Эффективности систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели
На правах рукописи
А.С. Корсаков Повышение эффективности систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели Специальность:
05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева»
Научный консультант: Бабанов Николай Юрьевич кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева»
Официальные оппоненты: Бернюков Арнольд Константинович доктор технических наук, профессор кафедры Радиотехники и радиосистем ФГБОУ ВПО Владимирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых Горбачев Петр Андреевич кандидат технических наук, главный метролог Федерального бюджетного учреждения «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Нижегородской области» Ведущее предприятие: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского - Национальный исследовательский университет
Защита состоится «19» декабря 2012 г. в ауд. 301 кор.3 в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.025.04 при Владимирском государственном университете им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.
Отзывы, заверенные печатью в количестве 2-х экземпляров, просим направлять по адресу: ул. Горького, 87, ВлГУ, ФРЭМТ, г. Владимир, 600000.
Автореферат разослан «16» ноября 2012 г.
Ученый секретарь д.т.н., профессор Самойлов А.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Настоящая работа относится к области исследования эффекта нелинейного рассеяния радиоволн на объектах, содержащих нелинейные элементы.
Перспективным направлением исследований в данной области сегодня является применение специально изготовленных нелинейных рассеивателей в качестве пассивных маркеров-радиоответчиков и датчиков.
Работы в области исследования эффекта нелинейного рассеяния радиоволн, выполненные под руководством В.Б.Штейншлейгера, А.А.Горбачева, П.А.Горбачева, Н.С.Вернигорова, Г.Н.Парватова, Е.П.Чигина, Г.Д.Михайлова, Б.М.Петрова, Т.М.Заборонковой, Д.В.Семинихиной, С.В.Ларцова, С.Н.Разинькова, С.Н.Панычева показали, что с помощью маркеров - нелинейных рассеивателей могут решаться актуальные практические задачи, такие как: оценка параметров окружающей среды, определение структуры распределения поля вблизи источников электромагнитного излучения, маркировка товаров, людей, объектов, грузов и маршрутов движения, создание нелинейных помех радиоприему и др.
Среди указанных можно выделить задачи, в которых подразумевается взаимодействие с маркером – нелинейным рассеивателем на больших расстояниях и в условиях наличия переотражений от окружающих объектов и границы раздела сред. В частности, это задачи обнаружения оказавшихся за бортом людей, предварительно оснащенных спасательным жилетом с маркером – нелинейным рассеивателем, определение маршрута по предварительно установленным радиомаркерам, обозначение сброшенных с самолета грузов, разметка посадочных площадок и территорий с повышенной опасностью и т.д. В указанных случаях в преимущественном положении оказываются системы радиомаркировки, использующие пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели, так как данный тип нелинейного пассивного радиоответчика обладает наибольшим КПД преобразования запросного сигнала в полезный ответный сигнал. Принцип работы подобных систем заключается в том, что установкой поиска системы радиомаркировки излучается запросный сигнал на некоторой частоте fЗС. Этот сигнал выступает сигналом накачки для параметрического генератора, входящего в состав субгармонического нелинейного рассеивателя. В результате генерируется, переизлучается и регистрируется ответный сигнал на частоте fОС = 0,5fЗС. Если учесть, что субгармонический нелинейный рассеиватель всегда готов к использованию, дешев, прост в изготовлении, малогабаритен, не требует обслуживания и использования элементов питания, то становятся понятны надежды исследователей на создание систем радиомаркировки, ориентированных на дальнее обнаружение маркеров – субгармонических нелинейных рассеивателей.
К настоящему времени наибольший прогресс достигнут для задачи обозначения маршрутов следования, в частности, разметки речных фарватеров бакенами с размещенными на них субгармоническими нелинейными рассеивателями. Однако, полученные результаты еще не позволяют рекомендовать такие установки к практическому внедрению, хотя достигнутая дальность обнаружения (до 1 км) позволяет надеяться на успешное решение данной задачи.
Цель работы Обосновать возможность использования пассивных субгармонических нелинейных рассеивателей в системах радиомаркировки на больших расстояниях (сотни и тысячи метров). Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1) Выявить факторы, позволяющие повысить эффективность систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели.
2) Экспериментально подтвердить возможность применения в реальных условиях радиомаркеров – субгармонических нелинейных рассеивателей.
3) Разработать методы учета факторов, определяющих эффективность систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели.
Научная новизна 1) Показано, что повышение эффективности систем дистанционного поиска пассивных субгармонических рассеивателей возможно на основе учета их амплитудных и фазовых свойств.
