close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Регенерация одиночных сверхкоротких радиоимпульсов для стробоскопического преобразования

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бойков Константин Анатольевич
РЕГЕНЕРАЦИЯ ОДИНОЧНЫХ СВЕРХКОРОТКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
ДЛЯ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Специальность 05.12.04 – «Радиотехника, в том числе
системы и устройства телевидения»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
МОСКВА 2018
2
Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных систем и комплексов
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет»
(РТУ МИРЭА)
Научный руководитель:
к.т.н. Костин Михаил Сергеевич, доцент
кафедры конструирования и производства
радиоэлектронных средств РТУ МИРЭА,
г. Москва
Официальные оппоненты:
д.т.н. профессор Рубцов Виталий Дмитриевич,
главный научный сотрудник филиала «НИИ
Аэронавигации» ФГУП ГосНИИ ГА, г. Москва
д.т.н. с.н.с. Вовшин Борис Михайлович,
начальника
отдела
ОКБ
АО
«Научнопроизводственное объединение «Лианозовский
электромеханический завод», г. Москва
Ведущая организация:
Акционерное общество «Центральный научноисследовательский радиотехнический институт
имени академика А.И. Берга», г. Москва
Защита состоится 11 октября 2018 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д212.131.01 при
МИРЭА –
Российском
технологическом университете по адресу: 119454, г. Москва, пр-т Вернадского,
д. 78, аудитория Б-410.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РТУ МИРЭА и на сайте
https://www.mirea.ru/science-and-innovation/dissertation-tips/dissertational-council-d212-131-01/.
Автореферат разослан «___» ________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.131.01
кандидат технических наук, доцент
© МИРЭА – Российский технологический университет, 2018
А.И. Стариковский
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации
Современные задачи радиовидения очень тесно связаны с разработкой и оптимизацией высокоточных методов преобразования и восстановления сверхкороткоимпульсных (СКИ) сигналов. Построение временного профиля эхолокационного СКИ, составляющего радиоизображение цели или материальной среды по ее радиофизическим параметрам, и сравнение его с уже имеющимися в базе данных радиопортретными откликами – основополагающий принцип идентификации в сверхширокополосном активном
радиовидении. Действительно, электродинамика сверхвысокочастотных радиоволн
позволяет, принимая рассеянные объектом или материальной средой СКИ-сигналы и
исследуя их особенности формоизменения, судить не только о геометрической структуре объекта, но и о мгновенных состояниях и неоднородностях среды, ее радиофизических свойствах.
На сегодняшний день существует ряд практических решений преобразования
электромагнитных СКИ-колебаний в цифровой код, позволяющий выполнять задачи
численного анализа и обработки радиосигналов. Такие решения, как правило, используют принципы стробоскопического преобразования, так как классическое прямое аналого-цифровое преобразование (АЦП) и параллельное преобразование с мультиплексированием каналов АЦП не эффективно для оцифровки СКИ, поскольку не обеспечивают субнаносекундного разрешения.
Недостатками стробоскопического метода масштабно-временного преобразования
(МВП) являются повышенные требования к высокоточной синхронизации и генерации
стробирующих импульсов (импульсов выборки), исключающие любые отклонения,
приводящие к ложным всплескам и искажениям в обрабатываемом радиосигнале, а
также восстановление исходного СКИ за несколько тактов, что исключает возможность
оцифровки СКИ по одиночному приему. Точностные характеристики стробирующих
импульсов можно повысить за счет использования средств радиофотоники или путем
перехода к технологии строб-фрейм-дискретизации (СФД). Однако устранить необходимость приема идентичных импульсов для восстановления исходного СКИ данными
методами не представляется возможным. Так, например, зондирование объекта серией
импульсов в системах активного радиовидения пеленгируемых целей при реализации
4
оцифровки СКИ методом стробоскопического МВП, либо посредством технологии
СФД приводит к увеличению вероятности обнаружения радиолокатора, что, в свою
очередь, повышает его уязвимость к системам радиоэлектронного противодействия.
Накачка энергии для создания мощного СКИ занимает протяженное время, относительно длины самого импульса и отраженный СКИ от объекта, стремительно меняющего свое положение в пространстве, может быть искажен при очередной смене
направления его движения, что не позволит МВП и СФД получить достоверную информацию о радиоизображении зондируемой цели. Интерес также представляет исследование радиофизических характеристик квазистабильных сред, способных изменять
свои свойства за время, соизмеримое с длительностью одиночного радиоимпульса.
