Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпускная работа

Полунатурное моделирование широкополосных радиолокационных сигналов для испытаний радиолокаторов с синтезированной апертурой

Введение

Актуальность задачи

Достоверность оценки параметров космического радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) при наземных испытаниях и получаемых впоследствии с его помощью данных дистанционного зондирования Земли в значительной мере зависит от структуры, качества и продуманности технических решений системы наземной отработки. Необходимость разработки методик, позволяющих провести наземные проверки сквозных характеристик космических локаторов, связана как со сложностью радиолокационного комплекса (РЛК), так и с тем, что отечественные РСА создаются на новой элементной базе после многолетнего перерыва, что не даёт возможности использовать имевшиеся заделы и методики испытаний.

Одна из основных проблем - создание контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) для испытаний РСА. Для проверки приемного тракта обычно разрабатывают генератор сигналов. При испытаниях РСА и его подсистем на соответствие системному критерию требуется сформировать зондирующий сигнал, соответствующий применяемому в испытываемом радиолокаторе.

Благодаря прогрессу в развитии мировой микроэлектронной техники и элементной базы можно создавать наземные испытательные системы на базе серийных АЦП и ЦАП с частотами дискретизации 2.5 ГГц и выше для регистрации и синтеза широкополосных радиолокационных сигналов с малыми потерями информации. В настоящее время имеются многопроцессорные системы для синтеза произвольных эхо-сигналов в режиме реального времени для наземных испытаний РСА среднего разрешения [1].

Практическая ценность работы

В формировании радиолокационных изображений (РЛИ) как при съёмке с орбиты, так и при наземных испытаниях задействован ряд систем и процессов [2]: бортовой радиолокационный комплекс (БРЛК), наземная или бортовая система синтеза и вторичной обработки сигналов, движение носителя по орбите, распространение и отражение сигналов. Так как последние два процесса при наземных испытаниях не могут быть воспроизведены натурным способом, то требуется создавать аппаратно-программные средства для их замещения - стенды полунатурного моделирования (ПНМ). Такие стенды должны содержать и средства для замещения отсутствующих элементов РЛК, если его испытания планируется проводить не в полной конфигурации.

Стенды ПНМ для наземных испытаний космического РЛК в полной или неполных конфигурациях должны выполнять следующие функции:

1) приём и запись зондирующего сигнала (ЗС) от испытываемой аппаратуры;

2) формирование ЗС собственными средствами;

3) имитация эхо-сигнала;

4) воспроизведение синтезированного эхо-сигнала и подача на вход приёмника испытываемой аппаратуры;

5) обработка цифровых данных эхо-сигнала и синтез РЛИ собственными средствами;

6) анализ РЛИ по критериям качества.

Значительно расширить возможности стенда ПНМ по имитации испытательных воздействий может позволить устройство цифровой имитации и регистрации сигналов (УИРС), взаимодействующее с компьютерной системой формирования исходных данных (СФИД). Такой аппаратно-программный комплекс позволит преобразовывать зондирующий сигнал от испытываемого БРЛК на наземных испытаниях в массив цифровой информации расчётного вида для имитации ОС и, тем самым, формировать требуемое испытательное воздействие на РСА произвольного вида в соответствии с проверяемым режимом съёмки для проведения отработки задолго до первых полётов и съёмок полигона.

Одним из основных видов испытаний РСА является съёмка одиночной точечной цели (ОТЦ) или её аппаратная имитация при наземных испытаниях и построение радиолокационного изображения (РЛИ), называемого функцией отклика (ФО). Видом главного лепестка и боковых лепестков ФО определяется качество РЛИ и потенциальные сквозные характеристики РСА - пространственная и радиометричская разрешающая способность, радиометричская чувствительность, динамический диапазон [3].

Наземные испытания РСА по критерию качества ФО могут проводиться не только в полной конфигурации, но и на его составных частях. Для независимых испытаний приёмного или передающего тракта радиолокатора ответная часть заменяется аппаратурой из состава испытательного стенда - генератором образцового зондирующего сигнала и образцовым приёмником, которые по своим характеристикам должны заведомо превосходить испытываемую аппаратуру. Для решения этих задач разрабатывается устройство имитации и регистрации сигналов (УИРС), содержащее высокоскоростные модули АЦП и ЦАП.

В настоящее время изготовлены несколько типов приёмо-передающих модулей и излучателей АФАР. Имеется предложение по импорту приёмо-передающих модулей французского производства. Для того, чтобы сделать правильный выбор, необходимо провести испытания с использованием реального широкополосного зондирующего сигнала. Так как имеющиеся в настоящее время на отечественном и зарубежном рынке генераторы сигналов произвольной формы не имеют функции генерации сигналов, модулированных М-последовательностью, создание программы, пригодной для управления такими генераторами для получения зондирующих сигналов с требуемым видом модуляции, является актуальной и практически востребованной задачей.

1. Теоретическое исследование

1.1 Принцип радиолокационной съёмки с синтезированной апертурой

Радиолокационная станция с синтезированной апертурой антенны является в настоящее время единственным бортовым техническим средством, позволяющим получать изображение местности с расположенными на ней объектами, близкое по качеству к аэрофотоснимкам, на больших дальностях независимо от времени суток и погодных условий. При введении цифровой обработки сигналов и цифрового управления (РЛС с цифровым синтезированием апертуры антенны - цифровые РСА) к этим достоинствам добавляется оперативность, т.е. возможность получения изображения на борту носителя РСА (космического аппарата (КА) или летательного аппарата (ЛА) - КЛА) в реальном масштабе времени, а также широкие возможности по обработке сигналов. Кроме того, при цифровой обработке сигналов и цифровом управлении проще решаются задачи компенсации искажений сигналов, селекции движущихся целей и появляется возможность синтезирования апертуры антенны при криволинейном движении КЛА.

Одной из основных характеристик радиолокатора с синтезированной апертурой является пространственная разрешающая способность.

Обычно в РСА различают разрешающую способность по двум основным параметрам - по азимуту (вдоль вектора скорости космического аппарата) и по дальности (поперек вектора скорости КЛА).

