Исследование шумовых характеристик отдельных узлов и всего НДР-комплекса

2007

НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника

№ 117

УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ

И ВСЕГО НДР-КОМПЛЕКСА

К.Г. ЧИСТОВСКИЙ

Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Гореликом А.Г.

В статье обсуждается возможность повышения обнаружительной способности доплеровских радиолокаторов, работающих в непрерывном режиме (НДР) и излучающих монохроматическое излучение. Рассматривается влияние “шумов” источников питающих напряжений на работу отдельных узлов, входящих в радиолокатор, так и всей системы в целом. Приводится метод калибровки НДР и влияние нелинейного приёмного тракта на достоверность получаемой при помощи такого радиолокатора информации о скорости двигающихся объектов.

В [1,3,5] показана возможность создания метеорологического непрерывного доплеровского радиолокатора 8 миллиметрового диапазона для получения информации о вертикальном профиле ветра V(H) в нижних слоях атмосферы, необходимых для повышения безопасности полётов в работе аэропорта. Для определения V(H) методами доплеровской томографии необходимо иметь данные об истинных значениях спектральной мощности радиоэхо g(F) [2]. Сигнал радиоэхо, приходящий одновременно с различных дальностей, имеет различную отражаемость, которая может изменяться в широком диапазоне значений, поэтому необходимо изучение возможности появления в анализируемом сигнале высокочастотных гармоник, связанных с нелинейным искажением в приёмном тракте, конечным временем анализа, а также фазовой модуляцией самого излучаемого в пространство миллиметрового излучения. Одним из источников такой аномально высокой фазовой или амплитудной модуляции является недостаточно хорошая фильтрация питающих напряжений в первую очередь задающего генератора Г анна и опорного генератора (когерентного гетеродина).

Как показано в [9], информационные возможности радиолокатора при фиксированной мощности излучения, в основном, определяются линейностью и шумовыми параметрами приёмного тракта, основными из которых является спектральная мощность шумов во всём диапазоне изменения доплеровских частот. В рамках настоящей работы представлены некоторые результаты исследования шумовых параметров 8 миллиметрового НДР-комплекса.

В ходе многочисленных экспериментов и поисков была разработана методика исследования шумовых параметров НДР комплекса. Первоначально определяются шумовые параметры приёмного тракта при условии, когда смеситель работает как детектор. В этом случае на смеситель опорного генератора Ганна (гетеродина) мощность не поступает. Определяется уровень шумов и их распределение во всём рабочем диапазоне частот от 20 до 10000 Гц (рис. 1). Обратим внимание на высокий уровень шумов и значительное увеличение спектральной мощности шума в диапазоне частот от 3000 Гц до 7000 кГц.

Изменение режимов работы узлов, входящих в НДР, приводило к изменению уровня и распределению мощности шумов по шкале частот: а) смесителя, работающего в режиме детектора; б) УПЧ и синхронного детектора; в) генератора промежуточной частоты; г) блоков питания.

Включение задающего высокочастотного генератора на диоде Ганна, частота генерации которого стабилизировалась при помощи высокодобротного объёмного резонатора, приводило к тому, что часть генерируемой им мощности поступало на смеситель. В этом случае непрерывный доплеровский радиолокатор был способен принимать отражённый от целей сигнал. При этом уровень собственных шумов должен был уменьшаться более чем на порядок во всём рабочем диапазоне частот. Однако, как явствует из данных, представленных ниже, этого удалось добиться только в результате проведения работ по выявлению и устранению

причин, вызывающих аномально высокий уровень шумового сигнала в диапазоне частот от 20Г ц до 7 кГ ц. Были высказаны различные гипотезы, которые требовали проверки, о причинах, вызывающих повышение уровня шумов в указанном диапазоне частот.

Рис. 1. Спектральные шумовые характеристики при питании без дополнительной фильтрации

отдельных узлов блоками”Ирбис”:

1 - Г3 35,1 ГГц; 2 - Г1 1,6 ГГц и приёмник излучения; 3 - усилитель мощности

На первом этапе создания НДР-комплекса использовались серийно выпускаемые стабилизированные блоки питания ЗАО ММП “Ирбис”. Из данных, представленных на рис. 1 видно, что имеются зоны в диапазоне частот от 1,5 кГц до 8,2 кГц, в которой наблюдаются шумы, связанные с нестабильностью работы отдельных узлов НДР комплекса. Спектральный анализ шумов источников питания указывает на их высокий уровень как на самых низких частотах, так и на частотах в диапазоне 3000 - 6000 Гц с последующим падением на более высоких частотах в диапазоне 8000 - 10000 Гц.

Анализ полученных материалов указывает на высокую корреляцию спектральной мощности шума приёмника НДР-комплекса и питающих его напряжений. Спектральная обработка записей пульсаций питающих напряжений показала, что нестабильность источников питания существенно влияет на обнаружительную способность приёмника НДР. Натурные измерения показали, что пульсации питающих напряжений существенно сказываются на работе НДР-комплекса и сильно затруднили выделение слабого полезного сигнала на фоне шумов, тем самым, ограничивая информационные возможности НДР-комплекса.

Для устранения этих “паразитных шумов” было решено использовать специализированные фильтры, при помощи которых удалось существенно уменьшить влияние шумов блоков питания и улучшить спектральные шумовые характеристики узлов НДР (см. рис. 2), повысив обнаружительную способность НДР.

Рис. 2. Шумовые спектральные характеристики узлов НДР после фильтрации:

1 - генератора Г1 1,6 ГГц; 2 - УПЧ; 3 - генератора Г3 35,1 ГГц; 4 - приёмника излучения

Спектральное распределение шумов при работе радиолокатора в натурных условиях было получено, когда он был направлен под большим углом места или в зенит. Необходимость больших углов визирования диктовалось тем, что необходимо было убрать или уменьшить

влияние возможных отражений от различного рода “местных предметов”. Испытания проводились в зимний период и при слабом ветре.

К сожалению, введением в тракт фильтров полностью не удалось устранить влияние блоков питания на шумы НДР. Кроме того, при длительной работе НДР спектр питающих напряжений смещался по шкале частот, что однозначно снижало его информационные возможности.

Поэтому следующим этапом было создание усовершенствованных блоков питания узлов НДР, обладающих низким уровнем шумовых помех. Это позволило значительно повысить качество питающих напряжений и уменьшить уровень спектральной мощности шумов не только приёмника, но и передатчика и повысить потенциальные возможности НДР-комплекса при его работе по слабо отражающим объектам.

Результаты проведённых работ, связанных с уменьшением уровня помех и собственных шумов НДР-комплекса, представлены на рис. 3 и рис. 4. На рис. 3 представлены шумовые характеристики отдельных узлов НДР после модернизации. На рис. 4 представлено сравнение шумовых характеристик всего НДР-комплекса при использовании блоков питания “Ирбис” с фильтрацией и при использовании новых схем питания.

9(Й[ДБ]

1

2

3 4

Р[ГЦ]

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 10*

Рис. 3. Шумовые спектральные характеристики НДР после модернизации:

1 - Г1 1,6 ГГц; 2 - Г3 35,1 ГГц +

Рис. 4. Сравнительная шумовая характеристика НДР-комплекса при использовании разного вида питания: 1 - при использовании “Ирбисов”; 2 - при использовании “Ирбисов” с фильтрацией; 3 - при использовании новых схем питания

В результате проведённых работ, связанных с модернизацией блоков питания, удалось почти полностью устранить частотную зависимость уровня пульсаций на входе АЦП во всём спектральном диапазоне (20 - 10000 Гц). Это резко увеличило информационные возможности

НДР-комплекса за счёт увеличения потенциала на 13 - 15 дБ, что эквивалентно увеличению дальности действия системы в 3 раза.

Представляют интерес вопросы, связанные с калибровкой и определением потенциала НДР-комплекса. Естественно, решение этих вопросов возможно было осуществить только после получения шумовых характеристик непрерывного доплеровского радиолокатора [7].

Калибровка непрерывного доплеровского радиолокатора сопряжена с большими сложностями. Методы, которые применяются для определения потенциала и обнаружительной способности, разработанные для импульсных радаров для НДР, непригодны. Поэтому необходимо было разработать методы, позволившие бы определить уровень шума НДР и сопоставить его (уровень) с расчётным. По предложенной методике в качестве отражателя использовалась металлическая эталонная сфера, ЭПР которой поддаётся точному расчёту. Эта сфера была подвешена на тонкой нити и представляла собой маятник. Амплитуду, период и скорость движения маятника в каждый момент времени можно было рассчитать.

На рис. 5 представлены спектры отражённого от маятника (сферы) сигналов, которые получены в лаборатории “1”(при высоком уровне помех) и в натурных “2” (полевых) условиях, когда уровень помех от близко расположенных отражателей был минимальным.

Сравнение спектров, представленных на рис. 5 показало, что:

- уровень, на котором регистрируются шумы в спектральном диапазоне 2000 - 10000 ГЦ в натурных условиях, уменьшился на 7 - 8 дБ и стал таким же, как и экспериментально полученный в лабораторных исследованиях НДР-комплекса, когда отражённого сигнала от двигающегося объекта с высокой отражаемостью не было;

- при увеличении удаления сферы от радиолокатора на 30 метров зарегистрированный сигнал от маятника уменьшился на 5 - 7 дБ, что согласуется с теоретически рассчитанным падением спектральной мощности сигнала в зависимости от удаления от радиолокатора;

- отношение сигнал/шум составляет 105 - 106, это указывает на то, что оценка потенциала НДР-комплекса в лабораторных условиях достаточно надёжна.

Обратим внимание на то, что скорость спадания спектральной мощности радиоэхо в области наиболее высоких частот выше по сравнению с тем, что было зарегистрировано в лабораторных условиях. Так для маятника в лаборатории сигнал спадает на уровне 30 - 35 дБ на частотном интервале 100 - 150 Гц, а кривая спектра простирается до уровня шумов ещё на 30дБ, занимая при этом частотный диапазон более 3000 Гц. В полевых условиях сигнал от маятника в

области высоких частот спадает на 35 - 40 дБ на интервале частот менее 30 Гц, а затем ещё на 15 дБ в частотном интервале менее 500 Гц.

Высокий уровень сигнала от эталонной сферы при высоком уровне отражений от близко расположенных к радиолокатору местных предметов существенно влиял на распределение мощности в области высоких частот и приводил к появлению таких гармоник в спектре, которых не должно было быть от эталонной цели.

Таким образом, в результате проведённых работ, включая и сознание блоков питания, а также проведением многочисленных экспериментов, удалось создать непрерывный доплеровский радиолокатор, энергетический потенциал которого близок к расчётному. Это подтверждается результатами, полученными в ходе многочисленных натурных (полевых) экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Горелик А.Г., Мельничук Ю.В. О связи спектра флуктуаций радиолокационного сигнала с движением рассеивателей в метеообъектах. // ДАН СССР. Т. 140, № 3, 1961.

2.Горелик А.Г., Мельничук Ю.В., Черников А. А. Связь статистических характеристик радиолокационного сигнала с динамическими процессами и микроструктурой метеообъектов. // Труды ЦАО, вып. 48.

3.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Использование систем с непрерывным излучением для определения ветра в осадках. // Известия АН СССР ФАО, № 7, 1984.

4.Горелик А.Г., Стерлядкин В.В. Доплеровская томография в метеообразовании. // Известия АН СССР ФАО.

5.Князев А.В. Радиофизические исследования атмосферы с помощью радиолокаторов с непрерывным излучением. // Дисс. на соиск. степени д-ра. физ.-мат. наук. М., 1987.

6.Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г. Восстановление профиля ветра в атмосфере методом доплеровской томографии. // Сборник трудов молодых учёных МГАПИ, 2002.

7.Глущенко А.С., Стерлядкин В.В., Чистовский К.Г. Применение малогабаритного непрерывного доплеровского радиолокатора для распознавания образов. // Сборник трудов молодых учёных МГАПИ, 2003.

8.Чистовский К.Г. Результаты сравнительных натурных испытаний импульсно-когерентной и непрерывной доплеровской РЛС. // Сборник трудов молодых учёных и специалистов МГАПИ, 2003.

9.Hamish Maikle. Modem radar systems. London: Artech House, 2001.

THE STUDY OF NOISE AT THE INDIVIDUAL RADAR UNITS AND ENTIRE RADAR SYSTEM

Chistovsky K.G.

Directivity improvement of the Doppler radar working without modulation is discussed in the article. Special attention is paid to the radar power supply noise. Calibration method for decrease receiver nonlinearity influence an Doppler measurements is described.

Сведения об авторе

Чистовский Константин Геннадьевич, 1976 г.р., окончил МГАПИ (2000), главный специалист МФ ОАО “Радиозавод”, автор 6 научных работ, область научных интересов - доплеровская радиолокация и ее применение в дистанционном зондировании атмосферы.