1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Радиотехника и электроника
  4. T. 67, № 11, 2022

Радиотехника и электроника, 2022, T. 67, № 11, стр. 1110-1115

Моделирование прохождения радиоотклика через электрооптические повторители сверхкоротких радиоимпульсов

А. В. Шильцин a, *, М. С. Костин a

a МИРЭА – Российский технологический университет, Российская Федерация
119454 Москва, просп. Вернадского, 78, Российская Федерация

* E-mail: adaptox@gmail.com

Поступила в редакцию 02.02.2022
После доработки 16.05.2022
Принята к публикации 23.05.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложен электрооптический метод альтернативного решения радиотехнической задачи стробоскопической регистрации и восстановления сверхкоротких радиоимпульсов наносекундной длительности с субнаносекундным разрешением, составляющих сигнатуру радиоизображения облучаемых объектов для систем радиосенсорной сигнально-томографической аутентификации. Разработаны в среде Simulink программные модели инфраоптических повторителей, позволяющие численно анализировать и исследовать эффективность метода оптической регенерации радиоимпульсов с помощью схемы дробного мультиплексирования с задержанной обратной связью. Проведено моделирование радиотклика от цифрового двойника цели, облученной гауссовским сверхкоротким радиоимпульсом в программной среде электродинамического моделирования Altair Feko. Показано, что электрооптический повторитель с 16-ю линиями задержки за 20 итераций способен восстановить радиотклик от цели с коэффициентом корреляции больше 0.9 между эталонным и восстановленным импульсом при отношении сигнал-шум не менее 9 дБ.

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной работы является построение и анализ параметрических вариаций схем программно-численной модели сигнального повторителя сверхкоротких радиоимпульсов, а также программно-численная эмуляция и алгоритмизация стробоскопического метода регистрации и обработки радиоизображений, сформированных цифровым двойником – электродинамической моделью зондируемого объекта, представленного беспилотников самолетного типа. Освоение субнаносекундного сверхвысокочастотного диапазона открывает уникальные возможности при исследовании радиофизических свойств внешней и внутренней подповерхностной структуры материальных сред и объектов в задачах сигнально-томографического радиовидения ввиду того, что сверхширокополосность сверхкоротких радиоимпульсов позволяет с высокой точностью воспроизводить импульсные характеристики облучаемой сигнатуры зондируемых объектов [1]. При этом научно-практический интерес к электродинамическим эффектам волновой трансформации профиля отраженных от облучаемых поверхностей или прошедших через различные среды ультракоротких радиоимпульсов так или иначе ведет к поиску более совершенных и эффективных методов регистрации и преобразования сверхкороткоимпульсных (СКИ) сигналов с целью их стробоскопического восстановления для дальнейшей постобработки [2].

Как известно, при создании регенераторов одиночных импульсов с усиленно-задержанной петлей обратной связи на базе радиотехнических решений особые требования предъявляются к обеспечению устойчивости системы, связанной с явлениями паразитных самовозбуждений в цепи регенератора [4]. Отсюда для достижения надежной устойчивости системы регенерации предлагается радиофотонное преобразование радиоотклика в инфраоптический посредством амплитудной электрооптической модуляции лазерного излучения принятым радиочастотным СКИ-сигналом.

Цель данной работы – создание нового метода сигнальной рекуперации, основанного на дробном оптическом повторителе, который преобразует СКИ-сигнала в последовательность аутентичных импульсов для решения задачи стробоскопической обработки радиоизображений. В то же время предлагаемая в работе технология строб-фрейм-дискретизации (СФД) исключает недостатки аналогового приема, в том числе высокочастотное тактирование СКИ-сигнала для взятия цифровых отсчетов [3, 4].

1. ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ МОДЕЛИ СТРОБ-ФРЕЙМ-ДИСКРЕТИЗАТОРА

Предлагаемая программно-численная модель СФД была ранее реализована в программной среде Simulink, аналитическое описание и исследование которой подробнее рассмотрена в работе [5]. Модель состоит из генератора импульсов заданной формы, массива элементарных линий временной задержки сигнала, массива счетчиков, компаратора и системы вывода результатов. Так, на рис. 1 представлены четыре ключевых функциональных блока: I – массив линий задержек и счетчиков, II – генератор сигналов заданной формы и повторитель СКИ-сигналов, III – компаратор, IV – система вывода результатов.