2) Предложены новые способы формирования когерентных радиоимпульсов, последовательностей радиоимпульсов и парных пачек радиоимпульсов ответного сигнала в субгармоническом нелинейном рассеивателе, позволяющие компенсировать синхросигналы.
3) Теоретическим путем доказано, что могут быть синтезированы структуры из субгармонических нелинейных рассеивателей, обеспечивающие повышенный уровень ответного сигнала и формирование «суммарной» диаграммы обратного рассеяния, не содержащей «глубоких нулей».
Практическая ценность и реализация полученных результатов 1) Показано, что субгармонический нелинейный рассеиватель может использоваться для маркировки в диапазоне температур окружающей среды от –14 0С до +20 0С.
2) Предложена конструкция субгармонического нелинейного рассеивателя, способного генерировать ответные сигналы в полосе перестройки сигнала накачки ~ 40%.
3) Предложены структуры из нескольких субгармонических нелинейных рассеивателей и вид запросного сигнала, позволяющие одновременно формировать когерентные последовательности радиоимпульсов ответного сигнала на частоте субгармоники и диаграммы обратного нелинейного рассеяния, не содержащие «глубоких нулей».
Основные защищаемые положения 1. Для повышения эффективности систем радиомаркировки необходимо учитывать амплитудные и фазовые свойства субгармонических нелинейных рассеивателей.
2. Возможно увеличение чувствительности приемного устройства систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели, путем применения методов когерентного накопления.
3. Для решения задач радиомаркировки обосновано применение новых структур из субгармонических нелинейных рассеивателей, обеспечивающих повышенный уровень ответного сигнала и формирование «суммарной» диаграммы обратного рассеяния, не содержащей «глубоких нулей».
Апробация работы Результаты работы докладывались на научных конференциях: 8-й международной научно-технической конференции “Перспективные технологии в средствах передачи информации”, г. Владимир, 2009 г.;
10-й международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Инновации в системе непрерывного профессионального образования», Н. Новгород, 2009 г.;
5-й международной научно-практической конференции «Современные тенденции профессионального образования в подготовке специалистов в области автомобильного транспорта», Н. Новгород, 2009 г.;
15-й нижегородской сессии молодых ученых;
на научно-технических семинарах Нижегородского Высшего военного инженерного командного училища.
Результаты работы внедрены в Нижегородском Высшем военном инженерном командном училище в НИР «ЗАЩИТА», а так же в учебном процессе на кафедре инженерных боеприпасов по теме «Перспективные средства инженерной разведки минно-взрывных заграждений».
Структура и объем работы Диссертация состоит из списка сокращений, введения, 3-х глав, основных выводов, списка литературы. Содержание изложено на 167 страницах, включая рисунка и 5 таблиц. Результаты работ опубликованы в 10-и публикациях, три из которых опубликованы в изданиях из списка рекомендованного ВАК.
Во введении представлена цель работы, описаны задачи, решение которых позволяет достичь выбранной цели, определены объекты исследования и круг основных защищаемых положений.
Первая глава посвящена анализу публикаций и экспериментальным исследованиям в области изучения свойств субгармонических нелинейных рассеивателей (СНР), описанию процессов генерации субгармонического колебания в параметрическом контуре СНР.
Обзор публикаций, посвященных параметрическим рассеивателям, показал, что СНР обладает рядом преимуществ над прочими пассивными НР. Наличие в спектре ответного сигнала (ОС) от СНР компоненты на частоте субгармоники запросного сигнала (ЗС), позволяет селектировать ОС на фоне помех, возникающих при переотражении ЗС от подстилающей поверхности и сторонних объектов. Кроме того, СНР обладает большим коэффициентом преобразования мощности сигнала накачки (СН) в мощность ОС. В то же время для решения многих практических задач еще не достаточна достигнутая в экспериментах дальность обнаружения СНР.
На сегодняшний день не существует общей теории СНР, что осложняет их разработку, однако, существует развитая теория параметрических генераторов.
Анализ публикаций позволил выделить свойства СНР, существенные для решения практических задач. При этом были определены факторы, влияющие на дальность обнаружения СНР, и сформулировать задачи исследования. Так, увеличение уровня СН только позволяет возбуждать СНР на большем расстоянии, при этом с ростом уровня СН уровень ОС на частоте субгармоники СН не увеличивается. В результате, увеличение интенсивности ЗС с некоторого значения имеет смысл только при соответствующем увеличении чувствительности приемника.