Использование предлагаемой регенеративной системы (РГС), позволяющей ввести в замкнутый цикл СКИ, одновременно с этим отдавая его энергетическую часть для
дальнейшего стробоскопического преобразования, открывает перспективу новых возможностей в восстановлении отраженного СКИ за однократный прием.
Целью работы является разработка и исследование РГС, обеспечивающей возможность восстановления СКИ за однократный прием методами стробоскопического
преобразования.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка и анализ структурной схемы РГС, определение ее основных достоинств и недостатков.
2. Синтез идеальной функциональной модели РГС и исследование ее основных
параметров при помощи блок-диаграмм в графической среде имитационного моделирования Simulink. Анализ работы РГС в составе стробоскопических преобразователей.
3. Численное моделирование радиоизображений объектов (неоднородностей среды) в пакете программного электродинамического моделирования FEKO 7.0 для создания тестовых СКИ радиоволнового отклика.
4. Построение прототипа РГС и исследование его основных параметров с учетом
влияния шумов, искажений, затухания в среде Simulink и частотных свойств – в среде
схемотехнического моделирования Proteus.
5. Проведение экспериментальных исследований и анализ результатов на основе
разработанного образца макета РГС.
5
Методы исследования
Для решения поставленных задач применялись численные методы схемотехнического анализа, лежащие в основе специализированных систем автоматизированного
проектирования, методы теории линейных электрических цепей, численные методы
электродинамики и радиофизики, статистической радиотехники, методы проведения
экспериментальных исследований с использованием метрологического программноаппаратного обеспечения.
Научная новизна
1. Для стробоскопического преобразования впервые предложен метод восстановления одиночного СКИ-сигнала посредством его последовательной регенерации.
2. Получены и экспериментально подтверждены основные условия устойчивости
РГС в режиме последовательной регенерации СКИ.
3. Рассчитано и экспериментально подтверждено необходимое число циклов регенерации для восстановления одиночного СКИ стробоскопическими методами преобразования при заданном отношении сигнал/шум.
4. Исследовано влияние шумов, искажений, затухания СКИ на процесс регенерации импульсной последовательности.
Практическая значимость работы
1. Предложен метод регенерации последовательности для стробоскопического
преобразования с целью построения радиолокационных портретов объектов в радиовидении или исследования радиофизических характеристик квазистабильных сред по одному регистрируемому радиоимпульсу.
2. Построена и исследована модель РГС в программной среде Simulink с учетом
влияния шумов, искажений, затухания СКИ, позволяющая оценить воспроизводимую
точность восстановления исходного СКИ.
3. Разработана и рассчитана схема электрическая принципиальная РГС на быстродействующих радиокомпонентах в среде схемотехнического моделирования Proteus,
позволяющая выбрать частотный диапазон функционирования для СКИ заданной длительности.
6
4. Спроектирован и создан макет РГС на быстродействующих радиокомпонентах,
позволяющий исследовать возможности восстановления одиночного СКИ методами
стробоскопического преобразования.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Использование РГС в сочетании со стробоскопическими методами преобразования позволяет восстановить СКИ-сигнал по одному регистрируемому радиоимпульсу.
2. Минимальное число циклов регенерации последовательности СКИ ограничено
необходимой точностью восстановления радиоимпульса, а максимальное – шумами,
искажениями и затуханиями СКИ в РГС.
3. Отношение сигнал/шум, позволяющее обеспечить взаимную корреляционную
оценку исходного и восстановленного СКИ не хуже 0,9, должно превышать 9 дБ в диапазоне числа регенераций 15 ≤ N ≤ 20.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов диссертационных исследований определяется адекватностью математической и схемотехнической модели регенеративной системы, техническим соответствием опытного макета теоретическому описанию исследуемой РГС,
критерием соответствия которых служат корреляционный анализ и среднеквадратичное отклонение исходного и восстановленного СКИ. Также достоверность подтверждается актом о внедрении результатов диссертационных исследований и публикациями в
сборниках конференций и рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Апробация результатов и публикации
Основные положения диссертационных исследований докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях:
1. III Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы
и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком – 2017»), г. Москва, 2017 г.
2. 20-я Всероссийская молодежная научная школа-семинар «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники», г. Ульяновск, 2017 г.