Рис. 1.

Программно-численная модель СФД в среде Simulink: I – массив ЛЗ и счетчиков, II – генератор сигналов заданной формы и повторитель СКИ-сигналов, III – компаратор, IV – система вывода результатов.

Так, особенностью рассмотренной радиотехнической модели является необходимость фиксированного стробоскопического приема для его восстановления после отражения от исследуемого объекта. Иными словами, радиоимпульс излучается столько раз, сколько уровней компаратора необходимо для восстановления СКИ-сигнала при заданной точности [3].

В качестве зондирующего СКИ-сигнала для получения радиоизображения объекта, принимаемого сверхширокополосной антенной, выбран биполярный гауссовский радиоимпульс – гауссиан [6] (рис. 2), профиль которого имеет вид

(1)
$S(t) = t\exp ( - a{{\left[ {t - \tau {\text{/}}2} \right]}^{2}}),$
где τ – длительность СКИ-сигнала.

Рис. 2.

Графическое представление аналитической модели гауссовского радиоимпульса.

При этом для оценки воспроизводимости СКИ-сигнала, восстановленного СФД в данной работе, коэффициент корреляции между эталонным (реперным) и восстановленным радиоимпульсом будем считать по формуле (2):

(2)
${{r}_{{x,y}}} = \frac{{\sum\limits_{i - 1}^n {({{x}_{i}} - \bar {x})({{y}_{i}} - \bar {y})} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i - 1}^n {{{{({{x}_{i}} - \bar {x})}}^{2}}\sum\limits_{i - 1}^n {{{{({{y}_{i}} - \bar {y})}}^{2}}} } } }}.$

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИООТКЛИКА ОТ ЗАДАННОГО ПРОТОТИПА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Для достоверного формирования радиоизображения от облученной цели, используемого в качестве эталонного репера для корреляционной оценки воспроизводимости исходного СКИ-сигнала электрооптическим повторителем, в среде Altair Feko проведено электродинамическое моделирование по созданию цифрового двойника зондируемого объекта.

В качестве численного метода моделирования в среде Altair Feko был выбран метод моментов, принципиально отличающийся от других представленных методов решения задач электродинамики тем, что в его основе не “объемный”, а “поверхностный” подход, при котором в качестве неизвестной векторной координаты используется распределение плотности поверхностных токов на проводящих поверхностях исследуемой системы [7]. Искомый поверхностный ток является источником, возбуждающим поле во всей расчетной области. Таким образом, неизвестная функция определена на поверхности, а не во всем объеме, что снижает вычислительные мощности, требуемые для расчета распределения напряженности электрической компоненты поля, рассеянного объектом СКИ-сигнала.

Кроме того, метод моментов имеет еще одно важное преимущество – при его использовании не требуется ограничение расчетной области искусственной поглощающей поверхностью при решении внешних задач электродинамики. Этими достоинствами обусловлено широкое распространение метода для векторного анализа волновых процессов рассеянья и дифракции. Так, в качестве векторной аналитики в работе применены три основные формулировки метода моментов [7]:

уравнение для напряженности электрического поля –

(3a)
$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}}\int\limits_{S'} {G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ')\left[ {\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} ') + \frac{1}{{{{k}^{2}}}}\nabla {\kern 1pt} '\left( {\nabla {\kern 1pt} '\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} ')} \right)} \right]} dS{\kern 1pt} ' = \\ = \frac{1}{{ik\eta }}{{{\bar {e}}}_{n}}{{{\bar {E}}}^{i}}(\bar {r}), \\ \end{gathered} $
уравнение для напряженности магнитного поля –
$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}}{{{\bar {H}}}^{i}}(\bar {r}) = \frac{1}{2}\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}) + \\ + \,\,\left[ {{{{\bar {e}}}_{n}}\int\limits_{S' - \delta S} {\nabla {\kern 1pt} 'G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ') \times \bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} '){\kern 1pt} } dS{\kern 1pt} '} \right], \\ \end{gathered} $
уравнение для электродинамических потенциалов –
$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}}{{{\bar {E}}}^{i}}(\bar {r}) = {{{\bar {e}}}_{n}}\left[ {i\omega \mu \int\limits_{S'} {G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ')\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} '){\kern 1pt} } dS{\kern 1pt} ' - } \right. \\ \left. { - \frac{1}{{i\omega \mu }}\nabla \int\limits_{S'} {G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ')\nabla {\kern 1pt} '\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} ')} {\kern 1pt} dS{\kern 1pt} '} \right]. \\ \end{gathered} $