Для решения задачи реального увеличения дальности обнаружения СНР необходимо сосредотачиваться на двух направлениях: увеличении чувствительности приемника и увеличении эффективности преобразования CН в ОС. Первое направление может быть реализовано на основе применения методов когерентного накопления, второе – на основе создания структур из СНР. Поэтому основным направлением данного исследования была задача создания условий, при которых в СНР формируются когерентные последовательности ОС. Для практического применения исследовались зависимости свойств СНР от температуры окружающей среды, так как для полупроводниковых элементов характерна существенная температурная зависимость.
Известен тип СНР, с параметрическим генератором, индуктивностью которого является открытый резонатор в виде проволочной дуги. Такие резонаторы, обладая хорошей добротностью, подвержены влиянию окружающих предметов. Поэтому в данной работе экспериментально исследовались СНР с закрытыми резонаторами, для которых менее существенно влияние окружающих предметов на резонатор.
В результате анализа публикаций, посвященных СНР, сделан вывод о том, что при исследовании возможности повышения эффективности СРМ, использующих СНР, должны учитываться их свойства, определяющие дальность обнаружения СНР:
1) вид ЗС должен учитывать, что генерация субгармонического колебания возможна в ограниченном диапазоне интенсивностей СН;
2) необходимо учитывать, что эффективность преобразования энергии СН в энергию сигнала на субгармонике падает с ростом уровня интенсивностей СН;
3) необходимо учитывать переотражения от границы раздела сред;
4) при превышении СН некоторого уровня в параметрическом генераторе СНР возбуждается сигнал на частоте субгармоники, фаза которого равна либо фазе СН, разделенной пополам, либо фазе СН, разделенной пополам плюс 180 градусов.
Рис. 1. Исследованные СНР: а) дипольный;
б) рамочный;
в) рамочный с индуктивностью параметрического контура в виде отрезка коаксиального кабеля;
г) дипольный с двумя параметрическими контурами, настроенными на разные частоты.
В первой главе так же представлены результаты экспериментальных исследований проведенных с дипольными СНР (рис. 1а), рамочными СНР (рис. 1б) и СНР с “закрытым” параметрическим резонатором, выполненным в виде отрезка коаксиального кабеля (рис. 1в). Было обнаружено, что свойства СНР с “закрытым” и “открытым” резонаторами качественно не отличаются.
-30 ПОС, дБ Вт/м - - - - - - ПСН, дБ Вт/м - - -35 -25 -15 -5 Рис. 2. Зависимость интенсивности волны ОС на расстоянии 1м от СНР от интенсивности волны СН, облучающего СНР, fСН=600 МГц. Индекс 1 – область генерации гармонического ОС на частоте fОС=300 МГц;
индекс 2 – область генерации ОС в виде шумового колебания, fПЧ=1 МГц.
ПОС, дБ Вт/м -40 - - - - - fСН, МГц - - 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 Рис. 3. Спектры субгармонического ОС (кривая 1, ПСН= – 17 дБ Вт/м2, fПЧ = 1 МГц) и генерации ОС в виде шумового колебания (кривая 2, ПСН= – 5 дБ Вт/м2, fПЧ = 1 МГц);
fСН = 600 МГц, fПЧ = 1 МГц.
При экспериментальных исследованиях измерялись амплитудная и частотная характеристики СНР. Из амплитудной характеристики видно, что сигнал на частоте субгармоники СН генерируется в ограниченной области значений интенсивности СН, внутри которой уровень субгармонического ОС, слабо зависит от уровня СН (рис. 2).
При превышении значения плотности потока мощности СН, ограничивающего данный диапазон сверху, происходит срыв генерации субгармонических колебаний. При этом было обнаружено, что некоторые из исследованных СНР переходили в другой режим – генерации шумового сигнала, который генерировался во всей предельной полосе частот, где ранее наблюдалась генерация субгармонического колебания. Суммарная энергия шумового сигнала оказалась примерно такой же, как и субгармонического при меньшем уровне СН. Спектры ОС для обоих режимов генерации представлены на рис. 3. При дальнейшем росте СН наблюдался срыв и шумовых колебаний.
Так же измерялись частотные характеристики СНР при различных значениях температуры окружающей среды. Результаты исследований представлены в таблице, из которой видно, что с понижением температуры сужалась полоса частот возбуждения параметрической генерации, однако центральная частота практически не изменялась. Кроме того, происходило изменение порога возбуждения СНР.
Таблица Температура среды, Полоса параметрической Максимальная плотность потока мощности окружающей СНР генерации, ПСН= – 27дБ Вт/м2 волны ОС на расстоянии 1 метр от СНР 20 С0 18 % – 48 дБ Вт/м 10 С0 18 % – 48 дБ Вт/м 0 С0 10 % – 49 дБ Вт/м –10 С0 5% – 50 дБ Вт/м –14 С0 0,8 % – 52 дБ Вт/м Для расширения полосы, в которой происходит возбуждение субгармонических колебаний была предложена конструкция СНР, у которой нагрузкой диполя являлись два параметрических контура, соединенных последовательно (рис. 1г). Их полосы возбуждения имели различные центральные частоты, но перекрывались. В эксперименте наблюдалось расширение полосы возбуждения такого СНР до 42%, при полосах возбуждения у исходных одноконтурные СНР 30%. В области перекрытия полос, где должны возбуждаться оба параметрических контура, амплитуда генерируемой субгармоники была примерно такая же, как и в областях, где возбуждался только один параметрический контур.
Вторая глава посвящена поиску вида ЗС, который учитывает амплитудные и фазовые свойства СНР при формировании последовательности радиоимпульсов ОС.
Первая попытка исследования возможности создания СРМ с учетом фазовых и амплитудных свойств СНР была сделана в 2000 г. Для учета амплитудных свойств СНР было предложено в составе ЗС излучать импульсный СН с меняющейся от импульса к импульсу интенсивностью в пачке импульсов (рис. 4). Для такого СН один или более импульсов должны попасть в область, где возможна генерация ОС.
1 2 3 4 5 VСН Vср Vв t Рис. 4. Пачка импульсов СН в месте расположения СНР (n=6). Vв – уровень СН, соответствующий возбуждению генерации субгармонического ОС;
Vср – уровень СН, соответствующий срыву генерации субгармонического ОС. Соответственно в ОС будет всего три радиоимпульса.
Для формирования ОС на частоте субгармоники с определенным законом изменения фазы от импульса к импульсу предложено воспользоваться свойством синхронизации возбуждаемого в параметрическом генераторе колебания от внешнего колебания на частоте генерации. Для этого одновременно с импульсами СН с частотой f и длительностью было предложено излучать короткие длительностью 1 синхронизирующие радиоимпульсы (СР) на частоте f/2 (см.рис5).
V СН 1) t V СР 2) t Рис. 5. Условные временные зависимости составляющих ЗС: кривая 1 – СН;
кривая 2 – СР.
СР, отражаясь от подстилающей поверхности и местных предметов, являются когерентной помехой приему. Поэтому предлагалось формировать СР в виде двух следующих сразу друг за другом одинаковых частей, имеющих противоположные фазы. Эти части должны взаимокомпенсироваться в приемнике, настроенном на оптимальный прием импульса ОС, значительно большей длительности ( 1).
а) б) VСР вых VСР вх V t t 2 2 Рис. 6. а) Парный СР в виде двух следующих друг за другом противофазных радиоимпульсов одинаковой длительности 1 с частотой заполнения равной частоте ОС. б) Результат «прохождения» этого парного СР через оптимальный фильтр, настроенный на радиоимпульс ОС с длительностью.
Уровень колебаний между двумя пиками V определяется неидентичностью радиоимпульсов в паре.
Анализ указанного технического решения показал, что оно имеет целый ряд недостатков: 1) неопределенность числа импульсов в ОС существенно усложняет обработку и ограничивает число импульсов в пачке;
2) не происходит полной компенсации СР (см. рис. 6);
3) при обработке в приемном устройстве результаты неполной компенсации СР будут накапливаться так же, как и радиоимпульсы ОС, что делает бесперспективным применение больших серий и невозможным получение существенного эффекта от когерентного накопления.
Задача повышения чувствительности приемника СРМ на основе применения методов когерентного накопления формулируется в диссертации как задача поиска структуры ЗС, состоящего из СН и СР, и методов обработки ОС, при этом должны быть выполнены три требования: 1) отсутствие ограничения на число радиоимпульсов СН в сериях ЗС;
2) полная компенсации СР;
3) оптимальная обработка, как серий радиоимпульсов ОС, так и одиночного радиоимпульса ОС.
VСH Vср Vв t Рис. 7. Серии радиоимпульсов СН. Vв – уровень СН, соответствующий возбуждению генерации субгармонического ОС;
Vср – уровень СН, соответствующий срыву генерации субгармонического ОС.
а) б) VСР вых VСР вх t t Рис. 8. а) СР в виде следующих друг за другом через временной промежуток 2 двух противофазных радиоимпульсов одинаковой длительности 1 на частоте ОС. б) Результат «прохождения» этого СР через согласованный фильтр, настроенный на импульс ОС с длительностью (лучшая идентичность и взаимокомпенсация импульсов;
при дальнейшей обработке может быть применена временная селекция) Первое требование может быть выполнено на основе формирования ЗС в виде серий с большим числом радиоимпульсов одинаковой интенсивности, при этом интенсивность импульсов СН меняется от серии к серии или от пачки серий к пачке серий (см. рис. 7).
Для выполнения второго требования используется три механизма. Первый механизм основан на том, что СР формируется в виде пары коротких идентичных противофазных импульсов с длительностью 1, следующих друг за другом через временной промежуток 2, превышающий время переходных процессов в генераторе синхросигнала СРМ (рис. 8). Это позволяет лучше обеспечить идентичность каждого из радиоимпульсов в паре и более полную самокомпенсацию такой пары в оптимальном приемнике.
Второй механизм относится к оптимальной обработке серии импульсов ОС. При этом создаются условия генерации ОС в СНР при которых бинарная последовательность радиоимпульсов ОС кодируется в соответствии с определенным бинарным законом P(t) с размерностью N и в соответствии с которым выполнется оптимальная обработка, а бинарная последовательность радиоимпульсов СР кодируется при излучении в соответствии с альтернативным бинарным законом Q(t) с размерностью N, для которого результат обработки в том же приемнике наихудший для всех возможных бинарных последовательностей с размерностью N. Для этого синхронизирующим должен быть как первый, так и второй СР из пары. Если выполняется условие 21 + 2 ( – длительность импульса СН), то можно без существенных потерь нарушить требование синхронизма для радиоимпульсов СН на небольшую величину 21 + 2.
Формирование импульсов ОС выполняется на основе следующего алгоритма:
если текущие символы законов P(t) и Q(t) совпадают, то синхронизирующим будет первый импульс из пары СР и радиоимпульс СН должен быть излучен в момент времени от переднего до заднего фронта этого первого импульса из пары. Если текущие символы законов P(t) и Q(t) не совпадают, то синхронизирующим будет второй импульс из пары СР, и излучение радиоимпульса СН должно быть «привязано» к нему. В соответствии с этим алгоритмом серия ЗС и ОС могут быть описаны, как функции времени VЗС(t) и VОС(t):
() () (() ( )) { ( ) () (1) (( ) ( )) ( ) ( (( ) ) (( ) )) ( )} () ( (( ) (( ) )) ( )} { ) (2) Здесь VСР, VСН и СР, СН – значения амплитуд и фаз радиочастотного заполнения соответственно СР и радиоимпульсов СН;
AОС – амплитуда ОС;
T – период следования парных СР;
H(t) – функция Хевисайда (единичного скачка);
ОС – фаза радиочастотного заполнения импульсов ОС;
S(t) – функция вида:
() () () { () () Синхронизация, как от первого, так и от второго СР, позволяет реализовать и третий механизм компенсации, для чего ЗС излучается парными последовательностями. Для первой последовательности синхронизация выполняется в соответствии с законом Q(t), а для второй в соответствии с законом –Q(t), закон кодирования ОС одинаков для обеих последовательностей P(t) (рис. 9).
Результирующий ОС образуется в результате сложения пары последовательностей ОС. Этот сигнал синхронен, кодирован по закону P(t), и имеет вид последовательности импульсов с пирамидальной формой огибающей (кривая 9).
Результирующий ОС VОС сумм.(t) представляется в виде функции от времени:
() (() ) ( ) { (( )) (3) ) ( )) ( ) ( (( ) (( ) ) ( )} (( )) Для функции (3) можно синтезировать согласованный фильтр. В то же время оптимальный фильтр, настроенный на прямоугольный радиоимпульс длительностью +1 +2, будет близок к оптимальному для сигнала VОС сумм.(t).
t 1) t 2) t 3) t 4) t 5) t 6) t 7) t 8) 9) t Рис. 9. Формирование ЗС и ОС с использованием серий из пар последовательностей радиоимпульсов. Кривая 1 – последовательность видеоимпульсов, соответствующая альтернативному закону кодирования Q(t). Кривая 2 – последовательность видеоимпульсов, соответствующая выбранному закону кодирования P(t). Кривые 3 и 6 – последовательности СР первой и второй серий (законы кодирования Q(t) и -Q(t) соответственно). Кривые 4 и 7 – последовательности радиоимпульсов СН первой и второй серий соответственно. Кривые 5 и 8 – последовательности радиоимпульсов ОС для первой и второй серий соответственно (закон кодирования P(t)). Кривая 9 – результат сложения двух серий радиоимпульсов ОС (кривых 5 и 8).
На рис. 10а представлена структурная схема СРМ. Обработка проходит в следующей последовательности: обработка пары серий, оптимальная обработка полученных серий. Структурная схема приемника СРМ представлена на рис 10б.
Таким образом, все три требования, необходимые для решения задачи повышения чувствительности приемника на основе применения методов оптимального приема могут считаться выполненными.
Генератор Устройство СНР СР 2 Антенна управления ЗС Генератор 3 f сн СН Антенна ОС fрс= 0,5 f сн Приемное устройство СРМ Рис. 10а. Общая структурная схема СРМ.
Рис. 10б. Общая структурная схема приемного устройства СРМ (блок 6 на рис. 10).
Третья глава данной работы посвящена поиску вида ЗС, который будет учитывать амплитудные и фазовые свойства системы СНР при формировании последовательности радиоимпульсов ОС. При этом рассмотрена задача увеличения уровня ОС от пассивного радиомаркера за счет использования в качестве последнего упорядоченных пространственных структур из нескольких СНР.
Из-за особенностей фазовых свойств параметрических генераторов систему из нескольких СНР со стабильной диаграммой обратного нелинейного рассеяния (ДОНР) можно создать только при использовании синхронизирующих механизмов.
Таких механизмов известно два: 1) на основе синхронизации от лидирующего СНР, возбудившегося первым;
2) на основе синхронизации от волны внешнего синхросигнала, излучаемого передающей антенной одновременно с СН. Каждый из этих механизмов позволяет формировать стабильную ДОНР. Однако, для каждой из этих ДОНР характерна многолепестковость. Кроме того, каждый из механизмов синхронизации должен обеспечивать формирование когерентного ОС.
В диссертации предложен алгоритм работы СРМ, названный “режимом мерцания”, который объединяет оба механизма. Суть заключается в том, что создается специальная структура из СНР, для которой нули ДОНР, сформированной по первому механизму, совпадут с лепестками ДОНР, сформированной по второму механизму. В результате, в суммарной ДОНР нулей будет существенно меньше или не будет вообще.
Условные временные зависимости, поясняющие процесс возбуждения структуры из СНР по первому и второму механизмам, представлены соответственно на рис. 11 и 12.
Для первоначального возбуждения «лидера» радиоимпульсы СН должны иметь передний фронт в виде монотонно растущей функции, а СР должны закончиться перед началом переднего фронта СН (рис. 11). В результате процесс манипуляции фазы происходит по цепочке: синхроимпульс – лидирующий СНР – остальные СНР структуры. Для одновременного возбуждения всех элементов той же структуры СН должен обеспечить одновременное превышение порога возбуждения на всех элементах. Для этого передний фронт радиоимпульса СН имеет скачкообразный вид, а СР заканчивается перед началом переднего фронта СН (рис. 12). В этом случае процесс синхронизации происходит по цепочке: синхроимпульс – СНР.
t t 1) 1) E E E1 E t t 2) 2) t t 3) 3) t t 4) 4) Рис. 11. Процесс возбуждения структуры из СНР по Рис. 12 Процесс возбуждения структуры из первому механизму. Временные зависимости: 1 – СНР по второму механизму. Временные синхронизирующего сигнала;
2 – СН (Е1 – уровень зависимости: 1 – синхронизирующего возбуждения «лидера», Е2 – уровень возбуждения сигнала;
2 – СН;
3 – ОС от лидирующего остальных элементов структуры), 3 – ОС от СНР;
4 – ОС от одного из элементов лидирующего СНР;
4 – ОС от одного из элементов структуры. Возбуждение происходит структуры. Возбуждение происходит не одновременно. одновременно.
В работе представлены результаты численного исследования структур из 2, 5, 7, 9, 13 и 17 СНР, представлены их ДОНР. Использование структуры из 17 СНР в сравнении с использованием одиночного СНР позволяет увеличить уровень ОС минимум на 14,9 дБ. При расчетах учитывалось, что каждый элемент структуры обладает изотропной ДОНР. Производилось сложение колебаний от каждого из СНР с учетом начальных фаз генерируемых ими ОС iОС и набега фаз iОС, возникающего из-за того, что элементы структуры находятся на разном расстоянии от излучателя СРМ. Напряженность результирующего поля Eрез(t) на частоте ОС может быть записана в виде суммы напряженностей ОС от каждого из СНР, входящих в систему:
() ( ) В качестве примера подобной системы представлена структура из пяти СНР (рис. 13) и ее ДОНР (рис. 14). Лидирующий СНР размещен в центре структуры, а остальные СНР равномерно разнесены на расстояние R от него. Из ДОНР видно, что уровень ОС более чем на 7 дБ превышает уровень ОС от одиночного СНР.
Проведенные в ходе работы численные эксперименты позволили определить некоторые конструкции структур из СНР, которые при работе СРМ в режиме “мерцания”, формируют суммарные ДОНР, свободные от наличия нулей.
Рис.13. Симметричная система из 5-и СНР, с лидирующим СНР в центре и остальными равномерно разнесенными на расстояние R=0,794ОС, здесь ОС – длинна волны ОС.
Poc, дБ - a, град - 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Рис.14 Огибающая суммарной ДОНР показана сплошной линией, - возбуждение от синхроимпульса, - возбуждение от лидирующего СНР.
Рассчитанное увеличение уровня ОС от структур из СНР (в сравнении с ОС от одного СНР) позволяет оценить выигрыш по мощности принимаемого полезного сигнала от маркера, находящегося вблизи границы раздела сред на расстоянии в несколько километров от поисковой установки. Подобная оценка целесообразна при расстояниях R между СНР и установкой поиска, соответствующих генерации ОС на частоте субгармоники СН. Эта дальность может быть определена с помощью зависимости плотности потока мощности волны ОС от плотности потока мощности волны СН, снятой для данного СНР (рис. 2). При этом должны быть заданы значения мощности СН PCН и остальные характеристики СРМ (рис. 15).
Примечательно, что зависимость (рис. 2) снималась для дипольного СНР, конструкция которого не разрабатывалась специально для задач поиска на больших дальностях. Разработка подобных конструкций выходит за рамки данного исследования. Для расчета дальности возбуждения генерации Rвозб и мощности принимаемого ОС PОС использовались формулы, полученные на основе формулы Введенского, учитывающие влияние границы раздела сред:
( ) () Здесь Пвозб – плотность потока мощности волны СН, соответствующая возбуждению генерации субгармонического ОС;
ПОС – плотность потока мощности волны ОС. Эти величины определялись из экспериментально снятой зависимости (рис. 2).
Рис. 15. Зависимость дальности возбуждения генерации ОС на частоте субгармоники СН от его мощности. Коэффициент усиления антенны СН GСН =20дБ;
длина волны СН СН =0,5м;
расстояния на которые подняты антенны СН и СНР над подстилающей поверхностью: H=15м и h=3м.
Рис. 16. Мощность принимаемого ОС от структуры из N СНР. R – расстояние между структурой и СРМ. Кривая с квадратными маркерами соответствует N=5;
треугольными – N=13;
крестами – N=17.
PCН = 10кВт.
Результаты вычислений представлены ниже (рис.15, 16). Из них следует, что СНР может быть возбужден на расстояниях более 2 км при PCН = 10кВт.
Использование вместо одного СНР структуры из нескольких СНР позволяет увеличить значение мощности принимаемого ОС. Для структуры из 13 СНР, мощность принимаемого ОС PОС от СНР, находящегося на расстоянии 2 км оказывается выше, чем 10 –11 Вт, что является допустимым значением для чувствительности современных приемных устройств.
Использование разработанных методов когерентного накопления ОС в приемном устройстве СРМ способствует превышению уровня принятого полезного сигнала над уровнем помех в 10 раз и более, что соответствует выигрышу, более 20 дБ. При этом не накладывается существенных ограничений на время кругового обзора антенны ЗС. Следовательно, можно говорить о том, что использование в качестве маркеров круговых отражательных структур из СНР и методов формирования последовательностей радиоимпульсов ОС с детерминированным законом изменения фазы делает возможным достижение приемлемых для практики дальностей обнаружения маркеров (до 2 км).
Исследование и учет радиофизических свойств СНР позволили предложить конструкции маркеров – структур из СНР, а так же разработать методы, обеспечивающие их обнаружение на больших дальностях.
Основные результаты 1. Результаты экспериментальных исследований субгармонических нелинейных рассеивателей показали, что:
изменение температуры окружающей среды в интервале - 140С до + 200С не приводит к существенному изменению центральной частоты полосы генерации субгармонического ответного сигнала, при этом при снижении температуры окружающей среды полоса генерации сужается;
свойства субгармонических нелинейных рассеивателей с «закрытым» резонатором аналогичны свойствам субгармонических нелинейных рассеивателей с «открытым» резонатором;
возможна генерация ответных сигналов в широкой полосе изменения частоты сигнала накачки (~ 40%), для этого предложена конструкция субгармонического нелинейного рассеивателя на основе последовательного включения контуров с перекрывающимися полосами параметрического возбуждения.
2. Показано, что повышение эффективности систем дистанционного поиска пассивных радиомаркеров – субгармонических рассеивателей на больших дальностях (сотни и тысячи метров), которое на современном этапе возможно на основе увеличения чувствительности приемного устройства и уровня ответного сигнала, сопряжено с необходимостью учета их амплитудных и фазовых свойств.