7
3. VIII Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Научные чтения к 70-летию со дня основания ПАО «НПО» АЛМАЗ» по тематике «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО», г. Москва, 2017 г.
4. IX Всероссийкая школа-конференция молодых ученых «Фундаментальные
проблемы радиоэлектронного приборостроения» («INTERMATIC-2017»), г. Москва,
2017 г.
5. XV молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь –
перспективные технологии», г. Москва, 2017 г.
6. Семинар «Развитие научной школы РЭБ на базе ЦНИРТИ» в программе праздничных мероприятий, посвященных 75-летию ЦНИРТИ им. А.И. Берга, г. Москва,
2018 г.
7. VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы
развития информационно-управляющих систем РЛС ВЗГ дальнего обнаружения, интегрированных систем и комплексов информационного обеспечения воздушнокосмической обороны и комплексов управления и обработки информации» («РТИ Системы ВКО-2018»), г. Москва, 2018 г.
Публикации
По тематике диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 публикации в журналах из перечня рекомендованных ВАК, 1 публикация принята к опубликованию
журналом Scopus, 5 работ в сборниках международных и всероссийских конференций.
По результатам исследований получен патент РФ на полезную модель № 180812 от
22.06.2018 г. – «Череспериодный регенератор квазистационарной последовательности
субнаносекундных радиоимпульсов», подана заявка на патент на изобретение
(№ 2018104373 «Циклогенеративная система спектрально-временной рекуперации
сверхкороткоимпульсных сигналов» от 06.02.2018 г.).
Внедрение результатов работы
Разработанный метод регенерации одиночных СКИ и макет РГС рекомендуются к
использованию в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках АО
«МНИИРС» при изучении радиофизических характеристик среды распространения радиоволн, рельефа, а также текстуры зондируемых поверхностей по их радиолокационным
портретам для анализа устойчивых условий работы стационарных, самолетных, поездных
и морских станций спутниковой связи, а также в стендовых испытаниях по высокоточному
8
восстановлению одиночных СКИ методами стробоскопического преобразования в качестве перспективного потенциала развития помехоустойчивой радиосвязи в радионавигации и спутникового радиовидения.
Личный вклад автора
Основные результаты диссертационных исследований получены как лично автором, так и в соавторстве с научным руководителем. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения. Личный вклад включает выбор
методов анализа и расчета, моделирования с использованием специального программного обеспечения, разработку схемотехнических решений, проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы
из 87 наименований и двух приложений. Объем работы составляет 134 страницы машинописного текста, включая 89 рисунков и 6 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, поставлена цель и обозначены задачи, сформулирована научная новизна, показаны теоретическая и практическая значимость работы; представлены методы
исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту; приведены
сведения об апробации работы и структуре диссертации.
В первой главе рассмотрены современные методы и средства стробоскопического преобразования и численного анализа СКИ-сигналов, являющиеся наиболее перспективными в решении фундаментальных и прикладных задач радиофизики, радиовидения и радиофотоники. Как правило форма СКИ аналитически
описывается производной гауссовcкого видеоимпульса первого порядка (моноцикл Гаусса):
U Г (t ) = U ГM 2e
t
e
∆t
−
t2
∆t 2
,
где UГМ – амплитуда импульса, ∆t – длительность импульса.
(1)
9
На основе проведенного анализа методов и средств стробоскопического преобразования, оценки их основных недостатков, связанных с невозможностью восстановления СКИ за однократный прием был предложен метод регенерации последовательности – регенеративного преобразования, позволяющего восстановить
исходную форму СКИ по одному радиоимпульсу. Рассмотрены две модели РГС:
на базе современных быстродействующих радиокомпонентов и на элементной базе радиофотоники, с указанием основных достоинств и недостатков.
По результатам аналитического обзора установлено, что в современной
научно-технической литературе и публикациях мало изучены и освещены вопросы об исследовании и развитии систем с регенеративным механизмом, что обусловливает актуальность выбора объекта исследования диссертационной работы.
Во второй главе разобран принцип работы идеальной РГС, основной функциональный блок которой представлен на рисунке 1. Принцип работы данного блока следующий. СКИ-сигнал UВХ длительностью ΔT1 поступает на усилитель (У) с коэффициентом
усиления KУ, задерживается на линии задержки
(ЛЗ) на время ΔТ2 > ΔT1, часть усиленного сигнала UВЫХ от делителя (Д), с коэффициентом
деления KД идет на схему дальнейшего преобразования UПР, часть опять попадает на У.
