Сенсорные системы, 2022, T. 36, № 3, стр. 275-281

Моделирование сигнального повторителя радиоимпульсов для систем радиосенсорной аутентификации

А. В. Шильцин^1, *, М. С. Костин¹

¹ МИРЭА – Российский технологический университет
119454 Москва, просп. Вернадского, 78, Россия

Поступила в редакцию 03.02.2022
После доработки 21.02.2022
Принята к публикации 12.04.2022

EDN: KSZQEC
DOI: 10.31857/S0235009222030076

Аннотация

В работе представлены 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 беспилотником самолетного типа. 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. В среде Simulink разработаны программные модели инфраоптических повторителей, позволяющие численно анализировать и исследовать эффективность метода оптической регенерации радиоимпульсов при помощи схемы дробного мультиплексирования с задержанной обратной связью. Проведено моделирование радиоотклика от цифрового двойника цели, облученной гауссовским сверхкоротким радиоимпульсом в программной среде электродинамического моделирования Altair Feko. Показано, что электрооптический повторитель с шестнадцатью линиями задержки за 20 итераций способен восстановить радиоотклик от цели с коэффициентом корреляции больше 0.9 между эталонным и восстановленным импульсом при отношении сигнал–шум не менее 9 дБ.

Ключевые слова: электрооптический повторитель, СКИ-сигнал, рекуперация, радиосенсорная система, радиоизображение, импульсная характеристика

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 (Тимановский, Пирогов, 2017; Бойков и др., 2021). 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 (Радзиевский, Трифонов, 2009).

Как известно, создание регенераторов одиночных импульсов с усиленно-задержанной петлей обратной связи на базе радиотехнических решений предъявляет особые требования к обеспечению устойчивости системы, связанной с явлениями паразитных самовозбуждений в цепи регенератора (Костин и др., 2018). Отсюда для достижения надежной устойчивости системы регенерации предлагается радиофотонное преобразование радиоотклика в инфраоптический посредством амплитудной электрооптической модуляции лазерного излучения принятым радиочастотным СКИ-сигналом. Таким образом, работа посвящена созданию нового метода сигнальной рекуперации СКИ-сигнала на дробном оптическом повторителе в последовательность аутентичных импульсов для решения 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 (Будагян и др., 2017; Костин и др. 2018).

ОПИСАНИЕ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ МОДЕЛИ СТРОБ-ФРЕЙМ-ДИСКРЕТИЗАТОРА

Предлагаемая программно-численная модель СФД была ранее реализована в программной среде Simulink, аналитическое описание и исследование которой подробнее рассмотрены в работе (Костин, Бойков 2021). 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.

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 (Будагян и др., 2017).

В качестве зондирующего СКИ-сигнала для получения радиоизображения объекта, принимаемого сверхширокополосной антенной, выбран биполярный гауссовский радиоимпульс – гауссиан (Лазоренко, Черногор, 2008) (рис. 2), профиль которого имеет вид:

Рис. 2.

Графическое представление аналитической модели гауссовского радиоимпульса. Ось ox – время в наносекундах, oy – амплитуда сигнала в вольтах.

(1)

$S(t) = t \cdot \exp \left( { - a{{{\left[ {t - \tau {\text{/}}2} \right]}}^{2}}} \right),$

где τ – длительность СКИ-сигнала.

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)

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

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 (Банков, Курушин, 2008).

В качестве численного метода моделирования в среде Altair Feko был выбран метод моментов, принципиально отличающийся от других представленных методов решения задач электродинамики тем, что использует не “объемный”, а “поверхностный” подход, при котором в качестве неизвестной векторной координаты используется распределение плотности поверхностных токов на проводящих поверхностях исследуемой системы (Григорьев, 2012). Искомый поверхностный ток является источником, возбуждающим поле во всей расчетной области (формулы 3.1–3.3). 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 этого, метод моментов имеет еще одно важное преимущество – при его использовании не требуется искусственное 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 используются три основные формулировки метода моментов (Григорьев, 2012):

− уравнение для напряженности электрического поля

(3.1)

$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}} \times \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}\left( {\bar {r}{\kern 1pt} '} \right)} \right)} \right]} dS{\kern 1pt} ' = \\ \, = \frac{1}{{ik\eta }}{{{\bar {e}}}_{n}} \times {{{\bar {E}}}^{i}}(\bar {r}), \\ \end{gathered} $

− уравнение для напряженности магнитного поля

(3.2)

$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}} \times {{{\bar {H}}}^{i}}(\bar {r}) = \\ = \frac{1}{2}\bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}) + \left[ {{{{\bar {e}}}_{n}} \times \int\limits_{S{\kern 1pt} ' - \delta S} {\nabla {\kern 1pt} 'G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ') \times \bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\kern 1pt} ')} dS{\kern 1pt} '} \right], \\ \end{gathered} $

− уравнение для электродинамических потенциалов

(3.3)

$\begin{gathered} {{{\bar {e}}}_{n}} \times {{{\bar {E}}}^{i}}(\bar {r}) = {{{\bar {e}}}_{n}} \times \left[ {i\omega \mu \int\limits_{S'} {G(\bar {r},\bar {r}{\kern 1pt} ') \times \bar {J}_{s}^{e}(\bar {r}{\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} ')} 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).

Рис. 3.

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

Моделирование производилось на частоте зондирования 200 МГц. Прототип облучался гауссовским радиоимпульсом длительностью 5 нс, достаточной для обеспечения пространственного разрешения по детализации элементов заданной цели.

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.

На рисунке отчетливо виден радиоимпульс, прошедший через модель беспилотника, и отраженные радиоимпульсы – рассеянные радиоотклики, сформированные целью в результате обратного отражения СКИ-сигнала от ее боковой поверхности. Несмотря на “наносекундный” характер длительности зондирующего радиоимпульса, важно отметить, что 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 (область 1) и отраженные от модели беспилотника радиоимпульсы (область 2), 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. Ось ox – расстояние в метрах, oy – амплитуда сигнала в вольтах.

Произведем пространственно-временную селекцию интересующего радиопортрета цели (рис. 6).

Рис. 6.

Графическое представление исходного (реперного) радиопортрета беспилотника после пространственно-временной селекции. Ось ox – время в наносекундах, oy – амплитуда сигнала в вольтах.

Именно в таком виде анализируется полученный радиоотклик для оценки его воспроизводимости строб-фрейм-дискретизатором, ранее рассмотренном в работе (Костин и др., 2019), при его моделировании в среде Simulink.

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) (Шильцин и др., 2020).

Рис. 7.

Модель электрооптического повторителя СКИ-сигнала с обратной задержанной связью и дробным мультиплексированием.

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

(4.1)

${{W}_{{8лз}}}(p) = \frac{{1 + \sum\limits_{i = 1}^7 {{{e}^{{ - {{\tau }_{i}}p}}}} }}{{1 - {{K}_{{ус}}}{{e}^{{ - {{\tau }_{{глз}}}p}}}}},$

(4.2)

${{W}_{{16лз}}}(p) = \frac{{1 + \sum\limits_{i = 1}^{15} {{{e}^{{ - {{\tau }_{i}}p}}}} }}{{1 - {{K}_{{ус}}}*{{e}^{{ - {{\tau }_{{глз}}}p}}}}}.$

Для моделирования воздействия шума на отраженный от цели СКИ-сигнал использовался 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 приведены графики зависимости коэффициента корреляции между восстановленным и эталонным (реперным) радиоимпульсом в зависимости от числа итераций восстановления при отношении сигнал-шум 9 дБ.

Рис. 8.

Зависимость коэффициента корреляции между исходным (реперным) и восстановленным радиоимпульсом от числа стробоскопических итераций при отношении сигнал–шум 9 дБ.

Из рисунка 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.

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 показал следующие результаты: вариант схемы электрооптического повторителя с каскадом из 16 линий задержки вместе со строб-фрейм-дискретизатором с каскадом из 100 элементов задержки 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.

Список литературы

Банков С.Е., Курушин А.А. Расчет излучаемых структур с помощью FEKO. М.: ЗАО “НПП “РОДНИК”, 2008. 246 с.
Бойков К.А., Костин М.С., Куликов Г.В. Радиосенсорная диагностика целостности сигналов внутрисхемной и периферийной архитектуры микропроцессорных устройств. Российский технологический журнал. 2021. Т. 9. № 4. С. 20–27. https://doi.org/10.32362/2500316X-2021-9-4-20-27
Будагян И.Ф., Костин М.С., Шильцин А.В. Строб-фрейм-дискретизация радиоимпульсов субнаносекундного диапазона. Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 5. С. 486–492. https://doi.org/10.7868/80033849417050047
Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 432 с.
Костин М.С., Бойков К.А., Стариковский А.И. Циклоподобная регенерация субнаносекундных радиоимпульсов. Вестник РАЕН. 2018. Т. 18. № 3. С. 107–113.
Костин М.С., Бойков К.А. Радиоволновые технологии субнаносекундного разрешения: монография. М.: РТУ МИРЭА, 2021.
Костин М.С., Бойков К.А., Котов А.Ф. Высокоточные методы циклоподобной атактовой оцифровки субнаносекундных сигналов. Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64. № 2. С. 191–194. https://doi.org/10.1134/S0033849419020104
Лазоренко О.В., Черногор Л.Ф. Сверхширокополосные сигналы и физические процессы. Ч. 1. Основные понятия, модели и методы описания. Радиофизика и радиоастрономия. 2008. Т. 13. № 2. С. 166–194.
Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. М.: Радиотехника, 2009. 288 с.
Тимановский А.Л., Пирогов Ю.А. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения. Монография. М.: Радиотехника, 2017. 160 с.
Шильцин А.В., Марков Д.В., Латышев К.В., Петленко Д.Б. Моделирование электрооптических повторителей субнаносекундных импульсов с обратной задержанной связью и дробным мультиплексированием. Межотраслевой научно-технический журнал “Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России”. 2020. № 2 (146). С. 51–57. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-1-50-59

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Сенсорные системы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал