2)                    передачу в одной оболочке как радиосигналов (ЛС₁ и ЛС₂), так и управляющих сигналов (Ш₁, Ш₂, Ш₃);

3)                    возможность увеличения базы пеленгования d до десятков километров, поскольку в данном варианте РИ радиосигналы передаются на промежуточной частоте и кабели вносят затухание не более нескольких дБ на 1 км.

С целью уменьшения аппаратурной погрешности пеленгования, вносимой нестабильностью t_l1 и t_l2, оценки временных сдвигов  и , фиксируемые в ПУ, используются в компенсационном алгоритме для получения оценки временного сдвига  и оценки пеленга

= ;    =.

 

С учетом вышеизложенного среднеквадратичная погрешность пеленгования sa зависит от таких параметров как значение пеленга a, база пеленгования d и среднеквадратичная погрешность оценивания временного сдвига сигналов st

sa= ;   t_d = ;  a ≤ ,

 

где t_d — время прохождения ШС расстояния, соответствующего базе пеленгования d;  - сектор пеленгования.

Погрешность st зависит от флюктуационной погрешности st₁, аппаратурной погрешности st₂, методической погрешности st₃

st = .    

 

Среднеквадратичная флюктуационная временная погрешность st₁ определяется из соотношений [2]

st₁= ;  
Df_kT_α = 1;   Df_k = ;   g =  при < 1;   > 1,

 

где — отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе i-го полосового фильтра канала ПСА₁₍₂₎; g — отношение сигнал/шум по напряжению на выходе i-го канала ПСА₁₍₂₎; Df_a — рабочий частотный диапазон ПСА₁₍₂₎; Df_k — полоса пропускания каждого канала ПСА₁₍₂₎; n_k — количество каналов в ПСА₁₍₂₎; T_a — постоянная интегрирования на выходе каналов ПСА₁₍₂₎.

Среднеквадратичная аппаратурная погрешность st₂ определяется неидеальностью функционирования УСВК₁₍₂₎ (dt₁₂ = t₁ – t₂) и нестабильностью временного сдвига в ЛС₁₍₂₎
(dt = t_l1 – t_l2)

st₂= .

 

Среднеквадратичная методическая временная погрешность st₃ при дискретном законе перестройки РЛЗ₁₍₂₎ зависит от шага временного поиска t_ш и равна

st₃=  при t_ш<t_ks,

 

где t_ks — интервал корреляции ШС.

На этапе пеленгования осуществляется дискретная перестройка РЛЗ₁₍₂₎ до тех пор пока на частоте F в одном из каналов не появится гармоническое колебание, соответствующее компоненту «сигнал–сигнал». Окончательная подстройка РЛЗ₁₍₂₎ обеспечивается Упр₁₍₂₎, куда вводится дифференцирующая цепь для придания дискриминационной характеристике нечетного характера.

Длительность этапа пеленгования равна

T_эa= .

 

Реальная чувствительность РИ рассчитывается следующим образом

P_s1 = kT₀Df_nN_n;   P_s2 = kT₀Df_nN_n;   kT₀ = 4·10^–21 Вт/Гц,

 

где N_n — коэффициент шума ЛТП₁₍₂₎; P_s1, P_s2 — реальные чувствительности РИ в режимах обнаружения и пеленгования,,- входное отношение сигнал/помеха по мощности в режимах обнаружения и пеленгования. Длительность одного сеанса функционирования РИ равна T_РИ = T_п  + T_эa.

 С целью проверки теоретических расчетов при оптимизации основных параметров функциональных узлов и РИ в целом при различных исходных данных описываются принципы построения моделирующего стенда, реализованного на основе продуктов программы системотехнического моделирования SystemView.

Функциональная схема стенда приведена на рис.2

 

Рис 2.

 

На входе стенда используется три генератора шума: ФУ 0 для формирования шумового сигнала (ШС) и ФУ 30, 32 для формирования внутреннегошума n(t) РИ. Приемная часть РИ моделируется двумя каналами линейных трактов (ЛТП1 и ЛТП2). ЛТП 1,2 состоит из входных ПФ (ФУ 10, ФУ11), смесителей (ФУ 14, ФУ 15), гетеродинов (ФУ 16, ФУ 17), и полосовых фильтров на промежуточных частотах (ФУ 18, ФУ 19). При этом для имитации аппаратурных погрешностей РИ используется возможность задания на основе меню для моделей ПФ, соответственных форм АЧХ и ФЧХ, а изменением значений частот гетеродинов можно устанавливать различную величину частотного разноса F. Фиксированная линия задержки(ЛЗ) (ФУ 7) позволяет моделировать изменения значений пеленгов.

Коррелятор имеет три выхода и состоит из перемножителя (ФУ 21), регулируемой линии задержки (РЛЗ) (ФУ 20), трех параллельно включенных узкополосных фильтров УФ (ФУ 22, ФУ 23, ФУ 24), трех параллельно включенных детекторов огибающей (ФУ 25, ФУ 26, ФУ 27) и фильтров нижних частот (ФУ 28, ФУ 29, ФУ 30).

Первый выход коррелятора  (ФУ 22) предназначен для фиксации частотного разноса гетеродинов F. Второй выход коррелятора с ( ФУ 23) предназначен для грубой оценки задержки , вносимой ЛЗ (ФУ 7), и соответственно пеленга в режиме поиска на основе последовательной перестройки РЛЗ (ФУ 20) линейно-ступенчатым законом. Третий выход коррелятора с УФ 3 (ФУ 24) и дополнительно включенной дифференцирующей цепью (ФУ 31) предназначено для точного оценивания задержки  и соответственно пеленга  в режиме слежения при использовании дискриминационной характеристики.

Для обеспечения настройки и проверки нормального функционирования всех функциональных узлов и РИ в целом используется набор универсальных анализаторов (ФУ 32 – ФУ 42), обеспечивающих контроль временного и спектрального представления выходных процессов.

На рис 3 а, б, в приведены спектральные распределения ШС на выходе ФУ 10(11), ФУ 18, ФУ 19.

 

Рис. 3 а,б,в

 

Рассмотрим пример использования стенда при следующих исходных данных:

1.    ШС имеет среднюю частоту  и ширину спектра ;

2.    Разнос между частотами гетеродинов (ФУ16, ФУ17) может находится в интервале ;

3.    Диапазон поиска по пеленгу ;

4.    База РИ ;

5.    Диапазон поиска по задержке равен ; ;

6.    Частота дискретизации процессов .

В процессе моделирования необходимо осуществить:

1)    предварительную оценку пеленга при последовательном поиске путем оценки времени запаздывания , вносимого РЛЗ;

2)    оценку разноса частот между гетеродинами ;

3)    точную оценку пеленга в режиме слежения путем оценки времени запаздывания , вносимого ЛЗ.

При проведении первого этапа моделирования полагаем ; , а также закон перестройки РЛЗ (ФУ 20) линейно-ступенчатым с параметрами

; ; ; ; T_п=NT_ш ,

 

Где  – шаг перестройки РЛЗ;  – длительность шага перестройки РЛЗ; –номер и количество шагов перестройки РЛЗ;  – полоса пропускания ;  – длительность поиска по задержке (пеленгу).

На рис 4 а,б,в приводятся результаты моделирования при установке в стенде , c, N=12; Гц, .

 

Рис.4 а,б,в

 

Из рис.4в следует, что при отсутствии помехи n(t) погрешность оценивания временного сдвига  и пеленга  в режиме поиска при α=равна

; ;

 

При  и d=3 км имеем

 .

При проведении второго этапа моделирования полагаем , а границы полосы пропускания  соответствует диапазону изменения разноса F.

Для оценки частот гетеродиновFможно использовать спектральное распределение входного процесса на выходе , которое приведено на рис.5, из которого следует, что свертка спектра сигнала происходит на частоте , соответствующей частному разносу гетеродинов.

 

Рис.5

 

При проведении третьего этапа моделирования с выхода ДЦ при подаче а) y(t)=S(t); б)y(t)=S(t)+n(t) снимается дискриминационная зависимость

 

,

; ; ;

 

где  – полоса пропускания УФ₃;  – шаг перестройки РЛЗ в режиме слежения. На рис. 6 приведена дискриминационная характеристика коррелятора при подаче на вход РИ только сигнала.

 

Рис. 6

 

На рис. 7 приведена зависимость выходного отношения сигнал/шум по напряжению к входному отношению сигнал/помеха по напряжению , а на рис. 8 дискриминационная характеристика  при .

 

Рис. 7

 

Рис.8

 

При подаче на вход РИ аддитивной смеси y(t)=y(t)+n, как следует из рис.8 , а , при  и , где  – среднеквадратичные погрешности оценивания задержки и пеленга в режиме слежения. Результаты моделирования хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

Разработанные в данной работе принципы построения РИ могут быть использованы при построении многоэлементных РИ различного назначения.

 

Литература

1.     Дятлов А.П., Дятлов П.А. Совмещенный встроенный контроль линейных трактов широкодиапазонных супергетеродинных приемников.-М.: Специальная техника, №1, 2010, с.29

2.     Губанов В.С, Финкельштейн А.М.. Фридман П.А. Введение в радиоастрономию.-М:Наука, 1983. -280 с.

3.     Патент РФ №218874. Корреляционный пеленгатор. Авторы: Дятлов А.П., Евдокимов Ю.Ф.