Разработка цифрового анализатора углового спектра в декаметровом диапазоне волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

• 5 дьк та

государственный комитет российской федерации

по высшему образованию калининградским государственный университет

На правах рукописи

БЕССОНОВ Владимир Александрович

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОГО АНАЛИЗАТОРА УГЛОВОГО СПЕКТРА В ДЕКАМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН С01.04.03 - радиофизика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Калининград 1994

Работа выполнена в Калининградском государственн университете.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук,

доцент В.А.Пахотин Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук

Ю.Н.Черкашин, г.Москва; доктор физ.-мат.наук Н.Я.Синявский, г.Калининград.

Ведущая организация: Московский физико-технический институт.

Защита диссертации состоится " &Р " с/^/сс^Ър*^ 1994г. в

/^ час. 00 мин, на заседании специализированного совета К 064.34.01 при КГУ. 236041 г.Калининград обл. , ул. Ал. Невского, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГУ. Автореферат разослан "/5" " /«х^^/г^Я 1994г.

Ученый секретарь специализированного совета ' , доктор физ.-мат. наук В. А. Пахотин

/

Общая характеристика работы Диссертация посвящена разработке и практической реализации новых методов измерения угловых спектров сигналов в декаметровом диапазоне. В ней разработана основа метода спектрального оценивания С метод "Модифицированного преобразования Фурье"- МПФЭ, характеризующегося повышенной разрешающей способностью. Для его аппаратурной реализации создан цифровой восьмиканальный макет анализатора углового спектра, измеряющий комплексную амплитуду сигнала в восьми точках на поверхности Земли. Проведен цикл исследований возможностей макета анализатора в режиме моделирования, в режиме макетирования и при приеме широкой сети реальных вещательных радиостанций. Создание макета позволило

решить задачу разделения лучей ионосферного сигнала. *

Актуальность работы Существующие методы измерения угловых спектров радиосигналов в декаметровом диапазоне используют в своей основе классическое преобразование Фурье. Оно дает возможность создать узкие диаграммы направленности антенной системы, позволявшие измерить азимут и угол места сигналов с высокими точностями. Узкие диаграммы направленности увеличивают отношение сигнал/шум, обеспечивая высокую помехоустойчивость. Однако одним из существенных недостатков является зависимость разрешающей способности от апертуры антенной системы. При типичных апертурах антенной системы 100-200 м разрешающая способность оказывается недостаточной для разрешения лучей ионосферных, сигналов, отраженных от Е, Г1, 72 областей ионосферы. Это приводит к интерференционным искажениям при определении характеристик сигналов и не позволяет проводить детальное сопоставление изменений параметров ионосферы и характеристик лучей.В линиях радиосвязи за счет многолучевости возникают интерференционные

искажения, препятствующие их дальнейшей оптимизации. В пеленгации, радиолокации интерференционные искажения ограничивают точность измерения.

Вместе с тем задача повышения разрешающей способности является общей задачей спектроскопии в весьма различных областях применения. При ее даже частичном решении появляются возможности существенного улучшения технических характеристик радиосистем, работающих в условиях многолучевости.В теоретическом плане к настоящему времени разработан ряд современных методов спектрального оценивания,отличающихся повышенной разрешающей способностью. Однако их практическая' реализация в приложении к ионосферным сигналам требует, с одной стороны, существенных теоретических доработок, а с другой стороны - создания многоканальных устройств, измеряющих комплексную амплитуду поля в фиксированных точках пространства. На решение этой актуальной задачи и направлена диссертационная работа.

Цель работы

1. Разработка метода углового спектрального оценивания на основе априорной информации о сигнале.

2. Разработка и создание цифрового анализатора углового спектра в декаметровом диапазоне, отличающегося повышенной разрешающей способностью.

3. Исследование возможностей макета анализатора углового спектра при работе в реальных условиях.

Новизна работы

Новизна работы заключается в принципиальном новом подходе к разработке и созданию макета анализатора углового спектра,который заключается в одновременном измерении комплексных амплитуд поля в фиксированных точках пространства и обработке этих данных

современными методами спектрального оценивания.

При выполнении работы получены следующие новые результаты:

- создан метод обработки данных - " Метод модифицированного преобразования Фурье ";

-разработана аппаратурная реализация восьмиканального макета анализатора углового спектра .характеризующаяся повышенной разрешающей способностью и большими точностями;

- решена задача разделения ионосферных лучей на основе пространственно-временного алгоритма обработки данных;

- показан эффект локального замедления скорости радиоволн в точке приема и оценено его влияние на углы места принимаемых сигналов.

Научная и практическая ценность работы Научная и практическая ценность работы заключается в создании нового метода спектральной обработки данных - "Метода модифицированного преобразования Фурье" и его практической реализации в области угловой спектроскопии декаметровых радиоволн.

Созданный макет анализатора углового спектра обладает повышенной разрешающей способностью и позволяет проводить высокоточные эксперименты , направленные на изучение тонкой угловой структуры ионосферных сигналов. В частности, решена задача разделения ионосферных лучей,отраженных от Е,Г1,Г2 областейионосферы. При разработке и создании макета анализатора углового спектра реализован "голографический метод" измерения амплитуд и фаз поля в фиксированных точках пространства и показаны его технологические преимущества.

Автор защищает

1. Основы метода "Модифицированного преобразования Фурье".

2. Конструктивные и технологические основы созданного макета углового спектроанализатора.

3. Результаты исследования возможностей анализатора спектра при моделировании и в режиме макетирования.

4. Результаты измерения угловых спектров реальных сигналов на разработанном макете анализатора углового спектра.

Апробация работы

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, были доложены на объединенных семинарах КГУ и КМИО ИЗМИРАН, ИЗМИРАН, на профессорско-преподавательских конференциях КГУ, на научно - техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" С Смоленск, 1992г.Э,

на Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" С Калининград, 1989г.3

Публикации.Содержание диссертации опубликовано в восьми печатных работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения,трех глав и заключения; в ней содержится 102 страницы текста и 76 страниц с иллюстрациями. Список литературы содержит 62 наименования.

Содержание работы Настоящая работа состоит из введения, трех глав и заключения.

Во введении обосновывается постановка задач исследования.

В первой главе диссертационной работы представлен краткий обзор методов спектрального оценивания. Дан анализ классического преобразования Фурье, рассмотрены методы современного спектрального оценивания на примерах методов "Прони", предсказаний, "MUSIC".

Отмечено, что современные методы спектрального оценивания

основаны на использовании априорной информации о характере сигнала. Они не имеют недостатков, присущих классическому преобразованию Фурье. В частности,их разрешающая способность не зависит от базы данных и в первую очередь определяется отношением сигнал/шум. Таким образом,современные методы спектрального анализа могут быть положены в основу при разработке и создании анализатора углового спектра с повышенной разрешающей способностью.

Рассмотрен вопрос о структуре сигнала в точке приема С§ 1,3).

По ионограммам вертикального зондирования методом Смита сделаны оценки количества лучей и их возможные различия. Оценена возможность решения задачи на основе классического преобразования Фурье. Приведены интерференционные полосы при приеме реальных сигналов, полученные на двух ортогональных линейках вибраторов. Отмечено, что в 80% случаев возможно использование распределения амплитуд и фаз сигнала на поверхности земли для пересчета в лучевую структуру поля. В § 1.5 представлено описание метода спектрального оценивания - метода модифицированного преобразования Фурье,разработанного на основании анализа методов спектрального оценивания. Его основа связана со своеобразным решением известного функционала

Д =£ |Ёп - Е йп ехр а Кт Еп ) |2 , С 1 )

п ' т '

Л

где Еп-комплексное измеренное зачение поля в п- точке пространства.

Сумма в правой части является априорным представлением о сигнале. В данном случае сигнал представлен в виде набораплоских волн с

л

комплексными амплитудами 11т и волновыми числами Кш для ш-

составляющей спектра. Непосредственное решение функционала невозможно вследствие большого количества локальных минимумов. В результате обычно получают квазиоптимальное решение С13, реализованное в методах "Прони", предсказания, "MUSIC". В предлагаемом методе неизвестные переменные разделяются по признаку

/s

линейности относительно поля. Линейные переменные С Um 3 находятся методом наименьших квадратов, а нелинейные С КтЗ находятся методом перебора. При этом существенно уменьшается количества переменных и функционал представим в виде поверхности в 2т- мерном пространстве.Задавая в С 1 3 произвольно набор векторов Km из заданного диапазона их изменений и применяя метод наименьших квадратов к С1),получим систему уравнений. В матричном представлении она имеет вид

En е

1ЙЙ»

En

1- •

ДГКт-FCi ЭЕп

iCKi-KnOKn е .

1

Ui

Um

С 2 3

где черта сверху означает усреднение по индексу п < по пространству).

л л

Решение этой системы дает значения Ш -г и™, подставляя которые в С 1 3, можно получить точку поверхности ДШ...КтЗ приданном наборе векторов Кт. Меняя набор значений Кт по определенному алгоритму, можно получить всю 2т-мерную поверхность, минимум которой и дает решение.

В таком варианте возможно получение решения при одно-, двух-,трех-лучевых полях. Для полей большей размерности временные затраты слишком велики,однако можно использовать численные методы поиска экстремумов , в частности метод градиентного спуска. При этом временные затраты уменьшаются от значения

Д1 = П

п=1

до значения

М. = I

м ДКп

п=1 Ьп '

где Ь п- шаг дискретизации по п -переменной;

ДКп - интервал вариаций по п -переменной.

Исследование вопроса возможности использования методов градиентного спуска для решения задачи С§6,3) показало, что минимумы, обеспечивающие минимизацию функционала, имеют сложную конфигурацию овражного типа. Соответствующие методы градиентного спуска при таких условиях работают неэффективно. В связи с этим разработан новый метод - метод градиентного спуска в ортогональных координатах.Его основа заключается в том, что на плоскости азимут-угол места каждый луч представляет из себя точку. Следовательно, N лучей дадут на плоскости Н-мерный многоугольник. Задачей тогда является совмещение произвольно заданного многоугольника с искомым. Так, в случае трех лучей последовательными операциями будут: совмещение центра масс треугольников, произвольного и искомого; поворот произвольного треугольника до совмещения направления на одну из вершин и масштабирование до совмещения одной из вершин; поворот и масштабиро-вание второй вершины. Количество операций равно шести - равно количеству неизвестных. Ортогональность понимается в том смысле, что варьируются не координаты отдельных лучей, а координаты центра тяжести, вершин многоугольника. При этом функционал монотонно и независимо стремится к минимуму. Используя предложенный метод градиентного спуска в ортогональных координатах, возможно достаточно быстро решить задачу минимизации функционала.

Дальнейшим развитием метода МПФ является совмещение

пространственной и временной обработки данных С §1,73. Это может

быть сделано вследствие того, что распространение радиоволн

представляет собой пространственно-временной процесс. Он может быть описан системой уравнений:

Еп,1 = £ От е1СКт1гп - й» ЬО , с з э

т

где индекс п -определяет пространственные изменения Сточку пространства);

индекс 1 определяет момент времени Свременной срез данных на вибраторах);

От - допплеровский сдвиг частоты т - луча;

л

Еп,1 -измеренное значение поля в п-точке пространства и в 1 момент времени; Используя временные среды данных, можно последовательно исключить

л

амплитуды поля Ит. При этом система С 3 ) преобразуется к виду ? й Еш

л

где С1- неопределенные комплексные коэффициенты, описывавши процесс распространения радиоволн во времени. За счет временных средств на вибраторах аналитически исключаются из соотношений предполагаемые плоские волны, кроме одной.Однако соотношение С 4 ) справедливо для любой плоской волны СКт ), создающей измеренное поле на поверхности земли. Вследствие этого функционал

Л = 5 | р С1 Еш - е1К * |2 (53

дает минимумы при всех значениях ЕС = Кт.

Таким образом, временное пространство используется для

исключения полей и получения соотношения С 4 ).Физическое пространство используется для нахожденя неопределенных

л

коэффициентов & и волновых векторов Кт по критерию минимума функционала. При этом перебор значений К осуществляется в двухмерном пространстве Кх, Ку.что существенно уменьшает временные затраты. Коэффициенты & находятся методом наименьших квадратов. Таким образом, получен оптимальный алгоритм обработки данных во времени и пространстве.

Во второй главе диссертационной работы представлены результаты разработки восьми канального анализатора углового спектра в декаметровом диапазоне. Он измеряет комплекную амплитуду в 8 фиксированных точках на поверхности земли и обрабатывает полученную информацию методом МПФ. Основой макета являются 8 приемников типа " Катран ".которые позволили создать 8 независимых каналов съема данных. Наличие приемников с синтезированной частотой дало возможность полностью автоматизировать процесс установки макета на рабочую частоту и выбора усиления в каналах. Особенностью макета является использование принципа " голографии " при приеме сигналов. Для этого на входе приемников сигнал от каждой антенны смешивается с опорным сигналом от синтезатора. В результате амплитуда и фаза опорного сигнала фиксирует амплитуду и фазу сигнала с эфира в каждом канале. Преимуществом такого способа приема сигналов является практическая независимость амплитуды и фазы сигнала от • коэффициентов передачи в каждом канале. Амплитуда и фаза сигнала от каждого вибратора восстанавливаются по известным значениям амплитуды и фазы опорного сигнала. Вместе с тем появляется возможность цифровой узкополосной фильтрации сигнала. Это реализуется за счет детектирования с сохранением постоянной составляющей и применения к обработке метода МПФ. После

детектирования сигнал представим в виде:

или

Е2 = К Г U2+U2+ 2 U U cos С Q t + р Л, С 6 )

с LcO с0 с J

En = А + В cos П t + С sin П t

где En - измеренная временная последовательность данных С индекс п - определяет момент времени ); К - коэффициент усиленя в каком-либо канале; Uo - амплитуда опорного сигнала;

Uc, (Ос - амплитуда сигнала в канале и фаза по отношению к фазе опорного сигнала; Составим функционал:

Д= 2 |е£- А- В cos П t - С sin П tj2 С 7 3

и найдем его минимум, варьируя Q в определенных пределах. Коэффициенты А, В, С находятся методом наименьших квадратов. По найденным значениям А, В, С находятся параметры сигнала из системы уравнений:

А = К CU§ + US) Uc = Uo Г А ± J А2- В2 С2 1 ( g 3

В = 2KUcUo cos р ^ J В2+С2 J

С = -2KUcUo sin tp tg p = —

Данная методика обработки позволила получить узкую полосу фильтрации ~ 10гц, при времени съема данных - 100 мс, обеспечить высокую помехозащищенность и точность измерения и рс в каждом канале. Полученные значения амплитуд и фаз в 8 фиксированных точках земной поверхности обрабатывались далее методом МПФ для получения амплитуд и волновых векторов углового спектра.

Исследования возможностей макета анализатора проведены в режиме макетирования С § 2,7 ).Однолучевое и двухлучевые поля создавались с помощью выносных синфазных гетеродинов. Особенности

полей,связанные с зависимостью амплитуды сигнала от расстояния, типа const / R и сферичность фронта волны, обусловленные близостью излучателей по отношению к антенной системе, учитывались. Это указывает на достаточно большую универсальность метода НПФ. При однолучевом поле измеренные азимуты сравнивались с азимутами, по-лученными по буссоли . Основными задачами при этом было оценить точность измерений, реализованный частотный диапазон и однозначность решения. Получена точность измерения •* 1°, частотный диапазон 2+30 мгц. Решение может быть получено даже при отношении Uc/Um-O.3.

Основной задачей являлась оценка реальной разрешающей способности. Измерения проведены в двух режимах: без учета амплитудных и фазовых поправок антенной системы и с поправками. Поправки вводились при работе одного гетеродина по известному значению местоположения излучателя. Удовлетворительные результаты получаются в средней части частотного диапазона. Приемлемая точность будет для частот f >5мгц. Следовательно, решение может быть получено на 0,3 -г 0,5 пространсвенного периода. По результатам исследований сделан важнейший вывод: при типичном отношении сигнал / шум ~ 15 -г 20 дб, реализующемся при измерениях,можно увеличить разрешающую способность по сравнению с преобразованием Фурье в 2 + 3 раза.

Исследования позволили подтвердить эффект замедления радиоволн С§ 2,8) на локальных пространственных структурах типа антенной системы, сетки заземления. Численно он равен 0,952 и слабо изменяется с частотой. Он проявляет себя в искажении распределения фаз на вибраторах и в конечном счете приводит к существенным погрешностям в определении углов места сигнала.

В главе 3 диссертационной работы проведено общее исследование возможностей макета анализатора углового спектра при

приеме реальных сигналов. Использована широкая сеть вещательны: радиостанций. Всего сделано приблизительно 3000 измерений. Одни! из основных вопросов исследования являлся вопрос о степеш соответствия реального распределения амплитуд и фаз по вибратора! набору плоских волн Саприорная информация). Установлено, чт< амплитуды поля могут отличаться в пределах 10% ,а фазы-в предела: 20°. При этом отмечается наличие регулярных отклонений, связанны: с погрешностями антенно-фидерного тракта, и случайных отклонений, связанных с вариациями ионосферы. Возможность такого разделениг позволяет устранять погрешности антенно-фидерного тракта, увеличивая тем самым отношения сигнал/шум, а следовательно, т, разрешающую способность. Таким образом, модель сигнала в вид? набора плоских волн практически оправдывает себя. Устойчивост! решения проверена при регистрации данных на интервалах~15-г20 с. На таких интервалах параметры ионосферы меняются незначительно 1 вариации угловых характеристик в первую очередь связаны с неустойчивостью решения. В результате исследований получено, чтс однолучевое поле дает устойчивое решение. Двухлучевое поле дает устойчивое решение лишь при благоприятных условиях, когда угловое различие достаточно большое и измерения проводятся в максимуме интерференционной структуры поля. Трехлучевое поле не может был разрешено в связи с недостатком информации Смалое отношение сигнал / шум).

Минимум функционала, как показали исследования, являете; хорошим критерием отбора решений. Так, однолучевое поле характеризуется значением Д1 < 0.1. Двухлучевое поле

характеризуется значениями Д1> 0.1 ; А2 < 0.1 .Используя этот критерий, можно уточнять угловые характеристики лучей, отбрасывая решения с малой достоверностью. Использование этого критерия уменьшает дисперсию азимутов и позволяет в принципе

юшать задачу разделения лучей на основе одно- или двухлучевого алгоритма обработки данных. Это оказывается возможным в связи с ■ем, что амплитуды отдельных лучей достаточно быстро изменяются ¡а счет поляризации, фокусировки и достаточно быстро могут ¡еализовываться одно- или двухлучевое поля. Критерием отбора юшений при этом является значение функционала в минимуме.

В настоящей работе С§3,5) проведено сравнение углов места, голученных при измерении и рассчитанных по ионограммам ¡ертикального зондирования. Результаты сравнения указывают на фстаточно хорошее соответствие. Однако отмечаются случаи >ассеяния, когда сигнал нельзя представить в форме набора плоских юлн. Практически не выявляются в измерениях лучи с малыми 1мплитудами Спо сравнению с наибольшим по амплитуде лучом).Макет шализатора углового спектра при работе с однолучевым или свухлучевым алгоритмом позволяет удовлетворительно решить задачу зазделения лучей. Однако наиболее эффективное решение задачи юлучается при пространственно-временном алгоритме обработки 1анных. В этом случае количество информации возрастает и соотношение сигнал / шум становится достаточным даже для решения трехлучевой задачи при использовании трех срезов данных на вибраторах на интервале трех секунд. При этом разрешающая способность оказывается достаточной для разрешения лучей, отраженных от Е, П, Т2 областей ионосферы. Разделение отмечается хахе для низких частот - 6 Мгц, что характеризует высокую пазрешающую способность. Вместе с тем становится ясной дальнейшая зозможность увеличения разрешающей способности за счет увеличения количества временных срезов данных.

Основные результаты диссертационной работы Зсновным результатом является создание восьми канального макета анализатора углового спектра в декаметровом диапазоне волн.

При этом получено следующее :

1. Разработан новый метод спектрального оценивания - метол модифицированного преобразования Фурье СНПФ). Он относится к классу современных методов спектрального оценивания, имеет высокую разрешающую способность и отличается универсальность»: применения.

2. Разработан метод "Градиентного спуска в ортогональные координатах", позволивший существенно сократить временные затрать при использовании метода МПФ. Время счета сокращено от десятког минут до десятков секунд.

3. Разработан восьмиканальный макет анализатораугловогс спектра сигнала в декаметровом диапазоне. Его отличительно* особенностью является голографический метод регистрацш параметров поля в восьми точках на поверхности земли и применение метода МПФ для создания узкополосной фильтрации и решения задач! выделения лучей.

4. Разработан алгоритм пространственно-временной обработк! данных.Он существенно увеличивает разрешающую способность за сче' оптимальной обработки данных во времени и пространстве.

5. Проведено исследование возможностей метода МПФ с помощь: моделирования , макетирования и при работе с реальными сигналами. При этом установлено следующее.

а) при однолучевом поле макет анализатора обеспечивав' точность определения азимута , угла места С.однозначность решения обеспечивается в диапазоне частот 2-гЗО Мгц : азимутов 0-г360°;

б) макет анализатора обеспечивает с приемлемыми точностям решение при двухлучевом поле при условии измерения параметров поля на базе .равной 0.3 пространственного периода отношениисигнал/шум -15 дБ;

в) подтвержден эффект локального замедления скорости радиоволн на замедляющих структурах антенной системы. Эффект влияет на точность измерения угла места в нижней части диапазона.

7.Решена задача разделения лучей ионосферных сигналов при апертуре антенной системы 150 м и временной базе данных 3 с с помощью пространственно-временной обработки данных.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1.Бессонов В.А..Конюшенко С.М.,Пахотин В. А. Шрамко Г. В. Метод модифицированного преобразования Фурье// Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой". Ч. 2. М.,1989. С. 26.

2. Бессонов В. Г. .Егоров И. Б., Копылов Ю. В. .Пахотин В. А. , Шипи лов В. Л. Автоматизированный приемный комплекс АПК-Радуга//Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой". Ч. 2. М. , 1989. С. 25.

3.Бессонов В.А. .Мальцев А. В..Пахотин А. В.,Шипилов В. Л. .Шрамко Г. В. Метод модифицированного преобразования Фурье и его приложения// Тезисы докладов Всесоюзного семинара"Распространение радиоволн в ионосфере". М. ,1989.С.16.

4.Агафонников Ю. М..Бессонов В. А.,Копылов Ю. В. .Мальцев А.В.,Пахотин В. А. Результаты анализа экспериментальных данных,полученных с помощью автоматизированного приемного комплекса//Тезисы докладов Всесоюзного семинара"Распространение радиоволн в ионосфере". М. .1989.С.48.

5. Пахотин В. А..Конюшенко С. М.,Бессонов В. А,Шрамко Г. В. Разрешающая способность оптических инструментов и спектроанализаторов// Тезисы докладов 11 зонального совещания

1Я

заведующих кафедрами и ведущих преподавателей по физике вузов Белоруссии,Латвии, Литвы, Эстонии и Калининградской области РСФСР. Калининград,1991. С.95.

6.Пахотин В. А..Конюшенко- С.М. .Бессонов В. А. .Борисов И. А. Результаты исследований угловых характеристик на 8 канальном приемном комплексе методом МПФ//Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах.М. ,1992. С. 13.

7. Пахотин В. А. Донюшенко С. М. ,Бессонов В.А..Борисов И. А. Результаты исследований закономерностей дальнего распространения декаметровых радиоволн//Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах. М. ,1992.С. 83.

8.Пахотин В.А..Конюшенко С. М. ,Бессонов В. А. Закономерности при приеме кругосветных сигналов// Геомагнетизм и аэрономия. №3.1993. С. 154.