Исследование моделей сверхширокополосных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Постановка задачи.

2. Модель СШП сигналов.

3. Влияние антенн на сигнал.

3.1 Влияние передающей антенны на зондирующий сигнал.

3.2 Влияние передающей и приемной антенн на эхо-сигнал.

4. Влияние среды на эхо-сигнал.

5. Расчет угловой разрешающей способности СШП сигналов.

5.1 Расчет угловой разрешающей способности сигналов для линейной антенны.

5.2 Расчет угловой разрешающей способности эхосигналов для линейной антенны.

5.3 Расчет угловой разрешающей способности сигналов для кольцевой антенны.

5.4 Расчет угловой разрешающей способности эхосигналов для кольцевой антенны.

6. Анализ результатов моделирование.

6.1 Выбор среды моделирования, особенности программирования.

6.2 Анализ результатов экспериментов.

7. Экономическое обоснование работы

8. Анализ безопасности и экологичности работы.

8.1 Анализ трудового процесса пользователя

8.2 Оценка качественных характеристик трудового процесса

8.3 Разработка мероприятий, снижающих воздействие выявленных вредных факторов

8.4 Экологичность работы

Заключение

Список литературы

Введение

Разработка и внедрение сверхширокополосных систем представляет качественный скачёк в развитии локации. Использование СШП сигнала, ширина спектра которого соизмерима с его средней частотой, позволяет на более высоком уровне решать такие задачи радиолокационного наблюдения, как обнаружение и распознавание целей, построение их локационных изображений. При этом важную роль играет не только большая абсолютная ширина спектра СШП сигнала, достигающая единиц мегагерц, но и его значительная относительная широкополосность.

При создании теоретической модели СШП сигналов нецелесообразно применять традиционные характеристики, упрощающие описание узкополосных сигналов, а именно огибающую и фазу. Более того, обычное упрощенное комплексное представление сигнала, основанное на замене преобразования Гильберта простым сдвигом сигнала по фазе, характеризуется существенными погрешностями. Поэтому для описания СШП сигналов необходимо использовать вещественные функции времени и их спектральные функции. Соответственно решение задач радиолокационного наблюдения связано с анализом изменений формы сигналов при излучении, рассеянии и приеме, что требует соответствующего математического аппарата.

Внедрение СШП сигналов требует существенного изменения принципов построения аппаратуры локационных станций. Важной отличительной чертой СШП ЛС является принципиальная необходимость их оснащения развитой вычислительной системой. Это вызвано тем, что, во-первых, создание аппаратуры СШП ЛС, удовлетворяющей жестким требованиям к равномерности частотной характеристики СВЧ тракта в полосе частот в несколько мегагерц, оказывается технически невозможным или экономически неоправданным. Поэтому вычислительная система ГЛС используется для коррекции характеристик аппаратуры. Во-вторых, при решении обратной динамической задачи, для которой предназначена СШП ГЛС, из тонкой структуры рассеянного нестационарного поля извлекается огромный объем информации, для обработки которой с требуемой точностью необходимо использовать ЭВМ. При этом специфический характер таких задач, как распознавание локационных объектов и построение их изображений, требует использования сложных алгоритмов решения.

При решении нестационарных задач, связанных с применением СШП зондирующих сигналов, сформировались новые представления о механизме рассеяния, излучения и приема волн локационными целями и антеннами. В частности, влияние ДН на сигнал в зависимости от коэффициента широкополосности.

1.Постановка задачи

Большинство современных радиотехнических систем работает в узкой полосе частот, позволяющей традиционно обеспечивать их частотную селекцию. Однако, узкая полоса частот ограничивает разрешающую способность передающей системы. В тоже время постоянно растет необходимость увеличения разрешения при все большем удалении от излучающей системы. Поэтому в течение последних лет как в радиолокации, так и в радиосвязи активно исследуется возможность повышения разрешающей способности систем за счет расширения используемой полосы частот и освоения сверхширокополосных (СШП) сигналов.

Понятие «сверхширокополосный» впервые было официально введено в 1990 году. Комиссия Управления перспективных военных НИОКР Министерства обороны США (DARPA) для разделения радиотехнических систем по занимаемой ими полосе частот ввела общее определение относительной полосы частот [1]?= (fверх - fниж)/(fверх + fниж). В соответствии с этим определением системы или сигналы, имеющие 0,25<?<1 - отнесены к сверхширокополосным. Это определение в настоящее время широко используется в зарубежной литературе. В отечественных изданиях чаще соотношение для СШП сигналов выражают иначе:

Поэтому к СШП сигналам будут отнесены, имеющие 0,5< ? <2.

Как уже было сказано, СШП сигналы обладают рядом преимуществ перед узкополосными сигналами, которые возможно реализовать только учитывая все особенности при их применении. В данной работе предлагается рассмотреть, как влияет на спектр широкополосного сигнала передача его через антенну и влияние ДН на угловое разрешение СШП сигналов при различных коэффициентах широкополосности и при прохождении различной дистанции эхо-сигналами.

2. Модель СШП сигнала

Зададимся формой нашего СШП сигнала. Возьмем простейший случай, когда энергия сигнала равномерно распределена по всей ширине спектра нашего радиоимпульса. Тогда используя преобразование Фурье мы можем найти форму сигнала во временной области. Для радиосигнала с прямоугольным спектром она будет вида . Хотя для реальных сигналов это будет только приближение, так как в идеальном случае сигнал во временной области должен длиться бесконечно. А сигнал длительностью Т будет иметь спектр, который будет отличаться от прямоугольного. Но это отличие незначительно, поэтому мы можем пренебречь этой ошибкой.

Рис.2.1. Модель СШП сигнала в частотной и временной областях.

Использование на практике СШП сигналов ограничено. Это связано с трудностями по формированию, излученению и обработке таких сигналов. На современном этапе трудности, связанные с формированием и обработкой СШП сигнала удается преодолеть. Но излучать такие сигналы без искажения спектра сложно.

3. Влияние антенн на сигнал

3.1 Влияние передающей антенны на зондирующий сигнал

Рассмотрим влияние ДН передающей антенны на угловое разрешение СШП сигналов. Диаграмма направленности в простейшем случае для простой линейной антенны имеет вид:

,

где

? - обобщенный угол: sin? = sin? · sin?, с0 - скорость звука в воде, L - максимальный геометрический размер апертуры антенны.

Рис.3.1. Вид ДН антенны.

Ширина главного лепестка на уровне ?0,7 характеризует избирательные свойства антенны в пространстве.

Вид спектра сигнала после прохождения его через антенну зависит от ширины спектра сигнала. Рассмотрим характеристики сигнала в частотной и временной областях при различных значениях ?. Рассмотрим вначале прохождение через антенну узкополосного сигнала, т.е. применим условие 0<?<0.5. Возьмем, например, значения ?=0,1 и f0=10кГц, тогда ?f= 1 кГц.

Рис.3.2. Вид частотной и временной диаграмм зондирующего сигнала с ?=0,1.

И СШП сигнал с прямоугольным спектром со значениями ?=1, f0=10кГц, ?f= 10 кГц.

Рис.3.3. Вид частотной и временной диаграмм зондирующего сигнала с ?=1.

Основная проблема при прохождении сигнала через антенну с заданной ДН, в том что антенна не изменяет спектр сигнала только в случай излучения в направлении главного максимума, иначе происходит искажения спектра сигнала. На рисунках 3.5 и 3.6 спектры сигналов при прохождении сигнала, который излучается главным лепестком ХН в направлении 3о, а на 3.7 и 3.8 в направлении максимума второго лепестка (8о):

Рис.3.4. АЧХ линейной антенны при излучениях 3о и 8о.

Это означает, что и форма излучающихся сигналов в этом направлении другая. И влияет ХН антенны на узкополосные и широкополосные сигналы по разному:



Рис.3.5. Сравнение спектральных и временных диаграмм для узкополосного сигнала при излучении в направлениях 0о и 3о.



Рис.3.6. Сравнение спектральных и временных диаграмм для широкополосного сигнала при излучении в направлении 0о и 3о.

На рисунках 3.5 и 3.6 сравниваются характеристики сигнала до антенны и после ее прохождения:

, st - временная диаграмма до антенны, sst - после, временные диаграммы пронормированы по максимальному значению.

Из графиков видно, что для узкополосного сигнала изменение временной диаграмм не заметно, а для СШП сигнала различие уже есть.

Рис.3.7. Сравнение спектральных и временных диаграмм для узкополосного сигнала при излучении в направлениях 0о и 8о.



Рис.3.8. Сравнение спектральных и временных диаграмм для широкополосного сигнала при излучении в направлении 0о и 8о.

Сравнивая прохождение узкополосного сигнала и широкополосного сигнала, видно, что влияние антенны на СШП сигнал больше. А на временных диаграммах узкополосный сигнал остается без заметных изменений, а у СШП сигналов высокочастотные составляющие менее заметны после антенны, чем до.

3.2 Влияние передающей и приемной антенн на эхо-сигнал

Теперь найдем спектр эхо сигнала, т.е. постараемся учесть влияние сразу двух антенн: передающей и приемной. Для упрощения будем считать, что на излучение и прием работает одна антенна:

При этом сигналы, принимаемые не в направление главного максимума имеют еще более низкий уровень:



Рис.3.9. Сравнение спектральных и временных диаграмм для узкополосного эхосигнала при излучении в направлениях 0о и 3о.



Рис.3.10.Сравнение спектральных и временных диаграмм для широкополосного эхосигнала при излучении в направлении 0о и 3о.

На графиках видно, что у узкополосного сигнала частотные спектральные составляющие меняются меньше, чем у широкополосного. Изменение временной диаграммы для первого сигнала не значительно. У СШП сигнала уровни fн и fв отличаются в разы, из-за чего изменение временной диаграммы значительно.



Рис.3.11. Сравнение спектральных и временных диаграмм для узкополосного эхосигнала при излучении в направлениях 0о и 8о.



Рис.3.8. Сравнение спектральных и временных диаграмм для широкополосного эхосигнала при излучении в направлении 0о и 8о.

Из графиков видно, что в направлении боковых лепестков принимается очень малая доля сигнала. И если для узкополосного сигнала уровень спектральных почти одинаков, то для широкополосного сигнала появляются зона, где уровень падает до 0 или близок к 0. Из-за чего у сигнала появились огибающая с частотой fн и несущая f?f0. Это позволит при обработке принятых СШП эхосигналов с помощью математических методов выделить сигналы, принятые боковыми лепестками ДН антенны.

4. Влияние среды на эхо-сигнал

Рассмотрим влияние среды на свойства СШП сигналов.

Зондирующие сигналы оставим прежними, т.е. это сигналы с прямоугольным спектром различной ширины:

Рис.4.1. Центральная частота 10 кГц, ширина спектра 10 кГц;

Рис.4.2. Центральная частота 10 кГц, ширина спектра 1 кГц.

Предположим, что цель находится в воде в дальней зоне, т.е. выполняется условие:



где r - расстояние от центра антенны до цели, L - наибольший размер апертуры антенны. Тогда спектр эхо сигнала можно найти по формуле:

где ?0 - коэффициент поглощения акустической энергии в воде.

Это выражение справедливо для любых, в том числе и СШП сигналов. В настоящее время существует значительное число формул для вычисления ?0. Их анализ показывает, что наиболее обоснованной эмпирически и физически можно считать формулу Марша и Шулкина. Если верхняя граничная частота ?в спектра зондирующего сигнала лежит в пределах нескольких десятков - ста кГц, эта формула приводит к виду:

где

S00=30 ‰ - соленость в промилле, Т=23 оС - температура в градусах. Тогда а=2,3•10-14.

На рисунке 4.3 приведены частотные характеристики среды для дистанций 0, 5, …, 20 км:



Рис.4.3. Сравнение частотных характеристик среды для различных дистанций.

Из графика видно, что чем больше используемая частота, тем сильнее уровень эхосигнала зависит от расстояния.

Рассмотрим более детально эти характеристики на участке, где находятся наши зондирующие сигналы:



Рис.4.4. Сравнение частотных характеристик среды для различных дистанций (приближение).

Перемножим спектры зондирующих сигналов на найденные характеристики и посмотрим спектры эхосигналов:

Рис.4.5. Центральная частота 10 кГц, ширина спектра 10 кГц;



Рис.4.6. Центральная частота 10 кГц, ширина спектра 1 кГц;

Мы видим, что влияние среды на узкополосные значительно ниже и разница в уровне спектра между минимальной и максимальной частотами не менее 1 %. Влияние на широкополосный сигнал более значительное, причем следует учитывать, что влияние среды в зависимости от частоты изменяется не линейно. И для зондирующего СШП сигнала разница составляет уже почти 10% при прохождении расстояния в 20 км. Но если рассмотреть временные спектры, то можно увидеть, что они различаются не значительно.

И если посчитать разницу в энергии сигналов, который условно проходит расстояние 0 и эхосигналом, проходящим расстояние 20 км, то она составляет:

т.е. 9,4%. Следует учесть, что в расчетах берется идеальный случай и нет других потерь, кроме затухания в воде, а вся энергия, прошедшее расстояние 20 км попадает в антенну. Но главное из графиков видно, что форма сигнала меняется не значительно, а именно влияет на разрешение сигнала.

5. Расчет угловой разрешающей способности СШП сигналов

5.1 Расчет угловой разрешающей способности сигналов для линейной антенны

Основные характеристики гидролокационных станций (ГЛС), такие как погрешности определения направления на цель пеленгования, значения углового разрешения нескольких целей, вероятности ложного обнаружения при наличии вне направления локации достаточно больших отражающих объектов (ложных целей), непосредственно связаны с пространственно-энергетическими характеристиками ГЛС. В общем случае определяются как функция

(5.1)

Где - энергия эхосигнала от цели, расположенной на расстоянии r от начала координат в направлении ?, ? относительно нулевого направления (в сферической системе координат r- полярный радиус, ?- долгота, ?-широта); - эхосигнал от идентичной цели, расположенной на том же расстоянии r, но в направлении полярной оси (?=0, ?=0). Начало координат, направление полярной оси и содержательный смысл Ес могут выбираться различным образом и, соответственно, получаться различные функции . Эти функции представляют собой естественное обобщение понятия характеристик направленности, применимое к СШП сигналам, в том числе с учетом влияния их фильтрации в приемном тракте.

При неограниченном уменьшении ширины спектра сигнала ?? функция (1) превращается в обычную характеристику направленности (XН) по мощности приемной и излучающей антенн, т.е.

(5.2)

где - квадраты модулей сигналов излучающей и приемной антеннах; при обратимой антенне

(5.2a)

где ?Н, ?В - нижняя и верхняя границы энергетически значимой части спектра. Для упрощения перейдем к обобщенному углу ?:

sin? = sin? · sin?

Рассмотрим, как будет зависеть вид и параметры функции (5.1) от ширины спектра зондирующего сигнала. При этом будем предполагать, что ГЛС - однопозиционная, излучающая и приемная антенны совмещены и эквивалентны, функция рассеяния цели не зависит от ракурса и частоты (ее эквивалентный радиус ), среда - однородная и изотропная.

Будем рассматривать функцию для случая, когда Ес - энергия эхосигналов на выходе приемной антенны (чувствительность антенн в излучении и приеме полагается равной 1).

Предположим, что цель находится в дальней зоне, т.е. выполняется условие:

(5.3)

где r - расстояние от центра антенн до цели, L - наибольший размер апертуры антенны.

При этих предположениях спектральная плотность давления эхосигнала определяется выражением, приведенным к r0=1 м:

(5.4)

где , - коэффициент осевой концентрации, - спектр исходного сигнала, r - расстояние до объекта, - задержка сигнала, проходящего расстояние r со скоростью с0, - фазовый набег, - затухание в среде.

Тогда энергия эхосигнала будет равна:

(5.5)

Упростим выражение. ищем при и :

(5.4 а)

(5.5 а)

Составим отношение:

(5.6)

Сделаем расчет для антенны, возьмем частный случай - линейная непрерывная антенна длиной L, имеющая ХН:

Известно, что для такой антенны

сигнал модель антенна эхо

Полагаем r = 0, . Тогда

(5.7)

Но у наших зондирующих сигналов спектр располагается в определенной зоне, то нет необходимости брать интеграл в бесконечных пределах, а можно ограничится величиной ?f - шириной спектра.

(5.8)

Т.к. ?f и f0 связаны через коэффициент широкополосности ?:

то получается, что угловое разрешение зависит от коэффициента широкополосности и центральной частоты.

Построим графики зависимости углового разрешения эхосигнала от ширины полосы при f0=const, приняв f0=10 кГц:

Рис.5.1. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала.

5.2 Расчет угловой разрешающей способности эхосигналов для линейной антенны

Как уже говорилось ранее, на спектр влияет не только ДН антенны, но и затухание в воде. Найдем как влияет на угловое разрешение СШП эхосигнала пройденное расстояние, подставив формулу (5.6) в (5.8) :

(5.9)

Построим вначале график при коэффициенте широкополосности ?=0,05, f0=10 кГц (сигнал узкополосный):

Рис.5.2. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=0,05

На рисунке 5.2. приведены характеристики разрешающей способности узкополосного сигнала при прохождении сигналом 0, 10 и 20 км (они совпадают) Из графика видно, что угловая разрешающая способность для узкополосных сигналов от расстояния не зависит и имеет форму .

Теперь построим эти же характеристики для эхосигнала с коэффициентом широкополосности ?=1 и ?=1,95, средняя частота прежняя f0=10 кГц(СШП сигнал):

Рис.5.3. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=1



Рис.5.4. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=1,95

Из рисунков 5.3 и 5.4 видно, что угловая разрешающая способность несколько падает, и тем сильнее, чем больше расстояние до цели, и чем больше коэффициент широкополосности. Сравним теперь разрешающую способность сигналов с различной шириной спектра на расстоянии 10 и 20км:



Рис.5.5. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала, цель на расстоянии 10 км.

Рис.5.6. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала, цель на расстоянии 20 км.

Из графиков видно, что хотя СШП сигналы обладают несколько худшей угловой разрешающей способностью, у них менее заметны боковые лепестки, а у сигнала с ?=1,95 характеристика не имеет боковых лепестков, поэтому если идет сканирование окружающего пространства, угловое разрешение такой формы позволяет определять объекты по максимуму, избегая возникновения ложных максимумов.

5.3 Расчет угловой разрешающей способности сигналов для кольцевой антенны

Исследуем теперь антенну с более сложной характеристикой направленности, например кольцевую. ХН кольцевой антенны:

(5.10)

где I0 - функция Бесселя нулевого порядка, L - диаметр кольца.

Аналогично пункту 5.1 найдем конечную формулу для углового разрешения этой антенны.

(5.11)

Полагаем r = 0, . Тогда

(5.12)

Построим графики зависимости углового разрешения эхосигнала от ширины полосы при f0=const, приняв f0=10 кГц:

Рис.5.7. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала.

По сравнению с линейной антенной кольцевая имеет лучшее угловое разрешение, при чем СШП сигнал имеет более острую характеристику, по сравнению с узкополосным сигналом.

5.4 Расчет угловой разрешающей способности эхосигналов для кольцевой антенны

Произведем расчет аналогично пункту 5.2. Конечная формула совпадает с формулой (5.11).

Построим графики при коэффициентах широкополосности ? равных 0.05, 1 и 1,95, f0=10 кГц:



Рис.5.8. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=0,05.

Рис.5.9. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=1.



Рис.5.10. Разрешающая способность при коэффициенте широкополосности ?=1,95.

Из графиков видно, что у узкополосного сигнала, аналогично линейной антенне, угловое разрешение не зависит от расстояния. При увеличении спектра угловое разрешение с ростом расстояния ухудшается, при этом появляются дополнительные боковые лепестки, при дальнейшем росте ширины спектра характеристики делаются еще шире, но боковые лепестки исчезают.

Сравним теперь разрешающую способность сигналов с различной шириной спектра на расстоянии 10 и 20км. Из графиков на рисунках 5.11 и 5.12 видно, что эхосигналы у кольцевой обладают несколько худшей угловой разрешающей способностью, но при этом имеет меньший уровень боковых лепестков. И при приближении ? к 2 боковые лепестки исчезают полностью.



Рис.5.11. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала, цель на расстоянии 10 км.

Рис.5.12. Сравнение углового разрешения эхосигналов в зависимости от ширины спектра сигнала, цель на расстоянии 20 км.

6. Анализ результатов моделирование

6.1 Выбор среды моделирования, особенности программирования

Все результаты работы были получены в пакете программ Mathcad 2001. Выбор среды программирования обусловлен рядом преимуществ данного пакета программ, в частности наглядности программ, простотой редактирования формул, возможностью легко задавать графики и их вид, построением трехмерных графиков.

Временные характеристики были найдены с помощью алгоритма обратного быстрого Фурье преобразования. Для этого была использована встроенная функция программы Mathcad - ifft (inverse fast Fourier transforms), что позволило упростить моделирование сигналов с заданным спектром.

6.2. Анализ результатов экспериментов.

Результаты, полученные в пунктах 3 и 4, показывают, что антенны и среда распространения тем сильнее влияют на спектр передаваемого сигнала, чем больше коэффициент широкополосности, т.е. чем шире спектр сигнала. Это необходимо учитывать при обработке таких сигналов, т.е. корректировать эхосигналы с помощью ЭВМ уже в процессе их обработке.

Рассмотрено влияние ДН антенн на угловое разрешение гидроакустических СШП сигналов. Результаты показали, что СШП эхосигналы обладают угловым разрешением не хуже узкополосных сигналов, сохраняя при этом свои основные положительные качества - разрешение по дальности.

Заключение

В дипломной работе на академическую степень “бакалавра” были получены следующие результаты:

· Проведен анализ модели СШП сигналов с прямоугольным спектром, найдена временная форма сигнала в зависимости от коэффициента широкополосности.

· Рассмотрено влияние среды распространения, воды, вследствии чего меняется форма эхосигнала в зависимости от коэффициента широкополосности и пройденного расстояния.

· Рассмотрено влияние ДН антенн на угловое разрешение гидроакустических СШП сигналов. Результаты показали, что СШП эхосигналы обладают угловым разрешением не хуже узкополосных сигналов, сохраняя при этом свои основные положительные качества - разрешение по дальности.

· Сделан анализ безопасности разработки при её эксплуатации, с указанием возможных опасных факторов.

· Приведены экономические параметры работы, определены полные затраты на разработку.

Список используемой литературы

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио,1977.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1983

3. Астанин Л.Ю., Костылев А.А.Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989.

4. Евтюков А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988.

5. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. - Л.: Судостроение, 1987.

6. Махонин Г.М., Покровский Ю.О., Черниховская Г.Л. Влияние спектра гидролокационного СШП сигнала на его пространственно-энергетические характеристики.

7. Иммореев И.Я., Синявин А.Н. Излучение сверхширокополосных сигналов.

8. Исаакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973.

9. Евтютов А.П. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988.

Размещено на Allbest.ru