Для создания заданного прототипа (исходного репера) в работе была выбрана и построена в среде Altair Feko программно-численная модель беспилотника самолетного типа модификации “Орион”, боковая поверхность которого представлена идеальным проводящим слоем, облучаемого СКИ-сигналом (рис. 3). Моделирование производили на частоте зондирования 200 МГц. Прототип облучали гауссовским радиоимпульсом длительностью 5 нс, достаточной для обеспечения пространственного разрешение по детализации элементов заданной цели.

Рис. 3.

Программная модель беспилотника самолетного типа модификации “Орион” в среде Altair Feko.

В результате моделирования получена программно-графическая эпюра распределения напряженности электрической компоненты электромагнитного поля, рассеянного моделью беспилотника самолетного типа (рис. 4).

Рис. 4.

Распределение напряженности электрической компоненты электромагнитного поля СКИ-сигнала, рассеянного моделью беспилотника самолетного типа.

Так, на рис. 4 отчетливо виден радиоимпульс, прошедший через модель беспилотника, и отраженные радиоимпульсы – рассеянные радиотклики, сформированные целью в результате обратного отражения СКИ-сигнала от ее боковой поверхности. Важно отметить, что несмотря на “наносекундный” характер длительности зондирующего радиоимпульса, частотно-временная детализация сформированного профиля напряженности электрической компоненты СКИ-сигнала, принимаемого от цели радиоизображения, будет носить субнаносекундное распределение, частота верхних формант в спектре которого будет строго определена фронтами (крутизной спада и нарастания) гауссиана.

Анализируя распределения напряженности электрической компоненты обратного электромагнитного излучения вдоль оси х (рис. 5), можно заметить собственно гауссовский радиоимпульс и отраженные от модели беспилотника радиоимпульсы, которые представляют собой сформированное в пространстве радиоизображение или исходный СКИ-сигнал, рассеянный реперной целью.

Рис. 5.

Распределение напряженности электрической компоненты обратно рассеянного электромагнитного поля СКИ-сигнала вдоль оси x.

Произведем пространственно-временную селекцию интересующего радиопортрета цели (рис. 6). Именно в таком виде анализируется полученный радиооклик для оценки его воспроизводимости строб-фрейм-дискретизатором, ранее рассмотренном в работе [9], при его моделировании в среде Simulink.

Рис. 6.

Графическое представление исходного (реперного) радиопортрета беспилотника после пространственно-временной селекции.

3. ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ПОВТОРИТЕЛЯ

В ходе программно-численного моделирования были исследованы конфигурации электрооптических повторителей с 8 и 16 линиями задержки, а также строб-фрейм-дискретизатор с массивом из 100 линий задержки (рис. 7) [10].

Рис. 7.

Модель электрооптического повторителя СКИ-сигнала с обратной задержанной связью и дробным мультиплексированием; БФОС – блок формирования оптического сигнала.

Передаточные функции схем электрооптического повторителя СКИ-сигнала с различными каскадами линий задержки (ЛЗ) можно описать выражениями

${{W}_{{8{\text{ЛЗ}}}}}(p) = \frac{{1 + \sum\limits_{i = 1}^7 {{\text{exp(}} - {{\tau }_{i}}p{\text{)}}} }}{{1 - {{K}_{{{\text{ус}}}}}\exp ( - {{\tau }_{{{\text{гЛЗ}}}}}p)}},$
${{W}_{{16{\text{ЛЗ}}}}}(p) = \frac{{1 + \sum\limits_{i = 1}^{15} {\exp ( - {{\tau }_{i}}p)} }}{{1 - {{K}_{{{\text{ус}}}}}\exp ( - {{\tau }_{{{\text{гЛЗ}}}}}p)}}.$
Здесь Кус – коэффициент усиления, τгЛЗ – величина времени глобальной ЛЗ.

Для моделирования воздействия шума на отраженный от цели СКИ-сигнал был использован аддитивный белый гауссовский шум. Кроме того, была оценена ошибка квантования. Так, при использовании сглаживающего фильтра нижних частот удалось добиться увеличения коэффициента корреляции с 0.82 до 0.92.

На рис. 8 представлены графики зависимости коэффициента корреляции между восстановленным и эталонным (реперным) радиоимпульсом в зависимости от числа итераций восстановления при отношении сигнал–шум 9 дБ. Из рис. 8 видно, что исходный СКИ-сигнал, сформированный радиооткликом беспилотника, успешно воспроизводит схема электрооптического повторителя с массивом из 16 линий задержки при 20 итерациях восстановления радиоимпульса СФД, обеспечивая корреляционную воспроизводимость свыше 0.9. При этом дальнейшее увеличение числа уровней компаратора отрицательно сказывается на корреляционной воспроизводимости восстановленного СКИ-сигнала из-за накапливающихся шумов усилителя.

Рис. 8.

Зависимость коэффициента корреляции Ккор между исходным (реперным) и восстановленным радиоимпульсом от числа стробоскопических итераций N при отношении сигнал/шум 9 дБ: 16 ЛЗ (1) и 8 ЛЗ (2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в работе схемы электрооптических повторителей СКИ-сигналов позволяют восстанавливать одиночный СКИ-сигнал, приближенный по корреляционной воспроизводимости к исходному реперу за однократный цикл регистрации. Проведенный параметрический анализ схем электрооптических повторителей с каскадом из 8 и 16 линий задержки (ЛЗ), показал следующие результаты: вариант схемы электрооптического повторителя с каскадом из 16 ЛЗ вместе со строб-фрейм-дискретизатором с каскадом из 100 ЛЗ позволяет восстанавливать исходный СКИ-сигнал с корреляцией 0.92, однако дальнейшее увеличение количества уровней компаратора СФД не способно обеспечить увеличение коэффициента корреляции из-за накапливания в схеме повторителя собственных шумов усилителя.

Полученные в работе результаты представляют научно-практический интерес для создания и программно-численного анализа проектных решений в области стробоскопической обработки и радиофотонного преобразования радиоизображений посредством амплитудной электрооптической модуляции лазерного излучения принятым радиочастотным СКИ-сигналом.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

  1. Тимановский А.Л., Пирогов Ю.А. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения. М.: Радиотехника, 2017.

  2. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. М.: Радиотехника, 2009.

  3. Будагян И.Ф., Костин М.С., Шильцин А.В. // РЭ. 2017. Т. 62. № 5. С. 486.

  4. Костин М.С., Бойков К.А., Стариковский А.И. // Вестник РАЕН, 2018. Т. 18. № 3. С. 107.

  5. Костин М.С., Бойков К.А. Радиоволновые технологии субнаносекундного разрешения. М.: РТУ МИРЭА, 2021.

  6. Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. // Радиофизика и радиоастрономия. 2008. Т. 13. № 2. С. 166.

  7. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: Физматлит, 2012.

  8. Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. М.: НПП “РОДНИК”, 2008.

  9. Костин М.С., Бойков К.А., Котов А.Ф. // РЭ. 2019. Т. 64. № 2. С. 191.

  10. Шильцин А.В., Марков Д.В., Латышев К.В., Петленко Д.Б. // Межотрасл. науч.-техн. журн. “Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России”. 2020. № 2. С. 51.

  11. Бойков К.А., Костин М.С., Куликов Г.В. // Рос. технол. журн. 2021. Т. 9. № 4. С. 20. https://www.rtj-mirea.ru/ jour/article/view/340/272.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Радиотехника и электроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал