Исследование моделей сверхширокополосных сигналов

Использование СШП сигнала и его модель. Влияние антенн на сигнал. Расчет угловой разрешающей способности сигналов для линейной и кольцевой антенн. Разработка мероприятий, снижающих воздействие выявленных вредных факторов. Влияние среды на эхо-сигнал.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

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 излу...