Показано, что в идеальной РГС (без учета
Рисунок 1. Структурная схема
блока регенерации СКИ.
радиотехнических факторов: нелинейных искажений, шумов, взаимных наводок,
условий устойчивости, затуханий), число воспроизводимых повторений не ограничено. При KУ = KД, величина UПР постоянна и сигнал повторяется через время
ΔТ2, обусловленное задержкой ЛЗ.
10
Подробно рассмотрены и проанализированы основные структурные блоки
РГС на компонентах современной быстродействующей полупроводниковой электроники (рисунок 2).
СКИ-сигнал, принятый
блоком приема и обнаружения (БПО), приходит на
широкополосный усилитель
(ШУ) через открытое плечо
быстродействующего коммутатора
(перекидного
ключа – К). По прошествии
времени ΔТ1, соответствующему длительности СКИ,
Рисунок 2. Структурная схема РГС на базе быстродействующих радиокомпонентов.
с БПО на вход управления К поступает высокоуровневый сигнал, переключающий плечи последнего. Усиленный ШУ сигнал задерживается на линии задержки
(ЛЗ) на время ΔТ2 > ΔT1, затем расщепляется делителем (Д) на две составляющих,
одна из которых идет на блок стробоскопического преобразования (БСП), а вторая для дальнейшего усиления через переключенное плечо К на ШУ.
Недостатками данного метода являются нелинейные искажения, затухания и
особенно зашумления «зацикленного» сигнала после каждой операции усилениязадержки-деления. Выходной шум РГС зависит от числа операций регенерации:
nВЫХN
K 
1−  У 
N −1
K 
 KУ 
 Д


(
nВХ KУ + nШУ ) + nШУ
=
K 
K
 Д
1− У
KД
N −1
K
+ У
K
 Д




N −2
KУ (nЛЗ + n Д + nК ) ,
где nШУ – собственные шумы ШУ, nВХ – входной шум, nК – шумы перекидного
ключа, nД – тепловой шум делителя, nЛЗ – тепловой шум линии задержки.
Важнейшим условием работы РГС на базе быстродействующей полупроводниковой электроники рассматривается устойчивость как ШУ в частности, так и
всей системы в целом. Внутренние и внешние паразитные обратные связи приво-
11
дят к тому, что на столь высоких частотах ШУ может потерять устойчивость и
возникнет генерация паразитного сигнала. Показано, что для сохранения устойчивости РГС системы в целом, необходимо выполнение соотношения
KУ
< 1.
KД
Обоснован выбор делителя (аттенюатора), значения сопротивлений плеч которого определяются нагрузочной способностью ШУ, а также необходимостью
согласования его выхода и входа.
Основным назначением линии задержки является формирование частоты
следования СКИ на входе схемы дальнейшего преобразования. Она не должна
вносить существенных изменений в работу делителя за счет индуктивной, емкостной, и активной составляющей импеданса. Исходя из этих требований обоснован вариант выбора коаксиального кабеля, длина которого определяется временем задержки ∆Т2.
Одно из наиболее важных требований к перекидному ключу – переключить
плечо
в
момент
времени
TКЛ
с
быстродействием
TВКЛ
так,
чтобы
∆Т 1 < Т КЛ + Т ВКЛ < ∆Т 1 + ∆T 2 .
Требования по минимизации шумов и искажений для перекидного ключа те
же, что и для ШУ.
Очевидно, что наиболее неблагоприятными явлениями для реальной РГС на
базе быстродействующей классической полупроводниковой электроники являются, не только процессы, происходящие в главных активных элементах – ШУ и перекидном ключе, но и явления, протекающие в линии задержки и аттенюаторе.
Искажения, шумы, проблемы устойчивости взаимных наводок, затухания, необходимость согласования – факторы, которые уже на этапе проектирования ограничивают число возможных операций регенерации последовательности вследствие изменения формы сигнала от импульса к импульсу.
С целью минимизации указанных выше паразитных факторов рассматривается
возможность построения РГС на элементной базе средств радиофотоники (рисунок 3).
12
Принципы
работы
данной структуры аналогичны принципам работы РГС на базе быстродействующей
полу-
проводниковой электроники. СКИ-сигнал, принятый блоком приема и
Рисунок 3. Структурная схема РГС на элементной
базе средств радиофотоники.
обнаружения (БПО), поступает на электрооптический модулятор (ЭОМ) и одновременно запускает модулируемый импульс от лазерного осциллятора (ЛО). По
прошествии времени ΔТ1, соответствующему длительности СКИ, генерация ЛО
отключается. Модулированный импульс через оптический изолятор (ОИ1) поступает на оптический усилитель (ОПУ). Усиленный ОПУ сигнал задерживается оптической линией задержки (ОЛЗ); далее расщепляется оптическим делителем
(ОД) на две составляющих, одна из которых идет на блок обратного преобразования (БОП), а вторая – для дальнейшего усиления через оптический изолятор
(ОИ2), препятствующий прохождению сигнала в обратном направлении.
Для оценки целесообразности модификации, а также для понимания принципов преобразований в регенеративной системе на элементной базе радиофотоники
были рассмотрены основные компоненты ее организации.
Радиофотонные РГС не содержат нелинейных элементов и быстродействующих ключей в блоке регенерации, имеют существенно более широкую полосу
функционирования, а также избавлены от взаимных внутрииндуктивных наводок,
что позволяет предугадать и компенсировать искажения, вносимые ОПУ. Данный
факт делает радиофотонные средства наиболее привлекательными для создания
регенеративных систем.
Однако РГС, построенные на ОПУ, обладают достаточно высоким уровнем
шумов, что обусловлено эффектом спонтанного излучения ионов-активаторов.
13
Коэффициент
K ОШ =
1
K ОПУ
шума
KОШ
таких
систем
определяется
как
⋅ [1 + 2 N СИ (K ОПУ − 1)], где KОПУ – коэффициент усиления ОПУ, NСИ –
фактор спонтанного излучения, величина которого определяет относительные вероятности спонтанного и вынужденного излучения фотона и зависит от средних
населенностей рабочих уровней.
Данное обстоятельство ограничивает число регенеративных операций, поскольку спонтанное излучение при распространении по волоконно-оптической
линии многократно усиливается так же, как и полезный сигнал.
Следует заметить, что уменьшение числа операций регенерации не является
препятствием для дальнейшего исследования, поскольку лишь результаты моделирования с учетом всех перечисленных факторов могут показать необходимое
число преобразований для восстановления одиночного СКИ сложной формы.
В третьей главе для проверки функционирования и подтверждения основных принципов работы построена идеальная модель РГС при помощи блокдиаграмм, посредством среды функционального моделирования Simulink. Для
наглядности восстановления выбран сложный импульс, состоящий из суммы трех
гармоник, видаU (t ) = sin(ωt ) +
sin(5ωt ) sin(10ωt )
+
.
5
10
Одиночный сигнал
многократно повторяется в идеальной РГС, не
претерпевая изменений
(рисунок 4).
После
завершения
преобразования, в базе
Рисунок 4. Формирование последовательной регене-
данных (БД), созданной
рации во взаимодействии с методом МВП.
14
из массива АЦП, либо счетчиков, хранятся дискреты одиночного импульса,
оцифрованного посредством РГС. По данным дискретам возможно восстановить
сигнал с длительностью на несколько порядков выше исходного без изменения
его формы, выполнив тем самым масштабно-временное преобразование. Для
определения
необходимого
числа
преобразований, построены зависимости взаимной корреляции (ВКР) и
среднеквадратичного
отклонения
(СКО) восстановленного и исходного
СКИ от числа операций регенерации
(рисунок 5).
Таким образом, минимальное
число операций регенерации может
быть определено необходимой точностью восстановления СКИ. Для
Рисунок 5. Показатели оценки воспроизводимости СКИ по ВКР (а) и СКО (б) от
числа операций регенерации N.
случая r ≥ 0,9 (σ ≤ 0,08) число операций регенерации N ≥ 12.
Для оценки функционирования РГС с учетом перечисленных выше радиотехнических факторов, к идеальной модели добавлены источники, имитирующие
влияние паразитных параметров (источники шума, фильтры низкой частоты), а
также введена погрешность согласования: KУ ≠ KД. С точки зрения соблюдения
устойчивости и минимизации искажений необходимо, чтобы KУ < KД (затухающие колебания), в противном случае возможно насыщение и возбуждение РГС.
Показана возможность восстановления СКИ по затухающей последовательности
радиоимпульсов, описываемой законом релаксации вида
U (N ) =
KД
KУ
U1e − kN ,
(2)
15
где U1 – уровень сигнала на первом преобразовании, k – коэффициент затухания,
зависящий от величины разбаланса между KУ и KД.
Построены зависимости
ВКР и СКО восстановленного и исходного сигнала от величины
отношения
сиг-
нал/шум
(рисунок 6).
Как
видно из данной зависимости, наилучшее отношение
сигнал/шум для работы РГС
U/n ≥ 9 дБ, при 15 ≤ N ≤ 20
(r ≥ 0,9, σ ≤ 0,08).
В качестве импульсов
Рисунок 6. Показатели оценки воспроизводимости СКИ по ВКР (а) и СКО (б) от величины отношения сигнал/шум.
для восстановления рассмотрены формы отраженных сигналов от нескольких
геометрических фигур – идеально проводящей сферы, цилиндра и куба. Численное моделирование радиолокационных портретов проведено в параметрическом
пакете ПО электродинамического моделирования FEKO 7.0. Зависимость между
зондирующим (1) и отраженным СКИ задается интегралом
∞
Дюамеля
U (t ) ≈ ∫ U Г (τ )h(t − τ )dτ
,
−∞
где U(t) – принятый сигнал, UГ(τ) – зондирующий
сигнал, h(t) – импульсная
характеристика
объекта.
На рисунке 7 приведены
эпюры СКИ, отображаю-
Рисунок 7. Эпюры регенерируемого СКИ: а) на выходе идеальной РГС, б) на выходе РГС с учетом
влияния шумов, искажений и затухания СКИ.
щего радиопортрет проводящей сферы, сгенерированного идеальной РГС (рису-
16
нок 7,а), а также аналогичные эпюры с учетом влияния паразитных параметров
(рисунок 7,б). Как и для случая с идеальной РГС, для определения необходимого
числа преобразований, построены зависимости ВКР и СКО восстановленного и
исходного сигнала от числа операций регенерации N при U/n = 9 дБ (рисунок 8).
Показано, что функционирование
РГС на элементах быстродействующей полупроводниковой электроники
возможно при 15 ≤ N ≤ 20 (r ≥ 0,9;
σ ≤ 0,08), в диапазоне частот, ограниченным полосой и быстродействием
каждого из элементов системы (верхняя частота fВ < 5 ГГц). Данные ограничения не снижают преимущества
Рисунок 8. Показатели оценки воспроиз-
метода регенерации последовательно-
водимости СКИ по ВКР (а) и СКО (б) от
сти в целом, поскольку результаты
числа операций регенерации N.
моделирования показывают, что они
практически полностью компенсируются переходом от классической полупроводниковой электроники к оптоэлектронике путем замены полупроводниковых
узлов РГС на их радиофотонные аналоги.
По аналогии с алгоритмами, приведенными выше, построены зависимости
для РГС на элементах радиофотоники. Показано, что функционирование РГС на
элементах радиофотоники возможно при 15 ≤ N ≤ 20 (r ≥ 0,9; σ ≤ 0,08), в диапазоне, верхняя частота которого fВ > 5 ГГц и ограничена возможностями блока
стробоскопического преобразования.
Таким образом, в третьей главе показано функционирование РГС, как для
идеального случая, так и для случая с влиянием радиотехнических факторов, на
элементной базе с разными типами носителей. Построены обоснованные модели
РГС на уровне блок-диаграмм, проведен корреляционный анализ и рассчитано
СКО исходного и восстановленного СКИ в зависимости от числа циклов преобра-
17
зования, определено достаточное число операций регенерации. Важно заметить,
что восстанавливались сложные СКИ, полученные численным моделированием
радиопортретов геометрических фигур, указанных выше. Результаты моделирования полностью подтвердили способность РГС в сочетании со стробоскопическими методами преобразования воспроизводить одиночный СКИ сложной формы.
Четвертая глава посвящена разработке макета и проведению экспериментальных исследований функционирования РГС на быстродействующих радиокомпонентах.
Используя основные соотношения для РГС, и необходимость согласования
входа и выхода регенеративного усилителя рассчитаны номиналы всех компонентов системы для дальнейшего моделирования в среде, базирующейся на основе
PSpice моделей электронных компонентов – Proteus компании Labcenter
Electronics (рисунок 9).
Рисунок 9. Программная модель макета РГС на быстродействующих радиокомпонентах в среде Proteus (Puls – запускающий импульс от тумблера S1, In – вход поступления одиночного СКИ-сигнала, Out – выход системы).
18
При замыкании ключа S1, на вход Puls приходит СКИ-сигнал, одновременно
с этим на вход In подается сигнал управления коммутатором DA1, проходящий
через цифровую линию задержки и управления DD1. Далее СКИ проходит через
усилитель DA2 (коэффициент усиления определяется отношением номиналов резисторов R5 к R4) и задерживается линией LW, на время ∆Т2; затем – на аттенюатор, сформированный элементами R9 и R10, а от него параллельно на:
– дальнейшее стробоскопическое преобразование через буферный усилитель
DA3 (коэффициент усиления определяется отношением номиналов резисторов R8
к R7);
– на вход усилителя DA2 посредством положительной обратной связи, через
переключенное плечо DA1.
Таким образом, затухающий СКИ-сигнал повторно усиливается через время
задержки линии LW и цикл повторяется.
Показано, что для детальной демонстрации основных принципов работы РГС
целесообразно ограничить ее функционирование в полосе частот 20…200 МГц с
обработкой СКИ длительностью 5…50 нс, поскольку регистрация более коротких
одиночных импульсов без применения стробоскопических методов приема весьма затруднена.
После подтверждения устойчивости основного элемента разработанной системы,
проверена ее способность к регенерации последовательности, то есть проведен временной анализ.
Восстановление СКИ проводится посредством модели МВП в графической среде
имитационного моделирования Simulink с
последующим корреляционным анализом и
расчетом СКО исходного и восстановленного
радиоимпульса (рисунок 10).
Рисунок 10. Временной профиль
восстановленного СКИ: кривая 1 – восстановленный СКИ,
кривая 2 – исходный СКИ.
19
Идентичность моделей и практически равные показания восстановления
СКИ подтверждают работоспособность РГС и корректность разработанной схемотехнической модели. По завершении моделирования был собран макет РГС на
элементах быстродействующей полупроводниковой электроники.
Эксперимент проведен в полосе частот 20…200 МГц с обработкой СКИ длительностью 5…50 нс по схеме, представленной на рисунке 11.
Так, от генератора Г (Г5-78), запускаемого внешним воздействием, одиночный СКИ,
длительностью ΔТ1 поступает на смеситель С.
Ко второму входу смесителя подключен генератор шума ГШ (АКИП-3501/3). Смешенный
сигнал, заданный требуемым отношением
сигнал/шум, подается на РГС, генерирующую
серию затухающих СКИ с задержкой ΔТ2.
Рисунок 11. Структурная схема
экспериментального стенда.
Исходный (реперный) СКИ и серия импульсов поступают на разделенные входы осциллографа О (АКИП-4119/3). Одновременно с этим серия СКИ поступает на стробоскопический осциллограф СО (АКИП 4112/4), тактируемый генератором строба
ГС (R&H SMA100A) для масштабно-временного преобразования.
На осциллограмме (рисунок 12,а) показан процесс регенерации одиночного
СКИ длительностью ΔТ1 = 8 нс, сформированного ранее генератором. Восстановление СКИ проводилось по выгруженным с СО выборки данных в среду Simulink для
нивелирования регенерированной последовательности в соответствии с выражением
(2). Проведен корреляционный анализ и оценка СКО исходного (рисунок 12,б) и восстановленных радиоимпульсов при разных отношениях сигнал/шум (рисунок 12,в).
Рисунок 12. Результаты экспериментальных исследований: а) процесс регенерации СКИ, б) исходный (реперный) СКИ, в) восстановление одиночного СКИ для
разных отношениях сигнал/шум.
20
Проведенный эксперимент по восстановлению одиночного СКИ за однократную регистрацию радиоимпульса подтверждает ожидаемые результаты, полученные теоретически, и аналитическую достоверность построенных моделей РГС.
В заключении по результатам диссертационных исследований приведены
основные выводы, полученные в работе:
1. Для стробоскопического преобразования впервые предложен и внедрен,
научно и технически обоснованный метод восстановления одиночного СКИ посредством его последовательной регенерации.
2. Разработана и исследована структурная схема РГС, на основе которой в
среде схемотехнического моделирования Proteus построена и проанализирована
схема электрическая принципиальная устройства с применением быстродействующих радиокомпонентов.
3. Построена идеальная функциональная модель РГС и проанализированы ее основные характеристики в графической среде имитационного моделирования Simulink.
Исследованы параметры устойчивости РГС в режиме последовательной регенерации
СКИ. Проведен анализ работы РГС в составе устройств стробоскопического преобразования, определены условия эффективной работы комбинированной системы.
4. В пакете программного электродинамического моделирования FEKO выполнено численное моделирование формирования тестовых радиоизображений объектов
для синтеза реперных СКИ. Построена модель РГС и исследованы ее основные параметры с учетом влияния шумов, искажений, затухания при помощи блок-диаграмм в
среде моделирования Simulink, что позволило рассчитать необходимое число циклов
регенерации для восстановления одиночного СКИ стробоскопическими методами
преобразования при заданном отношении сигнал/шум. Для определения необходимого числа преобразований построены и исследованы зависимости оценки ВКР и СКО
восстановленного и исходного (реперного) СКИ от числа циклов регенерации.
5. С целью получения радиоизображений объектов в радиовидении или получения радиофизических характеристик квазистабильных сред по одному регистрируемому радиоимпульсу в системах стробоскопического преобразования построены схемотехнические модели РГС, защищенные патентом РФ на полезную модель.
6. На основе созданного макета РГС проведены стендовые испытания по восстановлению одиночного СКИ за однократную регистрацию радиоимпульса. Установлено, что ожидаемые результаты, полученные теоретически, подтверждаются
21
эмпирически. По результатам исследований получен акт о практическом внедрении РГС.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК
1. Костин М.С., Бойков К.А. Циклогенеративные системы высокоскоростной
оцифровки нестационарных субнаносекундных процессов. // Журнал радиоэлектроники
[электронный
журнал],
2017.
№6.
Режим
досту-
па: http://jre.cplire.ru/jre/jun17/8/text.pdf. Дата доступа: 18.04.2018 г.
2. Костин М.С., Бойков К.А. Циклогенеративные системы атактовой оцифровки субнаносекундных радиоимпульсов в радиовидении. // Инженерная физика,
2018. – №1. – С.41-47.
3. Бойков К.А. Разработка и исследование системы радиоимпульсной регенерации для устройств высокоскоростной стробоскопической оцифровки. Журнал
радиоэлектроники
[электронный
журнал],
2018.
№3.
Режим
доступа:
http://jre.cplire.ru/jre/mar18/6/text.pdf. Дата доступа: 18.04.2018 г.
Опубликованные труды международных и всероссийских конференций
1. Костин М.С., Бойков К.А. Высокоточные методы и средства оцифровки
сверхкороткоимпульсных сигналов. // Сборник научных трудов международной
научно-практической конференции «Радиоинфоком-2017», 2017. – Ч.1. – С.137-143.
2. Костин М.С., Бойков К.А. Актуальные проблемы физической и функциональной электроники. // Материалы 20-й Всероссийской молодежной научной
школы-семенара. – Ульяновск: УлГТУ, 2017. – С.222-223.
3. Бойков К.А. Получение радиоимпульсных характеристик целей при помощи средств атактовой оцифровки эхо-сигналов РЛС. // Актуальные вопросы развития систем и средств воздушно-космической обороны. Сборник докладов
Восьмой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов.
Москва, 26 октября 2017 года / под общей редакцией канд. техн. наук Н.Э. Ненартовича. – М.: ПАО «НПО «Алмаз», 2018. – С.283-289.
4. Костин М.С., Бойков К.А. Радиотехнические системы атактовой регенеративной оцифровки субнаносекундных сигналов. // Материалы Международной
научно-технической конференции «INTERMATIC-2017», 2017. – Ч. 4. – С.909-913.
22
5. Бойков К.А., Костин М.С. Моделирование циклогенеративной системы на
базе средств быстродействующей электроники. // Тезисы докладов XV молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь – перспективные
технологии», 2017 . – С.96-99.
Патенты
1. Патент РФ на полезную модель №180812 от 22.06.2018 г. Череспериодный
регенератор квазистационарной последовательности субнаносекундных радиоимпульсов. // Костин М.С., Бойков К.А.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
1 382 Кб
Теги
регенерации, радиоимпульсов, стробоскопических, преобразование, одиночный, сверхкоротких
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа