Динамика формирования сигнальных и шумовых характеристик автодинных радиолокаторов с амплитудной и частотной модуляцией : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.12.14

Актуальность темы исследования и степень разработанности темы
Системы ближней радиолокации (СБРЛ), построенные по автодинному
принципу, имеют простейшую конструкцию приёмо-передающего модуля,
который содержит лишь антенну и автодинный генератор, совмещающий в себе
одновременно функции передатчика и приёмника. Поэтому автодины (АД),
работающие в условиях воздействия собственного отражённого от цели
излучения, находят широкое применение в СБРЛ различного назначения.
Например, в аппаратуре контроля параметров технологических процессов и
измерительной технике, а также на транспорте и в промышленности, системах
безопасности и в военном деле, в научных исследованиях и медицине, в которых
отмеченные выше достоинства АД являются определяющими.
Конструктивная простота АД, тем не менее, контрастирует со сложностью
описания и анализа процессов, протекающих в нем. Дело в том, что АД
представляет собой единую автоколебательную систему «генератор – объект
локации» [1]. В этой системе расстояние и скорость его изменения являются, по
отношению к АД, «внешними» параметрами этой системы. Изменения этих
параметров в соответствии с автодинным эффектом вызывают изменения
собственных параметров генератора (амплитуды и частоты колебаний). Поэтому
автодинные системы относятся к классу автопараметрических систем с
запаздывающей обратной связью [2–4]. Адекватное описание всех сложных
процессов в таких системах возможно только методами теории нелинейных
колебаний. Понятно, что сложность анализа автодинной системы дополнительно
возрастает при модуляции какого-либо параметра генератора – частоты,
амплитуды и фазы, особенно, если учитывать реальную взаимную зависимость
этих параметров между собой, а также их зависимость от изменения внешних
параметров системы – скорости цели и расстояния до неё.
Очевидно, что зависимость упомянутых параметров от скорости объекта
локации и, соответственно, частоты автодинного сигнала определяет
динамические характеристики автодинной системы. Вид этих характеристик
зависит от инерционности автодинного генератора, характеризуемой постоянной
времени автодинного отклика. Учёт динамических характеристик необходим при
использовании АД в СБРЛ с различными видами модуляции, а также в случаях
регистрации этими СБРЛ быстропротекающих процессов. Например, в
экспериментальной физике и военном деле, в практике полигонных испытаний
изделий и др.
Впервые на проблему быстродействия АД в 1946 году обратил внимание наш
соотечественник И.Л. Берштейн [5], известный специалист по теории
генераторов, талантливый ученик горьковской школы нелинейных колебаний
А.А. Андронова. Из результатов его работы следует, что при неправильном
выборе параметров автоколебательной системы инерционность генератора может
вызвать ограничение диапазона доплеровских частот сигналов. Необходимо
отметить, что в тот «ламповый» период развития радиотехники АД работали в
диапазоне метровых и дециметровых волн и учет их «внутренней» инерционности
был актуален.
Однако в период 70-80-х годов прошлого века в связи с появлением
быстродействующих генераторов на полупроводниковых приборах (диодов
Ганна, ЛПД и др.) и освоением СВЧ и КВЧ диапазонов при решении
локационных задач более актуальным оказался учёт «внешней» инерционности
автодинной системы. Эта инерционность, обусловленная конечным временем
распространения зондирующего излучения до объекта локации и обратно,
оказывает существенное влияние на формирование сигналов АД, особенно с
укорочением длины волны излучения [6]. Для учета этой инерционности при
анализе автодинных сигналов, как показано в диссертации [7], целесообразно
привлечение методов теории систем с запаздыванием [8].
Необходимо отметить, что в период становления и развития данного
научного направления и до последних дней значительный вклад в теорию и
технику АД внесли отечественные и зарубежные ученые: Е.К. Алахов, И.Л.
Берштейн, С.Д. Воторопин, Е.М. Гершензон, В.Н. Дамгов, Г.П. Ермак, И.М.
Коган, В.Я. Носков, С.М. Смольский, А.Ф. Терещенко, Б.Н. Туманов, Д.А.
Усанов, Ю.Л. Хотунцев, T. Itoh, P.A. Jefford, M.J. Lasarus, S. Nagano, F.R. Pantoya,
Y. Takayama и многие другие. В своих публикациях они значительно расширили
круг задач, решаемых с помощью АД, а также исследовали различные типы,
режимы работы, принципы построения и использования автодинных генераторов.
Современные мировые тенденции дальнейшего развития теории и техники
СБРЛ связаны с созданием новых и более совершенных приемо-передающих
модулей СВЧ и КВЧ диапазонов в монолитном и гибридно-интегральном
исполнении и освоение все более высоких рабочих частот. В соответствии с
этими тенденциями зарубежными фирмами разрабатывается широкая
номенклатура таких модулей. При этом особый интерес представляют
микросхемы приемо-передатчиков для поверхностного монтажа. Среди них
значительную долю составляют автодинные модули, выполненные на основе
диодов Ганна, полевых и биполярных транзисторов. Технические решения этих
модулей и микросхем защищены большим числом патентов в первую очередь в
передовых промышленно развитых странах: Япония, ЕС, США и Китай.
В нашей стране в АО «НИИПП» (г. Томск) в 90-е годы прошлого века были
созданы гибридно-интегральные автодинные модули типа «Тигель-05» 5-мм
диапазона для автомобильных радиолокационных спидометров и «Тигель-08М»
8-мм диапазона для широкого применения в СБРЛ различного назначения.
Данные модули были выполнены на базе мезапланарных ганновских структур.
Они в те годы по своим параметрам не уступали лучшим зарубежным образцам.
Однако за прошедшие годы по известным причинам они оказались практически
не востребованными не только на транспорте и промышленности, но и военном
деле и медицинском приборостроении. Кроме того, учитывая временной разрыв в
преемственности поколений специалистов и невозможности восстановления
технологии изготовления, перспективы их массового производства безвозвратно
утрачены. Сохранились только отдельные экземпляры опытной партии модулей.
Тем не менее, в последнее время в нашей стране возобновился интерес к
развитию данного направления в связи с запросом промышленности приемо-
передающих модулей и интегральных схем СВЧ и КВЧ диапазонов для СБРЛ
отечественного производства, отвечающих современным требованиям по
электрическим и тактико-техническим характеристикам. В свете этого запроса
автодинные модули, которые в наибольшей мере удовлетворяют указанным
требованиям, имеют особые преимущества перед гомодинными модулями по
габаритам, весу и стоимости при любой технологии их изготовления и поэтому
востребованы.
Применение в АД частотной модуляции (ЧМ) излучения значительно
расширяет функциональные возможности СБРЛ при решении задач обнаружения
и измерения параметров движения объектов локации [9]. Эти СБРЛ обеспечивают
возможность формирования, так называемых, «мертвых зон» и «зон селекции»
цели на заданных расстояниях. Кроме того, ЧМ обеспечивает повышение
помехоустойчивости СБРЛ к воздействию как активных, так и пассивных помех.
Очевидно, что для успешного применения автодинных СБРЛ с ЧМ
необходимо учитывать динамические особенности формирования сигнальных и
шумовых характеристик АД, отличающие их от хорошо изученных систем
гомодинного типа. Эти особенности АД с ЧМ, как и обычных АД без модуляции,
состоят в том, что в условиях «сильного сигнала» у них наблюдаются
ангармонические искажения сигналов [10]. Данное явление создает проблемы при
обработке сигналов, сужает динамический диапазон СБРЛ и ограничивает
область применения АД, особенно в диапазонах миллиметровых и
субмиллиметровых волн.
Изучению сигнальных и шумовых характеристик автодинных СБРЛ с ЧМ
посвящено большое число работ. Однако на сегодня результаты выполненных
исследований этих характеристик имеют ограниченную область применения. Они
справедливы для условий относительно малых расстояний до объекта локации,
при которых время запаздывания отражённого излучения значительно меньше
периода автодинного сигнала. На практике данное неравенство может
нарушаться. Например, в 8-мм диапазоне длин волн при девиации частоты 500
МГц, частоте модуляции 10 кГц и расстоянии до объекта локации 75 м время
запаздывания составляет 0,5∙10–6 с, а минимальный период сигнала равен 0,2∙10–6
с [11].
В связи с этим представляется актуальным проведение исследований,
направленных на поиск новых режимов работы, структур и технических решений
автодинных приемо-передатчиков, обеспечивающих улучшение динамических
сигнальных и шумовых характеристик, а также расширение функциональных
возможностей и области применения СБРЛ. При этом востребованными для
практики являются результаты исследования АД с амплитудной (АМ) и
частотной (ЧМ) модуляциями с учетом их взаимного влияния на сигнальные
характеристики. Кроме того, практический интерес представляют результаты
исследований шумовых характеристик, а также режима биений генератора для
определения динамических свойств генераторов как автодинов.
Объектом исследования диссертации являются СБРЛ с АМ и ЧМ с
автодинным принципом построения приемо-передатчика.
Предметом исследования – модели и методы анализа автодинных
генераторов, принципы построения и применения АД в СБРЛ.
Цели и задачи диссертационной работы
Основной целью диссертации является исследование динамических
особенностей формирования сигнальных и шумовых характеристик автодинных
СБРЛ с АМ и ЧМ, а также изучение свойств АД при асинхронном воздействии
излучения от стороннего источника.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. На основе выполненного обзора литературы по СБРЛ с АМ и ЧМ показать
актуальность темы диссертации, дать обоснование цели и задач исследования.
2. Разработать математическую модель для расчета динамических сигнальных