3. Установлено, что субгармонические нелинейные рассеиватели могут выходить в режим генерации широкополосного шумового сигнала во всей полосе частот возможной генерации ответного сигнала на частоте субгармоники сигнала накачки.
4. Предложен новый вид запросного сигнала, позволяющий:
учесть амплитудные свойства субгармонических нелинейных рассеивателей и формировать в субгармонических нелинейных рассеивателях ответный сигнал с фиксированным числом радиоимпульсов;
одновременно поднять чувствительность приемника поисковой установки и скомпенсировать помеховое воздействие синхросигнала, за счет использования (помимо сигнала накачки) синхросигнала на частоте ответного сигнала;
успешно вести когерентное накопление в приемном устройстве радиоимпульсов полезного сигнала, при значительном снижении уровня накопления помеховых синхронизирующих радиоимпульсов за счет использования различных законов кодирования начальных фаз для радиоимпульсов сигнала накачки и для синхронизирующих радиоимпульсов.
5. Предложен метод когерентной обработки в приемнике серий парных пачек импульсов принимаемого ответного сигнала, что позволяет компенсировать полностью радиоимпульсы синхронизирующего сигнала.
6. Для обеспечения повышенного уровня радиоимпульсов ответного сигнала и отсутствие «глубоких нулей» в «суммарной» диаграмме обратного рассеяния предложены:
способ формирования запросного сигнала, основанный на поочередном применении двух методов синхронизации в системах субгармонических нелинейных рассеивателей;
конструкции отражательных структур из субгармонических нелинейных рассеивателей, позволяющие увеличивать минимальный уровень ответного сигнала на величину более 10 дБ.
7. Показано, что использование нового вида запросного сигнала и круговых структур из субгармонических нелинейных рассеивателей (в качестве пассивных нелинейных радиомаркеров) делает перспективным применение нелинейных систем радиомаркировки для решения задач обозначения маршрутов. Для случая размещения субгармонического нелинейного рассеивателя на бакене расчетным путем определено, что возможно достижение приемлемой для практики дальности обнаружения (~ 2 км).
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Монография. Повышение эффективности систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели.
Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов.// Н. Новгород: ВГИПУ, 2011. 176с.
2. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов. Экспериментальное исследование амплитудно-частотных свойств субгармонических рассеивателей / Проектирование и технология электронных средств. - 2008, №3. – С. 22-26.
3. Н.Ю. Бабанов, А.С. Корсаков, С.В. Ларцов. Использование решеток из параметрических нелинейных рассеивателей в качестве маркеров-ответчиков / Проектирование и технология электронных средств. - 2009, №2. – С. 18-26.
4. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов. О возможности использования параметрических рассеивателей для разметки путей следования и фарватеров / Проектирование и технология электронных средств. - 2011, №4. – С. 2-12.
5. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов, И.С.Ларцов Патент на изобретение RU 2408033 C1 Способ обнаружения параметрических рассеивателей // Бюл. № от 27.12.2010.
6. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов, И.С.Ларцов Патент на полезную модель № 90222 Групповой параметрический рассеиватель // Бюл. № 36 от 27.12.2009.
7. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов. Когерентное накопление радиоимпульсов, рассеянных параметрическим рассеивателем. / Материалы восьмой международной научно-технической конференции “Перспективные технологии в средствах передачи информации”. - Владимир. - 2009, Том 1. – С. 147-149.
8. С.В.Ларцов, А.С.Корсаков. Когерентное накопление радиоимпульсов рассеянного сигнала при зондировании субгармонических нелинейных рассеивателей. / Материалы 10 Международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Инновации в системе непрерывного профессионального образования». - Н. Новгород. – 2009, Том 1. - С. 30-33.
9. А.С.Корсаков. “Маркеры-ответчики на базе решеток из параметрических нелинейных рассеивателей". / Материалы 5 Международной научно-практической конференции «Современные тенденции профессионального образования в подготовке специалистов в области автомобильного транспорта». - Н. Новгород. - 2009 - С. 117-119.
10. Н.Ю.Бабанов, А.С.Корсаков, С.В.Ларцов. Об оптимальном приеме сигналов от параметрических рассеивателей / Материалы международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии 2011». - Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2011 - С. 72-78.
Научное издание А.С. Корсаков Повышение эффективности систем радиомаркировки, использующих пассивные субгармонические нелинейные рассеиватели Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 11.12.2012. формат 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная.
Тираж 100 экз. Заказ Нижегородский государственный технический университет.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603950, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.