Разрешающая способность по дальности определяется шириной автокорреляционной функции зондирующего сигнала по уровню половинной мощности. При использовании прямоугольного зондирующего импульса с внутриимпульсной модуляцией она равна длительности сжатого импульса ф_сж. Иными словами, можно сказать, что теоретически достижимая пространственная разрешающая способность по дальности определяется шириной спектра зондирующего сигнала. Обычно в космических РСА необходимое разрешение по дальности обеспечивается применением широкополосных зондирующих сигналов. Увеличение ширины спектра достигается внутриимпульсной модуляцией зондирующих импульсов передатчика по частоте или фазе. В реальных условиях работы разрешающая способность ухудшается вследствие влияния фазовых нестабильностей радиочастотного тракта РСА и среды распространения, погрешностей дискретизации при аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработки принятого сигнала.

Для сигналов с внутриимпульсной модуляцией вводится так называемый коэффициент сжатия, равный отношению ширины спектра зондирующего сигнала с внутриимпульсной модуляцией к ширине спектра того же сигнала без внутриимпульсной модуляции. Коэффициент сжатия зондирующего сигнала различен в зависимости от типа и режима работы РСА. Ширина спектра сигнала ДF выбирается исходя из требуемого разрешения по дальности и ограничений, вносимых радиочастотной аппаратурой, средой распространения и предельным быстродействием устройства обработки.

Потенциальная разрешающая способность по дальности определяется соотношением:

радиолокационный съемка сигнал модулированный

где с - скорость распространения радиоволн, с = 3·10⁸ м/с;ДF = 1/ ф_сж - ширина спектра зондирующего сигнала, Гц.

Как следует из (1), разрешающая способность по дальности является функцией угла ги при постоянной ширине спектра зондирующего сигнала изменяется с изменением наклонной дальности (угла визирования _В). Например, для максимальной ширины спектра зондирующего сигнала 375 МГц, потенциальная разрешающая способность по углу места изменяется от 0,6 (при максимальном угле визирования _Вмакс = 55 градусов) до 1,0 м (при минимальном угле визирования _Вмин = 25 градусов). С уменьшением ширины спектра зондирующего сигнала разрешающая способность по дальности пропорционально уменьшается.

Высокие значения разрешающей способности по азимуту в РСА достигаются формированием искусственного раскрыва эквивалентной линейной антенной решетки в результате поступательного движения КА, несущего физическую антенну, излучающую в направлении, перпендикулярном линии пути. Азимутальная разрешающая способность определяется шириной основного пика выходного сигнала устройства обработки (функции отклика) при подаче на его вход сигнала, отраженного одиночной точечной целью, измеренный по уровню половинной мощности.

Принцип синтезирования состоит в том, что на самолете устанавливается малая антенна, приемопередатчик делается когерентным, способным определять не только огибающую, но и фазу отраженного сигнала.

В процессе полета самолета передатчик облучает местность, отраженные сигналы, усиленные в приемнике, запоминаются в специальном устройстве с учетом их амплитудыи фазы, после чего осуществляется их когерентное суммирование, аналогичное формированию диаграммы антенны. Одновременное суммирование СВЧ-сигналов в антенной решетке радиолокатора бокового обзора (РБО) заменяется в РСА последовательным суммированием сигналов, принятых научастке траектории, пока цель находится в пределах луча реальной антенны РЛС. Длинаискусственного раскрыва синтезированной антенны в РСА соизмерима с размером элемента разрешения РБО вдоль линии пути и значительно превышает размеры физической антенны, установленной на самолете, что и позволяет реализовать высокое разрешение в РСА.

Рассмотрим принцип формирования РЛИ в РСА. Пусть точечная цельоблучается последовательностью радиоимпульсов с частотой повторениязначительно более высокой, чем в РБО (рис 1).

Рис. 1. Принцип синтеза апертуры в РСА

В момент времени t₁ приходит первый, отраженный от цели импульс, в t_Nпоследний. В течение этого времени антенна перемещается в пространстве нарасстояние L_s, которое называют длиной синтезированной апертуры (равнаразрешающей способности РБО).

Синтезирование апертуры основано на том, что каждый k-й отражённый радиоимпульс в этой пачке получает задержкуф(t_k)=2R(t_k)/c, фазовый сдвиг несущего колебания ц(t_k)=4рR(t_k)/л и некоторыйамплитудный коэффициент, индуцированный диаграммой направленности(ДН) антенны. Это позволяет построить радиолокационное изображение снимаемого участка земной поверхности, выделяя из всего принятого суммарного сигнала отражения зондирующего импульса от отдельных элементов поверхности и измеряя их мощность.

1.2 Принцип полунатурного моделирования зондирующих и отражённых сигналов

Аппаратно-программный синтез эхо-сигнала по данным записанного зондирующего сигнала или его модели производится по следующему принципу.

Процесс радиолокационной съёмки до получения первичного комплексного РЛИ, описываемый формулой:

, (3)

где - двумерная импульсная характеристика, описывающая РСА как линейную систему, а , где - удельная эффективная площадь рассеяния (ЭПР) элемента снимаемой поверхности, - сдвиг начальной фазы отражённого сигнала, можно представить в виде двух последовательно выполняемых процессов:

1) формирование отражённого сигнала, являющегося векторной суперпозицией отражений ЗС от элементов снимаемой поверхности;

2) двумерное сжатие ЦРГ и его преобразование в первичное КРЛИ [4, 5]. Соответственно, входящую в (3) импульсную характеристику РСА можно представить в виде

, (4)

где двумерная импульсная характеристика описывает процесс преобразования поля комплексного коэффициента рассеяния в радиоголограмму, - процесс синтеза первичного РЛИ.

Если тестовый участок описывается двумерным полем коэффициента рассеяния , то для имитации отражённого сигнала в проверяемом режиме съёмки с учётом заданных параметров движения носителя требуется синтезировать на выходе УИРС эхо-сигнал вида

. (5)

В свою очередь, формирование эхо-сигнала от снимаемого участка является результатом трёх процессов:

1) генерация зондирующего сигнала, который является последовательностью модулированных импульсов , где время - аргумент комплексной функции, описывающей закон внутриимпульсной модуляции зондирующего и отражённого сигналов, время - задержка начала зондирующего импульса от начала сеанса съёмки;

2) отражение зондирующего сигнала от каждого элемента снимаемой фигуры с комплексным коэффициентом рассеяния ;

3) формирование эхо-сигнала как суперпозиции элементарных отражённых сигналов с учётом суммарных задержек распространения зондирующего и отраженного сигналов на линиях вниз и вверх.

Если в выражении для условий реального полёта выполнить замены переменных:, , где - изменение наклонной дальности до элементарной цели, дающее изменение задержки отражённого сигнала , - скорость распространения радиоволн, - скорость движения подспутниковой точки по трассе, - координата подспутниковой точки на земле в момент полёта , то огибающая зондирующего сигнала может быть представлена как функция от тех же пространственных координат , которые являются аргументами всех функций, входящих в (3), (4): . Тогда входящую в (5) импульсную характеристику, описывающую формирование эхо-сигнала, можно представить в виде

, (4)

где описывает формирование суперпозиции парциальных отражённых импульсов с учётом движения носителя по орбите. Таким образом, комплекс УИРС - СФИД в составе стенда ПНМ должен выполнять преобразование зондирующего сигнала, описываемого огибающей , в эхо-сигнал путём вычисления его свёртки с импульсной характеристикой . Для наиболее простых режимов съёмки и синтеза преобразование допускает разделение переменных и является по координате тождественным, а по координате - операцией, обратной сжатию по азимуту.

Двумерную импульсную характеристику УИРС удобно представить в форме матрицы, количество строк которой совпадает с количеством зондирующих импульсов в сеансе, а каждая строка содержит импульсную характеристику, с которой должна сворачиваться комплексная огибающая импульса зондирующего сигнала для получения огибающей соответствующего импульса эхо-сигнала. В зависимости от возможностей аппаратной реализации УИРС и СФИД, свёртка вычисляется в режиме предварительной подготовки данных или в режиме реального времени.

Учитывая применение в УИРС высокоскоростных АЦП и ЦАП, позволяющих выполнять цифровую запись и воспроизведение сигналов в полосе промежуточных частот, следует отметить, что завершающей операцией подготовки исходных данных для синтеза эхо-сигнала является пересчёт данных комплексного видеосигнала в массив одномерных отсчётов сигнала промежуточной частоты. Обратная операция (цифровое преобразование Гильберта для получения данных в комплексной форме [6]) с необходимым преобразованием частоты выборок выполняется над данными записанного на промежуточной частоте зондирующего сигнала.

Таким образом, подготовка исходных данных УИРС для проведения измерений радиометрических характеристик включает:

1) предварительное формирование тестового поля удельной ЭПР с изложенными выше характеристиками, выполняемое специалистом по испытаниям средствами специального ПО рабочего места;

2) формирование матрицы импульсных характеристик УИРС с помощью комплекта ПО СФИД;

3) получение в цифровом виде зондирующего сигнала (регистрация с выхода передатчика или моделирование);

4) формирование массива данных для синтеза эхо-сигнала.

1.3 Обзор элементной базы ЦАП и серийно выпускаемых генераторов сигналов произвольной формы

1.3.1 Генератор сигналов произвольной формы Agilent M9330A

Генератор сигналов произвольной формы Agilent M9330A обеспечивает высокую производительность при создании сложных широкополосных сигналов. Высокая частота дискретизации и разрешение позволяют создавать идеальные сигналы для тестирования радиолокационных систем, устройств спутниковой связи и систем с быстрой перестройкой частоты. Генератор M9330A обеспечивает полосу частот модуляции 500 МГц на каждый канал и динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих, свыше 65 дБн. При использовании M9330A совместно с широкополосным I/Q повышающим преобразователем можно получить полосу модуляции до 1 ГГц в диапазоне СВЧ для достоверного моделирования сигналов для тестирования устройств ПЧ и ВЧ диапазона.



Рис. 2. AgilentM9330A

Основные технические характеристики:

1. Частота дискретизации: 1,25 Гвыб./с;

2. Вертикальное разрешение: 15 бит;

3. Двухканальный режим работы;

4. Дифференциальные и несимметричные выходы;

5. Объем памяти до 16 Мвыб.;

6. Возможность синхронизации нескольких модулей;

7. Возможность задания до 125 тыс. сегментов сигнала;

8. Возможность задания до 16 тыс. уникальных последовательностей;

9. Возможность управления прибором из сред MATLAB и LabView™;

10. Создание сложных сценариев.

1.3.2 Генератор сигналов произвольной формы Agilent M8190A

Генератор сигналов произвольной формы AgilentM8190A одновременно обеспечивает высокое разрешение и широкую полосу, обладает широким динамическим диапазоном, свободным от паразитных составляющих, и очень малыми гармоническими искажениями.

Данная функциональность позволяет создавать высокореалистичные сигнальные сценарии для тестирования радиолокационных и спутниковых систем.

Рис. 3. AgilentM8190A

Генератор сигналов Agilent M8190A позволяет с высокой точностью отделять полезный сигнал от помехи и сильнее нагружать тестируемые устройства и достигает разрешения до 14 битов.

Память прибора объемом 2 Гвыб позволяет создавать более длинные тестовые сценарии, обладающие большей реалистичностью., генерировать многоуровневые сигналы с программируемыми межсимвольными помехами и джиттером со скоростями до 3 Гбит/с.

Основные характеристики M8190A:

1. Частота дискретизации: от 125 Мвыб./с до 8/12 Гвыб./с

2. Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR): до 80 дБн (тип.)

3. Объем памяти сигналов произвольной формы: до 2 Гвыб. на канал с развитыми возможностями по созданию последовательностей

4. Аналоговая полоса частот: 5 ГГц (прямой выход ЦАП)

В представленном генераторе произвольной формы применяются цифро-аналоговые преобразователи с частотой 8 Гвыб/с и разрешением 14 битов или с частотой 12 Гвыб/с и разрешением 12 битов. На частоте дискретизации 8 Гвыб/с ЦАП компании Agilent обеспечивает динамический диапазон 75 дБ в диапазоне частот от 0 до 3 ГГц.

1.3.3 МГВЧ INTE162 «Информтест»

МГВЧ является первым российским генератором сигналов, имеющим частоту прямой дискретизации (ЦАП 14 бит) 2,5 Гигасемплов/сек. МГВЧ имеет 2 канала различного назначения.

Канал ГСПФ (генератор сигналов произвольной формы) с ЦАП 14 бит и скоростью семплирования 2,5 Гсемп./сек. На этом канале получается идеальный синусоидальный сигнал с частотой 400 МГц (отклонение по амплитуде 0,1-0,8 дБ). Канал ГСПФ МГВЧ имеет собственную память размером 512 МS.

Второй канал ГФ построен на специализированном ЦАП (14 бит, 1Гсемп./сек) имеющем встроенную реализацию функций и различных видов модуляции. Синус на этом канале 200 МГц.

Рис. 4. МГВЧ INTE162

Основные технические характеристики.

1. ГСПФ обеспечивает воспроизведение аналоговых сигналов произвольной формы с частотой от 0,01 ГЦ до 400 МГц;

2. Коэффициент гармонических искажений при воспроизведении синусоидального сигнала ГСПФ на частоте 200 КГц, не более минус 70 дБ;

3. Разрядность ЦАП ГСПФ - 14 разрядов (полная шкала);

4. ГСПФ содержит ОЗУ для записи кодов значений напряжения выходных сигналов;

5. ГСПФ обеспечивает программный выбор режимов воспроизведения сигналов: однократный, циклический, бесконечный.

В однократном режиме, записанные в ОЗУ ГСПФ дискретные коды сигнала, воспроизводятся в виде выходного аналогового сигнала один раз (один цикл).

В циклическом режиме, записанные в ОЗУ ГСПФ дискретные коды сигнала, воспроизводятся в виде выходного аналогового сигнала заданное количество циклов.

Количество циклов задается программно от 2 до 1024. 
В бесконечном режиме, записанные в ОЗУ ГСПФ дискретные коды сигнала, воспроизводятся в виде выходного аналогового сигнала непрерывно, с момента поступления сигнала запуска до принудительного останова.

6. ГСПФ обеспечивает возможность амплитудного модулирования сигнала (воспроизводимого из ОЗУ) модулирующим сигналом от внешнего источника, подаваемого на вход генератора.

Параметры модулирующего сигнала:

а) амплитуда входного сигнала от ± 0,1 до ± 1В;

б) максимальная частота входного сигнала 250 кГц.

1.3.4 Цифровой осциллограф МОСЦ - 6 INTE168

М-модуль МОСЦ-6 предназначен для работы в составе информационных измерительных систем на основе магистрали VXI bus в качестве цифрового осциллографа. М-модуль выполнен в виде мезонина тройной ширины, устанавливается на носитель мезонинов и соединяется с ним по локальной информационной магистрали. Так же МОСЦ-6 предназначен для работы в LXI крейте Мезабокс-1 и соединяется с компьютером по LAN или USB 2.0.

Рис. 5. МОСЦ - 6 INTE 168

М-модуль имеет 2 измерительных канала. Каждый измерительный канал может производить измерение входного сигнала с максимальным размахом от минус 50 В до +50 В. Весь диапазон измерений разбит на 11 диапазонов от ± 25 мВ до ± 50 В. Вертикальное разрешение в каждом диапазоне (разрядность АЦП) составляет 8 разрядов. Минимальный период дискретизации для каждого измерительного канала равен 200 пс, что соответствует максимальной частоте дискретизации 5 ГГц. В модуле предусмотрено управление периодом дискретизации. Полная развёртка определяется периодом дискретизации и максимальным объёмом ОЗУ, который составляет 512 Мбайтна канал. Полоса пропускания измерительного канала - не менее 900 МГц. В модуле предусмотрено ограничение полосы пропускания при помощи управляемого аналогового ФНЧ с верхними границами 300 МГц и 20 МГц. Включение фильтра осуществляется программно.

Модуль имеет канал синхронизации, предназначенный для синхронизации работы осциллографа от внешнего сигнала запуска. Максимальный размах входного сигнала от минус 5 В до +5 В. Уровень синхронизации задаётся программно. Для взаимной синхронной работы нескольких модулей МОСЦ-6, объединённых в систему, предусмотрен отдельный SMB-разъем на лицевой панели, через который модуль может выдавать сигнал запуска. Предусмотрена работа от внешнего генератора синхроимпульсов частотой 10 МГц, которая преобразуется модулем в тактовую частоту 2,5 ГГц. Это необходимо для взаимной синхронизации нескольких осциллографов от одного генератора. В качестве генератора синхроимпульсов может выступать также один из осциллографов. Для синхронизации предусмотрено 2 отдельных SMB-разъема на лицевой панели: один для входа частоты, другой - для выхода. Имеется встроенный генератор калибровочных сигналов, позволяющий осуществлять автокалибровку и самоконтроль модуля.

Технические характеристики:

1. Число измерительных каналов - 2;

2. Максимальный размах измеряемого сигнала - от минус 50 В до +50 В;

3. Диапазоны входного сигнала измерительных входов: ±25 мВ, ±50 мВ, ±100 мВ, ±250 мВ, ±500 мВ, ±1 В, ±2.5 В, ±5 В, ±10 В, ±20 В, ±50 В.

4. Разрешающая способность по измерительным каналам 8 бит;

5. Приведенная погрешность измерения - не более ± 1.5%.

6. Максимальная частота дискретизации - 5 ГГц (в двухканальном режиме) или 10 ГГц (в одноканальном режиме).

7. Макс. объем памяти 512 М отсчетов по каждому из измерительному входов.

8. Полоса пропускания каналов по уровню минус 3 дБ (с отключённым ФНЧ), не менее:

-900 МГц (при входном сопротивлении 50 Ом),

-400 МГц (при входном сопротивлении 1 МОм).

1.3.5 Вывод

В настоящее время имеется большой выбор генераторов сигналов произвольной формы с частотами дискретизации 2 ГГц и более, что позволяет формировать сигналы с шириной полосы частот более 500 МГц. Зарубежные приборы, такие как Agilent 9330, 81180, 8190, а также отечественный INTE162 имеют встроенные функции для генерации тестовых сигналов стандартной формы, а также функции программного повторения фрагментов сигнала. Тем не менее, возможность применения перечисленных приборов для задач испытаний разрабатываемого нашим предприятием космического РСА с модуляцией зондирующего сигнала чередующимися М-последовательностями большой длины (до 8191) и длинными сеансами съёмки с количеством зондирующих импульсов более 20000 ограничивается следующими факторами.

Ни один из серийно выпускаемых генераторов не имеет в качестве стандартной функции генерацию всего набора М-последовательностей, предусмотренных в испытываемом радиолокаторе. Кроме этого, стенд предполагается использовать и для решения задач синтеза имитированных отражённых сигналов, имеющих значительно более сложную форму. Следовательно, для синтеза таких сигналов требуется программирование генератора путём непосредственной загрузки заранее сформированного массива отсчётов на весь сеанс съёмки либо загрузка потока данных в режиме реального времени. Однако все серийные генераторы имеют ограниченный объём памяти для предварительной загрузки данных, недостаточный для формирования всего сеанса тестовой съёмки, а их цифровые интерфейсы не обладают достаточной пропускной способностью для обеспечения работы в режиме реального времени.

Таким образом, ни один из рассмотренных генераторов сигналов не обеспечивает решения перечисленных выше задач без существенных доработок в части многократного увеличения объёма встроенной памяти, а в перспективе - оснащения специализированным высокоскоростным интерфейсом.

Учитывая, что организационно-техническое решение вопросов, связанных с доработками серийных приборов, значительно проще с отечественными производителями, чем с зарубежными, в качестве базового прибора для построения испытательного стенда был выбран генератор сигналов INTE162, выпускаемый предприятием «Холдинг Информтест» (г. Зеленоград). Предварительная отработка программного обеспечения для управления этим прибором, являющаяся задачей дипломной работы, может проводиться на имеющихся образцах. Преимуществом этого модульного прибора также является возможность его совместного использования с цифровым осциллографом INTE168, требующего аналогичных доработок, для построения функционально законченного устройства имитации и регистрации сигналов (УИРС).

1.4 Способы генерации высокочастотных сигналов, модулированных сигналами произвольной формы

1.4.1 Генерация видеосигналов с последующей модуляцией с использованием векторного генератора сигналов

Аппаратно-программный комплекс, содержащий УИРС, взаимодействующее с компьютерной системой формирования исходных данных (СФИД), позволит преобразовывать зондирующий сигнал от испытываемого БРЛК на наземных испытаниях в массив цифровой информации расчётного вида для синтеза обратного сигнала и, тем самым, формировать требуемое испытательное воздействие на РСА практически любого вида в соответствии с проверяемым режимом съёмки без необходимости организации реального полёта и устройства полигона. В частности, способ использования синтезированных эхо-сигналов от распределённых целей для автоматизированного измерения радиометрических характеристик РСА не только на лётных, но и на наземных испытаниях.

Использование в наземной аппаратуре быстродействующих и многоразрядных АЦП и ЦАП позволит реализовать цифровую регистрацию и воспроизведение радиолокационных сигналов с сохранением информации, необходимой для анализа качества аналогового тракта БРЛК. Возможные ограничения в части длительности тестовых сеансов съёмки и размеров имитируемых сюжетов для технических реализаций на конкретных этапах разработки связаны с пропускной способностью информационных интерфейсов цифровых осциллографов и генераторов сигналов произвольной формы, а также ёмкостью их буферных запоминающих устройств.

В зависимости от поставленных задач возможны различные варианты реализации УИРС, как в части формирования требуемого зондирующего сигнала, так и в части оцифровки принятых сигналов, их записи и обработки.

Рис. 6. Структурная схема УИРС

Синтез сигналов может осуществляться на несущей или промежуточной частоте с помощью генератора сигналов произвольной формы и векторного генератора сигналов.

Векторный генератор сигналов генерирует сигнал предустановленной несущей частоты (например, 10000 МГц) и осуществляет его модуляцию по любому закону, определяемому законом изменения двух управляющих видеосигналов, подаваемых на входы I, Q (синфазная и квадратурная составляющие требуемого модулированного сигнала). Пара этих управляющих сигналов формируется генератором сигналов произвольной формы в виде последовательностей выборок в каждом из двух каналов независимо. Обеспечивается ширина полосы частот синтезированного сигнала 500 МГц и выше. Синтезированный испытательный сигнал подаётся на проверяемый фрагмент БРЛК.

Формирование модулирующего сигнала произвольной формы осуществляется путём цифро-аналогового преобразования предварительно загруженного в память генератора массива выборок. Для синтеза испытательных сигналов большой длительности при ограниченном объёме ЗУ предусмотрены режимы записи таблицы фрагментов требуемого сигнала, которые затем воспроизводятся по сценарию. (Программно задаётся выбор нужного фрагмента и его воспроизведение, требуемое количество циклов, из таких циклов строится сценарий. Так как объём информации для задания сценария значительно меньше, чем объём самого фрагмента сигнала, то загрузка нового сценария из управляющей программы может производиться во время воспроизведения сигнала по предыдущему сценарию.) В частности, зондирующий импульс, модулированный М-последовательностью длиной 8191, при 5 выборках на элемент будет представлен последовательностью 40955 парных выборок. При частоте модуляции 375 МГц выборки в каждом канале должны воспроизводиться, соответственно, с частотой 1875 МГц. Чтобы сформировать сеанс зондирующих импульсов с чередованием М-последовательностей, предварительно формируется и записывается в память генератора 630 фрагментов сигнала по 40955 парных выборок, а также небольшой фрагмент нулевых выборок, который будет циклически воспроизводиться для формирования паузы между импульсами требуемой длительности.

Синхронизация запуска зондирующего импульса может осуществляться стробирующимсигналом как от испытываемой аппаратуры, так и от УИРС.

Не менее важной и сложной является задача высокоскоростной записи больших объемов информации в реальном времени.

УИРС должен принять и записать с минимальными потерями информации сигнал с выхода испытываемого фрагмента БРЛК на несущей частоте 9725 МГц, занимающий полосу частот 500 МГц, со скважностью импульсов 13…15 (на стенде), при максимальной длине сеанса 5…10 секунд (длительность синтеза апертуры в прожекторном режиме).

Наиболее удобным представляется метод записи оцифрованного сигнала на промежуточной частоте с помощью высокоскоростного АЦП. Это возможно с помощью высокоскоростной системы регистрации широкополосных сигналов, основным элементом которой является 8-разрядный АЦП с частотой выборок 2 ГГц и информационным интерфейсом, позволяющим сохранять получаемый поток данных на дисковый накопитель в непрерывном режиме. Длительность записываемого сеанса при этом определяется ёмкостью накопителя и может достигать нескольких часов.

Сигнал, оцифрованный на промежуточной частоте, затем программно преобразуется в комплексную ЦРГ с помощью стандартной процедуры цифровой демодуляции (например, преобразования Гильберта). Выбор промежуточной частоты Fпч определяется полосой частот анализируемого сигнала ДF=(450…500) МГц и частотой выборок F_ацп=2000 МГц. Если задаться условием F_ацп2,5 Fв, где верхняя граничная частота сигнала F_в=F_пч+ ДF/2, то удобно выбрать F_пч=500МГц.

1.4.2 Генерация сигнала на промежуточной частоте с последующим переносом на несущую частоту

Центральным элементом усовершенствованного стенда полунатурного моделирования является УИРС, содержащее высокоскоростные модули АЦП и ЦАП. Структурная схема УИРС приведена на рис. 7. Опытный образец УИРС представляет собой сборку VXI-модулей «Информтест», включающую 8-разрядный цифровой осциллограф МОСЦ-6 с частотой дискретизации 5 ГГц и модифицированный 14-разрядный генератор сигналов произвольной формы МГВЧ с частотой дискретизации 2,5 ГГц. Такой комплект аппаратуры обеспечивает цифровую регистрацию и воспроизведение сигналов с произвольной модуляцией в полосе частот до 500 МГц на промежуточной частоте 600 МГц. Оба типа серийных модулей содержат долговременное ОЗУ объёмом 512 МБ для буферного хранения данных входных и выходных сигналов. УИРС в такой конфигурации под управлением специального программного обеспечения позволяет осуществлять имитацию сигналов, отражённых от сложных целей, в режиме генерации сигнала из предварительно подготовленного массива данных. Предполагаются дальнейшие усовершенствования рассмотренных модулей и наращивание их конфигурации.

Рис. 7. Структурная схема УИРС

В зависимости от поставленных задач возможны различные варианты реализации УИРС, как в части формирования требуемого зондирующего сигнала (ЗИ), так и в части оцифровки принятых сигналов, их записи и обработки.

Следует отметить, что характеристики УИРС, используемого в качестве как формирователя, так и регистратора сигналов, должны быть лучше, чем у испытываемой аппаратуры (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики УИРС и испытываемой аппаратуры

Параметр	Характеристики УИРС	Характеристики испытываемой аппаратуры
Формирование сигнала
Ширина спектра	до 500 МГц	450 МГц
Длительность переходного процесса при формировании ФМ сигнала	50 пс	250 пс
Регистрация сигнала
Ширина спектра	до 500 МГц	450 МГц
Частота выборок АЦП	2.5 ГГц	750 МГц
Разрядность АЦП	8	4
Способ демодуляции	Программный	Аппаратный

Следует учесть, что от УИРС требуется генерировать зондирующий сигнал со штатными параметрами бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) как на этапе его наземных испытаний, так и во время летных испытаний, а также на этапе валидации и внешней калибровки. Устройство также должно имеет возможность приема и регистрации зондирующего сигнала проходящего испытания БРЛК и его подсистем, в частности на соответствие системному критерию [7].

Сеанс тестовой съёмки при наземных испытаниях БРЛК организуется следующим образом:

1) БРЛК передаёт зондирующий сигнал - серию импульсов, который с помощью УИРС записывается в виде массива цифровых данных;

2) специальное ПО осуществляет пересчёт этого массива в данные для синтеза имитируемого отражённого сигнала;

3) сеанс тестовой съёмки с такими же исходными данными запускается на БРЛК повторно, и на вход его приёмника подаётся синтезированный отражённый сигнал от УИРС с задержкой, рассчитанной в соответствии с данными моделируемой траектории носителя и циклограммой сеанса съёмки (приём в паузах передачи).

Управление режимами работы УИРС, формированием данных и анализом тестовых РЛИ осуществляется оператором средствами автоматизированного рабочего места (АРМ). Рассмотрим процесс реализации первой функции - формирования ЗИ.

Синтез сигналов осуществляется на промежуточной частоте 625 МГц с помощью генератора сигналов произвольной формы и, при необходимости, переносится на несущую частоту с помощью повышающего конвертора. Частоты дискретизации 2,5 ГГц достаточно для формирования сигналов с шириной полосы 500 МГц. Синтезированный испытательный сигнал подаётся на проверяемый фрагмент БРЛК.

Синхронизация запуска зондирующего импульса может осуществляться стробирующимсигналом как от испытываемой аппаратуры, так и от УИРС.

Испытаниям РСА должен предшествовать самоконтроль УИРС. Для этого выход генератора сигналов произвольной формы подключается к входу цифрового осциллографа и запускается сеанс формирования зондирующего сигнала, что является имитацией съёмки одиночной точечной цели. Оцифрованный сигнал промежуточной частоты программно преобразуется в форму матрицы комплексных отсчётов цифровой радиоголограммы (ЦРГ). Выполняется корреляционное сжатие полученной матрицы ЦРГ с двумерной опорной функцией для получения радиолокационного изображения имитированной ОТЦ, называемого функцией отклика (ФО). Соответствие полученной ФО расчетному виду является признаком качества генерации и приема тестового сигнала.

1.4.3 Программное формирование исходных данных для синтеза сигналов произвольной формы

Для формирования массивов 14-разрядных двоичных отсчётов синтезируемых тестовых сигналов разработано программное обеспечение в пакете Matlab.

Загрузка массива в память генератора до начала сеанса измерений, а затем загрузка в реальном времени сценариев воспроизведения следующих фрагментов сигнала осуществляется программным драйвером генератора к пакету Matlab.

Аналогично может быть сформирован ЗИ с модуляцией кодом Баркера, ЛЧМ или другим. Таким образом, может быть решена задача формирования ЗИ для любого проходящего испытания БРЛК.

Результаты выполнения программы представлены ниже.

Для генерации М-последовательности используются образующие полиномы порядка от 8 до 13. Генерируемая последовательность представлена на рисунке 8. Элементы данной последовательности, являющиеся одноразрядными логическими числами (0,1), преобразуются в знакопеременную последовательность отсчетов единичной амплитуды по закону 0 -> 1, а 1 -> (-1) с сохранением одного отсчета на элемент М-последовательности.

Рис. 8. М-последовательность

На рисунке 9 (a, b) представлены последовательности отсчетов сигнала, модулированного М-последовательностью.

· Частота дискретизации - 2,5 ГГц

· Промежуточная частота - 625 МГц

· Частота модуляции - 375 МГц

Для получения более детального спектра исходный сигнал дополняется нулевыми отсчетами до длины равной удвоенному значению длины исходного сигнала.

а

б

Рис. 9. Фрагмент сигнала, модулированного

М - последовательностью

Спектр сигнала, модулированного М-последовательностью, полученный с помощью дискретного преобразования Фурье представлен на рисунке 10. На данном графике мы наблюдаем взаимно симметричные составляющие спектра в области положительных и отрицательных частот. Отсчет в спектральной области, соответствующий постоянной составляющей, расположен в ценре графика. Середина огибающей каждой составляющей спектра соответствует чатоте исходного синусоидального сигнала.

Рис. 10. Спектр сигнала, модулированного

М - последовательностью

На изображении спектранаблюдаются неподавленные боковые лепестки, перекрывающиеся в области нулевой частоты и крайних частот. Для устранения неопределенностей, связанных с невыполнением условия теоремы Котельникова, необходимо дополнить программу процедурой цифровой фильтрации для ограничения полосы частот.

2. Экспериментальная часть

2.1 Испытания макета фрагмента РСА на стенде полунатурного моделирования

Полунатурным называется моделирование работы проектируемой или испытываемой аппаратуры, при котором часть системы моделируется, а остальная часть является реальной.

Полунатурное моделирование применяется при испытаниях опытных образцов и штатных комплектов, а также составных частей бортового радиолокационного комплекса. Одновременно с испытаниями аппаратуры проводятся испытания и, при необходимости, отладка программного обеспечения.

Процесс съёмки радиолокационного изображения с помощью РСА происходит в системе, содержащей БРЛК, среду распространения сигнала, снимаемый объект и комплекс аппаратно-программных средств, выполняющих регистрацию и обработку цифровых радиоголограмм (ЦРГ).

Фото стенда полунатурного моделирования приведено на рис. 11.

Рис. 11. Стенд полунатурного моделирования

Стенд полунатурного моделирования содержит:

испытываемую аппаратуру;

аппаратные средства для полунатурного моделирования внешних воздействий;

систему обработки ЦРГ, формирования и анализа РЛИ;

КПА и измерительные приборы.

В составе стенда полунатурного моделирования РСА, состоящий из бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) и системы обработки, является объектом испытаний. Снимаемый объект и среда распространения сигнала, образующие множество путей возвращения зондирующего импульса на вход приёмника БРЛК, являются входным воздействием на испытываемый комплекс. Реакцией испытываемого комплекса на входное воздействие является радиолокационное изображение снимаемого объекта. Если входное воздействие представляет собой одиночную точечную цель (ОТЦ), то она и является элементарным входным воздействием, а её радиолокационное изображение - двумерной импульсной характеристикой.

Как линейная система, РСА может быть охарактеризован импульсной характеристикой - изображением ОТЦ с координатами , распределение радиояркости которой приближается к двумерной -функции Дирака в координатах азимут-дальность:. Здесь r - наклонная дальность, которая пересчитывается в поперечную дальность y по известному углу съёмки. Тогда, если снимаемый участок поверхности с системой координат (x, r) содержит поле радиояркости, то его РЛИ описывается двумерной свёрткой . Двумерную импульсную характеристику РСА принято называть функцией отклика на одиночную точечную цель.



Рис. 12. Схема формирования изображения в РСА

Функциональная схема преобразования входного воздействия на РСА (поля радиояркости) в реакцию (радиолокационное изображение ) представлена на рис. 2. Как показано на схеме, функция отклика РСА определяется характеристиками трёх групп процессов:

1) взаимного движения РЛС и объекта съёмки,

2) формирования и приёма зондирующих сигналов,

3) синтеза изображения с учётом априорных данных о параметрах двух остальных процессов.

При этом только параметры процесса (2) связаны с характеристиками испытываемой аппаратуры.

По схеме также видно, что закон преобразования серии зондирующих импульсов в серию отражённых сигналов определяется характеристиками двух процессов:

1) отражения серии ЗИ от объекта с полем радиояркости, являющегося входным воздействием на систему РСА,

2) взаимным движением РЛС и объекта, которое является звеном процесса съёмки и участвует в формировании функции отклика.

Задачей составления методик испытаний аппаратуры РСА является формулировка такого определения функции отклика, чтобы последняя, в отличие от общего случая съёмки, являлась бы однозначной характеристикой испытываемой аппаратуры и соответствовала бы некоторому частному случаю преобразования зондирующих сигналов в отражённые, которое можно аппаратно реализовать на стенде или полигоне. При этом определение испытательной функции отклика должно иметь такой вид, чтобы по её характеристикам, при условии подстановки параметров движения для реальных условий съёмки в каком-либо режиме, можно было рассчитать вид функции отклика на ОТЦ и пространственное разрешение РСА в этом режиме съёмки.

При наземных испытаниях простейшим способом формирования управляющего воздействия, подобного ОТЦ, на аппаратуру РСА или её фрагмент является подача зондирующего сигнала на вход приёмника через шлейф. Такой закон преобразования соответствует отсутствию взаимного движения РЛС и объекта, т.е. вырожденному случаю. Однако, если рассматривать отдельно фазовую составляющую преобразования и не учитывать реальное значение задержки, можно считать такое преобразование соответствующим предельному случаю прямолинейного движения РЛС относительно ОТЦ, находящейся на траверсе середины отрезка синтезирования, на таком расстоянии, чтобы ОТЦ находилась в дальней зоне синтезированной апертуры. В реальных условиях съёмки условие дальней зоны никогда не выполняется, поэтому алгоритм сжатия по азимуту (гармонический анализ) содержит операцию фокусировки - умножения ЦРГ на матрицу квадратичных фазовых коэффициентов. В случае «дальней зоны» фокусировка не требуется. В остальной части алгоритм синтеза изображения для наземных испытаний не отличается от штатного. Получаемое таким способом радиолокационное изображение имитированной ОТЦ принято называть аппаратной функцией отклика (АФО). Вид АФО однозначно определяется характеристиками испытываемой аппаратуры, законом формирования зондирующих импульсов и длиной тестового сеанса съёмки. Отличием АФО от функции отклика на ОТЦ в реальных условиях съёмки является угловая, а не линейная, размерность по азимуту.

На рис. 13 представлена экспериментальная ЦРГ одиночной точечной цели, полученная на стенде ПНМ при испытаниях макета космического РСА высокого разрешения «ЭЛСАР» с модуляцией зондирующего сигнала М-последовательностью. ЦРГ представлена в форме матрицы: в каждую строку записаны отсчёты входного сигнала, соответствующие одному импульсу; количество строк соответствует количеству импульсов в сеансе.

Рис. 13. Экспериментальная ЦРГ одиночной точечной цели

В результате обработки ЦРГ средствами ПОстенда ПНМ получены сечения функции отклика по дальности и азимуту (рис. 14) для оценки пространственного разрешения космического РСА методом импульсного отклика. На рис. 14 в увеличенном масштабе представлена окрестность главного максимума ФО. Размерность горизонтальной шкалы - отсчёты РЛИ. По вертикали отложено нормированное значение ФО (максимум принят за 1).

а) дальность

б) азимут

Рис. 14. Графики сечений окрестности максимума ФО по дальности и азимуту для экспериментальной ЦРГ

Входное воздействие при наземных испытаниях моделируется путём создания единственного канала прохождения сигнала между выходом передатчика и входом приёмника БРЛК или отдельного участка его приёмо-передающего тракта. Такой искусственный канал замыкания сигнала называется шлейфом, он может быть реализован с помощью цепи, содержащей коаксиальные кабели, аттенюаторы, измерительную антенну. Примеры шлейфов, имитирующих входное воздействие на испытываемые фрагменты БРЛК, иллюстрируются структурной схемой на рисунке 15. Стрелкой (1) на рисунке 15 условно обозначено математическое моделирование радиоголограммы.

Для анализа результатов полунатурного моделирования проводится их сравнение с результатами математического моделирования радиоголограмм с изменением параметров, оказывающих потенциальное влияние на вид АФО. Математическая модель состоит из трёх основных структурных элементов:

1) программа обработки изображения;

2) программа формирования «идеальной» ЦРГ, используемой в качестве входных данных при тестировании программы обработки изображения и в качестве эталона для анализа качества экспериментальных результатов;

3) программа имитации внешних воздействий, таких как закон изменения фазы траекторного сигнала, аддитивный шум, неравномерность комплексного коэффициента передачи тракта.

Рис. 15. Структурная схема стенда полунатурного моделирования

Для моделирования ОТЦ, находящейся также в дальней зоне, но не на траверсе, имеется возможность подачи на вход приёмника серии ЗИ с линейным в течение сеанса законом изменения фазы. Для этого в приёмном тракте перенос сигнала с несущей частоты на промежуточную осуществляется с отстройкой частоты гетеродина, подаваемого от отдельного опорного генератора, от частоты гетеродина в передающем тракте. Достигаемая этим способом отстройка центральной частоты приёма подбирается такой величины, чтобы за время сеанса изменение разности фаз принимаемого и передаваемого сигналов составило заданное число периодов, равное расчётному смещению имитируемой ОТЦ по азимуту, выраженному в элементах разрешения. Опережение фазы соответствует смещению максимума получаемой АФО по азимуту от траверсы вперёд, отставание - назад относительно условного направления полёта.

Рассмотренный способ имитации ОТЦ, смещённой по азимуту, позволяет провести проверки характеристик двумерной АФО, обусловленных аппаратной точностью измерения фазы, чего нельзя сделать при фиксированной в течение сеанса фазе принимаемого сигнала.

ЦРГ с различными значениями отношения сигнал/шум, в том числе близкими к реальным, могут быть получены на стенде путём регулировки уровня зондирующего тракта на входе приёмника внешним волноводным аттенюатором коэффициента усиления приёмника (блок СВЧ-ПРМ) дискретным аттенюатором, имеющимся в составе блока. С помощью последнего подбирается требуемый уровень суммарного сигнала на входе АЦП. Начальный коэффициент усиления приёмника достаточен для усиления его собственного шума до амплитуды, превышающей диапазон преобразования. Добавка регулируемого шума позволяет исследовать и устранять дополнительные боковые лепестки АФО, обусловленные квантованием видеосигнала, а также исследовать зависимость относительного уровня шума в выходном РЛИ от способа фильтрации при обработке.

Как показывает опыт создания и эксплуатации космической техники, испытания реальной аппаратуры выявляют эффекты, не учтённые при расчётах и математическом моделировании. Также существует необходимость исследования изменения параметров аппаратуры за время эксплуатации и возможность их компенсации при наземной обработке для сохранения, а иногда и улучшения сквозных характеристик системы [8]. Таким образом, стенд полунатурного моделирования должен применяться на всех этапах разработки и эксплуатации космической системы. Методики и некоторые результаты испытаний макета аппаратуры проектируемого РСА описаны в [9], [10]. При штатной эксплуатации наземный комплект аппаратуры, являющийся копией лётного, должен проходить испытания на стенде для исследования ухода параметров при старении, а также для имитации нештатных ситуаций.

Заключение

Современные космические радиолокаторы с синтезированной апертурой высокого разрешения являются сложными и дорогостоящими радиотехническими информационными системами, поэтому их проверке на этапе наземной отработки должно быть уделено самое серьезное внимание.