Экспериментальное исследование задержек импульсных сигналов на приземной трассе

УДК 621.371.344

М.В. Крутиков, В.П. Ильченко

Экспериментальное исследование задержек импульсных сигналов на приземной трассе

Представлены экспериментальные оценки ошибок измерения задержек импульсных сигналов при наличии отражений от препятствий, полученные при исследованиях на закрытой приземной трассе распространения радиоволн протяженностью 29 км. Ключевые слова: распространение вдоль земной поверхности, измерения задержки сигналов, рассеяние неоднородностями поверхности, погрешности измерений времени прихода сигналов.

Исследования задержки сигналов импульсных сигналов на приземных открытых и полузакрытых трассах проводились и ранее, например в работах [1—4]. Результаты этих и других работ указывают на необходимость при измерениях времени задержки сигналов на закрытых трассах учитывать ориентирование относительно трассы остронаправленных антенн, которые обычно используются в аппаратуре для увеличения уровня принимаемых сигналов или для борьбы с помехами.

Целью данной публикации является исследование дополнительных задержек импульсных радиосигналов на приземной закрытой трассе, возникающих вследствие влияния отражений сигналов от препятствий и подстилающей поверхности на форму и параметры принимаемого сигнала.

Неправильное ориентирование остронаправленной антенны является основным источником ошибок измерения задержки сигнала на приземной трассе с препятствиями. Для уточнения величины и закономерностей ошибок измерения задержки были использованы результаты измерений на закрытой трассе параметров сигналов, излучаемых радиолокационной станцией (РЛС) трехсантиметрового диапазона, антенна которой работала в режиме кругового сканирования по азимуту. Диаграмма направленности (ДН) антенны РЛС была наведена вдоль земной поверхности, в горизонтальной плоскости ширина её главного лепестка составляла 1,9° по уровню 0,5. Поляризация излучения в главном лепестке была либо горизонтальная, либо вертикальная. Геометрический центр антенны РЛС находился на высоте 4,5 м над поверхностью Земли. Длительность импульса, излучаемого РЛС, составляла 300 нс, а его переднего фронта — 50 нс.

Приемно-измерительная аппаратура содержала в качестве антенн два рупора с шириной главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 10° по уровню 0,5. Рупоры были установлены на высоте 5 м над поверхностью Земли и наведены на РЛС по максимуму принимаемого сигнала. Одновременный прием вертикальной и горизонтальной компонент поля обеспечивался двухканальным приемником. В приемных каналах регистрировались квадратурные составляющие принимаемых сигналов с периодом дискретизации 11 нс во временном окне длительностью 1023 нс, положение которого относительно момента излучения зондирующего сигнала РЛС устанавливалось с помощью системы синхронизации по радиоканалу [3]. Регистрация принимаемых сигналов по угловому положению антенны РЛС выполнялась с разрешением 0,2°. При обработке по квадратурным составляющим в каждом такте восстанавливались амплитуды сигналов. По положению начала переднего фронта огибающей принятого сигнала, оцененного пороговым методом [5], определялись временные задержки сигналов относительно окна регистрации. Измерительная аппаратура более подробно описана в [6].

Измерения проводились в ноябре 2007 г. на закрытой трассе протяженностью 29 км, параметры которой подробно описаны в [6, 7]. Приемная позиция располагалась на обрыве и имела превышение над передающей позицией 70 м. Передающая позиция располагалась на лесной поляне. План этой позиции приведен на рис. 1, на котором тонкими линиями показаны границы смешанного леса высотой 20 м. Высоты рельефа на позиции обозначены относительно места установки РЛС.

Средняя температура воздуха в период измерений составляла —5 °С, кроны деревьев (сосны и березы) были покрыты снегом. Снежный покров на земле достигал толщины 15 см.

Для получения статистических характеристик времени задержки были обработаны результаты регистрации сигналов, полученных за 60 оборотов антенны РЛС. При обработке

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

3,5

записи сигналов отдельных оборотов были совмещены по угловому положению антенны РЛС, что позволило рассчитать среднее значение задержки и среднеквадратическое отклонение.

Образцы принятых амплитудных ДН антенны РЛС для различных поляризаций излучения в её главном лепестке представлены на рис. 2 и 3. На полях рисунков и ниже в формулах сокращенно указаны режимы излучения и используемые антенны: первой буквой обозначена поляризация излучения в главном лепестке ДН, второй — поляризация приемной антенны.

Зависимости от углового положения антенны РЛС средних значений и СКО временных задержек импульсного сигнала приведены на рис. 4 и 5 соответственно. На рисунках обозначены: т^Г, т^В , т^Г, т^В ст^Г, ст^В , ст^Г, ст^В - среднее и СКО времени

задержки сигналов горизонтальной и вертикальной компонент поля при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения соответственно.

,

0 5^ 5 Передающая позиция

Рис. 1. План передающей позиции

1

§ 0,8

1 0,7 а 0,6

с

В 0,5 2 0,4

0,1 0

1

I 0,8

S 0,7

4 ш

а 0,6

§ 0,5 я

! 0,3 а

is 0,2

5

^0,1

0

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Угловое положение антенны РЛС, град а

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Угловое положение антенны РЛС, град б

Рис. 2. Образцы ДН антенн при приёме горизонтальной (а) и вертикальной компонент (б) поля, горизонтальная поляризация излучения

1

g 0,9

с

g °,5

10,4

1 0,3

I 0,2

- 0,1

ВГ

2 0,8

!0,6 И °,5

г0,4

1 0,3 &

S 0,2

К

Ч0,1

ВВ

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

Угловое положение антенны РЛС град а

0

150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

Угловое положение антенны РЛС град б

Рис. 3. Образцы ДН антенн при приёме горизонтальной (а) вертикальной компонент (б) поля, вертикальная поляризация излучения

Разность задержек между сигналами горизонтальной и вертикальной компонент поля при различной поляризации излучений рассчитана по формулам Дт^ = т^Г - т^В ;

ДтгВ = т^В - т^Г и представлена на рис. 6 для области главного и первых боковых лепестков. Из рисунка видно, что при положении антенны в направлении на приемник раз-

Р 0,9

а0,3

s0,2

£ 0,9

2 0,8

g 0,7

а 0,7

0

и

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2,декабрь 2008

ность задержек между сигналами основной и кроссполяризованных компонент поля мала при любой поляризации излучения. Однако сигнал кроссполяризованной компоненты в широком секторе углов запаздывает в сравнении с сигналом основной поляризации, что может быть связано с его меньшим уровнем. СКО разности среднего времени запаздывания сигнала в пределах главного и первых боковых лепестков ( +10° градусов относительно направления на приемник, которое равно 207°) составляет 3 и 10 нс для горизонтальной и вертикальной поляризации излучения соответственно.

1,4

п 1,2

о

ч

§0,8 N

U 0,6

и

СП

<х 0,4

Я X

О &

PQ 0

1,4

п 1 2

ч а

¡5 1 ¡8

3 0,8 й а g 0,6

Щ 0,4 я

1 0,2

а

га

0

0

50 100 150 200 250 300 350

0

150 200 250 300 350

Угловое положение антенны РЛС, град Угловое положение антенны РЛС град

а б

Рис. 4. Задержки сигнала при приёме горизонтальной (а) и вертикальной (б) компонент поля, горизонтальная поляризация излучения

а

га

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

о 1

и

И и

5 о

а 0

и й

6 0

9

0

0

50 100 150 200 250 300 350

а

га

0

50 100 150 200 250 300 350

Угловое положение антенны РЛС град Угловое положение антенны РЛС град

а б

Рис. 5. Задержки сигнала при приёме горизонтальной (а) и вертикальной (б) компонент поля, вертикальная поляризация излучения

<

0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 Угловое положение антенны РЛС, град а

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 Угловое положение антенны РЛС, град б

Рис. 6. Относительное запаздывание сигналов основной и кроссполяризованных компонент Ат^ для горизонтального (а) и Ат^ вертикального (б) излучения

1

1

0

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

При малых углах отворота узконаправленной антенны от направления на приемник дополнительная временная задержка может быть аппроксимирована квадратичной зависимостью [7] по формуле

8т:

Ra2 ~2е~

где И — расстояние от источника излучения до препятствия; а — угол между осью ДН антенны и направлением на приемный пункт; с — скорость распространения радиоволн.

Зависимости задержек сигналов различных компонент поля при излучении вертикальной и горизонтальной поляризаций, а также аппроксимация задержки сигнала 5т по формуле (1) приведены на рис. 7 и 8 соответственно. Аппроксимация задержки сигнала 5т была совмещена по нулевой задержке 5т = 0 и углу а = 0 с положением минимума задержки сигнала на выходе канала приема вертикальной компоненты поля при излучении горизонтальной поляризации.

1,1

и й a

a

га

0,9

0,8

0,7

0,6 -

0,5 -

0,4

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Угловое положение антенны РЛС град

260

Рис. 7. Средняя задержка импульсного сигнала при горизонтальной поляризации излучения

1,1

0,9

0,8

0,7

0,6

а

m

0,5

0,4

160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 Угловое положение антенны РЛСС град Рис. 8. Средняя задержка импульсного сигнала при вертикальной поляризации излучения

Из рис. 7 и 8 видно, что в области главного и первых боковых лепестков аппроксимацией среднего времени задержки сигнала 5т в виде квадратичной зависимости описывается ход задержки сигнала вертикальной компоненты поля, в то время как зависимость задержки сигнала горизонтальной компоненты поля имеет заметно более «плоский характер». Количественно наблюдаемый эффект подтверждается данными табл. 1, где

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2,декабрь 2008

представлены значения ошибок оценивания в виде средних разностей тзВГ = (т^Г - 8т); т5ВВ = (т^В т5гг = (míГГ

(СКО):

СТ5ВГ =

=V(mtBT

-т5вг) ;

т§ГВ = mtrB - St и соответствующих флуктуаций

ctSbb = <

mS

)2;

CTSrB =

CTSrr =

^ХВВ ^ т

V(mtrr

- msrr) ; а также полной ошибки ст

2 2 /22

ТГВ = VmSrB + CTSrB ; СТТГГ ЧmSrr + CTSrr ;

=л/(т^ГВ -(т

- т?Гв) ;

-ф

^ВГ

стТВГ т^^ +ctSot • Черта над скобкой означает усреднение.

Таблица 1

Ошибки оценивания времени задержки с помощью аппроксимации (1) в секторе углового положения антенны РЛС +20° относительно направления трассы

Данные табл. 1 показывают, что применение аппроксимации (1) дает ошибку оценивания дополнительной задержки сигнала горизонтальной компоненты поля в два раза больше, чем соответствующая ошибка для сигнала вертикальной компоненты.

Наилучшая точность измерения момента прихода достигается при положении антенны РЛС в направлении трассы и характеризуется данными табл. 2. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Дополнительная задержка сигналов на приземной трассе при излучении его узконаправленной антенной зависит от наличия препятствия и углового положения узконаправленной антенны относительно направления на приемник и содержит постоянную и случайную составляющие.

Таблица 2 Ошибки оценивания времени задержки с помощью аппроксимации

Ошибки оценивания, нс

Смещение Флуктуации Полная

msra -0,7 CTsra 12 СТТГВ 12,0

т?ГГ 17,5 ^ГГ 16,7 СТТГГ 24,2

mSBB 9,8 ctSbb 8,3 СТТВВ 12,8

Г я £ 24,7 ^ВГ 17,1 СТТВГ 30,0

2. Постоянная составляющая дополнительной задержки определяется формой и размерами препятствия и зависит от его поляризации. СКО задержки сигналов горизонтальной поляризации по отношению к сигналам вертикальной поляризации в главном и первых боковых лепестках ДНА излучения больше на 15—20 нс, что может быть объяснено меньшим уровнем сигнала горизонтальной поляризации из-за большего ослаб-

ления на трассе. Использование аппроксимации St ;

Ошибки оценивания, нс

Смещение ms Флуктуации CTs Полная

msГВ 0 CTsra 11 СТТГВ 11,0

mSpr -0,2 ^ГГ 9,1 СТТГГ 9,1

^ВВ 16,8 ^ВВ 22,9 СТТВВ 28,4

Г я £ 18,2 ^ВГ 9,2 СТТВГ 20,4

Ва2 2с

для расчета среднего времени

задержки на закрытых трассах позволяет учесть эту задержку с ошибкой, СКО которой в главном и первых боковых лепестках ДН излучающей антенны составляет 8—20 нс в зависимости от поляризации.

3. Случайная составляющая дополнительной задержки определяется как интерференцией отдельных лучей, образующих сигнал, и увеличивается в квадратичной зависимости от угла рассогласования антенны от направления на приемник. В области главного и первых боковых лепестков узконаправленной ДН излучения случайная составляющая достигает в направлении на приемник 10 и 200 нс на краях сектора ±30 град.

Литература

1. Арбузов Ю.В. Экспериментальные исследования тропосферного канала методом импульсной радиолокации с активным ответом. — Радиотехника. — 1975. — Т. 30, № 4. — С. 14-18.

2. Лебедев В.Ю. Статистические характеристики задержек импульсных сигналов и их разностей в разнесенных пунктах приема на наземных трассах // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. - 2006. - № 6. - С. 36-40.

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2, декабрь 2008

2

3. Корниенко В.Г. Синхронизация пространственно-разнесенных пунктов радиотехнической системы с использованием многоточечного измерения взаимной корреляции функции запросных и ответных сигналов / В.Г. Корниенко, В.Ю. Лебедев, М.В. Крутиков // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. — 2006. — № 6. — С. 40—43.

4. Fisher R. Analysis of Radar Data From February 6, 2001, NRAO, Green Bank, WV [электронный ресурс]. — Режим доступа:

http: //www. cv. nrao. edu/~rfisher/Radar/analysis.html.

5. Мещеряков А.А. Экспериментальное обоснование и разработка методов повышения точности разностно-дальномерных пассивных радиолокационных систем наземного базирования: дис. ... канд. техн. наук. — Томск: ТУСУР, 2005. — 136 с.

6. Измерительный комплекс для исследования пространственно-временного искажения радиосигналов трехсантиметрового диапазона на наземных трассах / М.Е. Ровкин, М.В. Крутиков, А.А. Мещеряков и др. // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. — 2006. - № 6. - С. 7-11.

7. Лебедев В.Ю. Связь элементов рельефа местности с задержкой импульсных сигналов сантиметрового диапазона на приземных трассах распространения // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. — 2006. — № 6. — С. 40-43.

8. Грицаенко Е.Н. Экспериментальная оценка точности пеленгования по внутриим-пульсным фазовым измерениям на наземных трассах прямой видимости в сантиметровом диапазоне / Е.Н. Грицаенко, Н.А. Колядин, М.В. Крутиков // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: Труды пятой Всерос. науч.-практ. конф. - Ульяновск: Изд-во Ульян. гос. техн. ун-та, - 2007. - С. 146-148.

Крутиков Михаил Владимирович

Зав. лабораторией НИИ радиотехнических систем ТУСУРа

Тел.: (3822) 41-38-69

Эл. почта: rwplab@ms.tusur.ru

Ильченко Василий Павлович

Аспирант кафедры компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа

Тел.: (3822) 41-47-17

Электронная почта: amigo@kvadro.net

M.V. Krutikov, V.P. Ilchenko

Experimental research of impulse signal time delays on the ground trace

The investigations results of time delays of pulse signals caused by on-path irregularities are presented. The results have been obtained in the course of experimental measurements of radio wave propagation over closed terrestrial path of 29 km length.

Key words: radio propagation along surface, time arrival measurements, surface irregularities scattering, inaccuracy of signal delay measurements.

Доклады ТУСУРа, № 2 (18), часть 2,декабрь 2008