|
| |
|
Слаботочка Книги купности X и Y, записанных в виде векторов, в качестве отображения может быть использован матричный оператор: Q-матрица MyN, такая, что Y=QX. Для непрерывно распределенных систем Q является интегральным оператором. В качестве примера систем, исходящих при оптимальной обработке из принципа образования субапертур, укажем на многолучевые приемно-передающие антенные решетки. Адаптивные антенны, осуществляющие адаптацию по преобразованной совокупности принятых сигналов, называют секционированными, модульными или частично-адаптированными ввиду того, что в процессе образования субапертур преследуется цель уменьшения числа управляющих элементов за счет объединения ряда соседних каналов в группы, суммарный сигнал с выхода которых подвергается адаптивному весовому взвешиванию. Для секционированной решетки из Л элементов, объединенных в L групп по М элементов простым суммированием сигналов, принятых отдельными элементами группы, матрица Q имеет следующий вид: 1 1... 1 Хорошо известна адекватность оптической обработки данных задачам, решаемым ФАР, в частности ААР. Основная черта применения оптической обработки данных сигналов, принимаемой антенной решеткой, состоит в параллельной обработке информации, принимаемой по каждому каналу антенной решетки, и большой скорости обработки. Ниже рассматривается устройство оптической адаптации [30], максимизирующее ОСШП на выходе ААР. Это устройство по существу представляет собой специальную вычислительную машину, находящую решение системы линейных уравнений (8.13). В устройстве адаптации во входной плоскости Pi формируется вектор входных сигналов с X с помощью лазерных диодов, сигнал которых по волоконно-оптической разводке поступает в плоскость Рг, где вектор X умножается на ковариационную матрицу М, записываемую на пленке или на жидкокристаллическом транспорте. С выхода транспаранта Рг сигналы направляются к горизонтальной линейной решетке фотодетекторов в плоскости Рз и сравниваются с векторным сигналом Y=p,S*Og, задающим полезный сигнал: X(/4-l) = X(/)-,(MX(/)-Y). Устойчивость решения системы уравнений обеспечивается надлежащим выбором константы fen(fe)x< где IVl - евклидо- ва норма ковариационной матрицы). В этом случае Х(/)Х(/--1) и МХ=:ц5*о. Таким образом, при достаточно большом числе итераций в плоскости Рх будет сформирован вектор X=Wopt, обеспечивающий максимальное значение ОСШП. Скорость подстройки рассматриваемого устройства адаптации составляет величину 10 операций в секунду. Указывается, что при увеличении размера маски эта скорость может достигать Ю операций в секунду. Все устройство занимает объем ? 40 см. В заключение укажем перспективы развития теории и техники адаптивных антенных систем, совершенствование которых должно проходить в направлении построения цепей управления, простых по структуре (в частности, частично-адаптивных антенн), оптимальных по быстродействию настройки к стационарным значениям весовых коэффициентов, широкополосных, робастных по отношению к возмущающим факторам, а также универсальных для широкого класса оптимизируемых функционалов, используемых для обработки сигналов в радиотехнических устройствах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 8 1. Сейдж Э. П., Уайт Ч. С. Оптимальное управление системами. - М.: Радио и связь, 1082. - 392 с. 2. Монзннго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с. 3. Пистолькорс А. А., Литвинов О. С. Введение в теорию адаптивных антенн. . Стационарный режим Радиотехника. - 1979. - Т. 34, № 5. - С. 7-16. 4. 1ЕЕЕ Trans. 1986.- Vol. АР-34, N 3. - С. 308-465. 5. Родимов А. П., Поповский В. В. Статистическая теория поляризационно-временной обработки сигналов и по.мех в линиях связи. - М.: Радио и связь, 1984.- 272 с. 6. Поповский В. В., Глушанков Е. И., Воронков Б. В. Анализ точности и чувствительности алгоритмов обработки многомерных сигналов и помех Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1983. - Т. 26, № 4. - С. 91-93. 7. Поповский В. В., Попов А. С, Коновалов Л. М. Анализ и синтез адаптивного алгоритма пространственно-временной обработки сигналов Радио-техника. - 1982. - Т. 37, Л 7. - С. 11-17. 8. Поповский В. В., Глушанков Е. И. Особенности реализации на микропроцессоре алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов и по.мех в радиоэлектронных системах Изв. вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника. - 1983. - Т. 26, № 3. - С. 52-56. 9. Поповский В. В. Особенности построения процедур поляризационно-времен-ной обработки с использованием марковской теории фильтрации Рад.иотех-ника и электроинка. - 1983. - № 7. - С. 14-39. 10. Hudson J. Е. Adaptive Array Principles. - P. Peregrinus: 1981. -267 c. 11. Пистолькорс A. A. Защита главного максимума в адаптивных антенных ре-шетках Радиотехника. - 1980. - Т. 35, № 12. - С. 8-19. 12. Бахрах Л. Д., Литвинов О. С. Место апертурного синтеза в общей теории антенн Изв. вузов. Сер. Радиофизика. - 1983. - № 12. - С. 1323- 1334. 13. Applebaum S. Р. Adaptive Arrays IEEE Trans. - 1976. - Vol. AP-24, N 5 - С. 585-598. 14. Литвинов О. С. Об оптимальном законе управления весовыми коэффициентами в адаптивной антенной решетке ?адиотехника. - 1980. - Т. 35 № 5. -С. 34-37. 15. Ломан В. И., Комаров В. Н., Нестеренко И. К. Адаптивные антенные решетки в системах широкополосной связи 3арубежная радиоэлектроника. - 1983. -№ 5. - С. 3-Н15. 16. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и саизь, 1981. -416 с. 17. Пистолькорс А. А. Метод линейных уравнений в расчете статического режима адаптивной антенной решетки Радиотехника.- 1980.- Т. 35, № 6.- С. 3-9. 18. Литвинов О. С. О теории адаптивной антеииой решетки в условиях коррелированных помех: Аитениы/Под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Радио и связь, 1981. - Вып. 29. - С. 67-79. 19. Rodjer W. Е., Copton R. Т. Jr. Adaptive Array Bandwidth with taped delay Line Processing lEEE Trans. - 1979. - V. AES-15, N 1. -C. 21-28. 20. Литвинов О. С. О подавлении помехового сигнала в полосе частот адаптивной антенной решеткой Радиотехиика и электроника. - 1982. - Т. 27, № 12. - С. 2264-2267. 21. Пистолькорс А. А. О расчете переходных процессов в адаптивной антенной решетке: Антенны/Под- ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Радио и связь. - 1980. - Вып. 28. - С. 13-26. 22. Литвинов О. С. О расчете уровня шумов, возникающих нз-за флуктуации в цепях управления весовыми коэффициентами в адаптивной аитеиной ре-шетке Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ - 1981. - Вып. 1 - С. 65-78. 23. Литвинов О. С. Аналитические свойства ковариационной матрицы помех: Аитеины/Под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Радио и свизь, 1982. - Вып. 30, с. 17-27. 24. Литвинов О. С. Об особениостих подавления помех в адаптивных антенных решетках с неидентичными приемными каиалами Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОВР. - 1984. - Вып. 13. - 667 с. 25. Арзамасов С. Н., Мальцев А. А. Адаптивиаи система активного гашения случайных волновых полей Изв. вузов СССР. Сер. Радиофизика. - 1982. -Т. 23, № 6. 26. Антенны. Современное состояние и проблемы/Под ред. Л. Д. Бахраха и Д. И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1979. - 208 с. 27. Адаптивная оптика/Под ред. Ветричеико Э, А. - М.: Мир. - 1980. - 1275 с. 28. Денисюк Ю. Н. Отображение оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучеиия ДАН СССР. - 1962. - Т. 144. № 6. - С. 1275. 29. Обращение волнового фронта Под ред. Пасманика Г. А. - Горький: ИПФ АН СССР. - 1982. - 248 с. 30. Casasent D. Adaptive Phased Array Radar Processing Using an Optical Matrix - Vector Processor SPlE. - 1982. - Vol. 134. -P. 182-196. ГЛАВА 9. РАДИООПТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ А. Ю. ГРИНЕВ 9.1. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ФОРМИРОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ МЕТОДАМИ КОГЕРЕНТНОЙ ОПТИКИ И ГОЛОГРАФИИ Современное состояние радиолокации, техники связи, гидролокации, радиоастрономии характеризуется широким внедрением сложных комплексов аппаратуры, сложных сигналов и методов обработки информации. Информационный поток, поступающий, например, от радиолокационных систем и систем связи, достигает значения lO бит/с при ширине полосы частот сигнала около 1 ГГц. Дальнейшая реализация потенциальных возможностей радио (акустических)-систем с антенными решетками (АР) требует совершенствования методов обработки (пространственно-временных в общем случае) сигналов, принимаемых антенной. При этом информация, как правило, должна обрабатываться в реальном масштабе времени [1-3]. Использование цифровой техники обеспечивает гибкость алгоритмов обработки, долговременную память, требуемые динамический диапазон и точность выполнения операций, минимальную степень риска при разработке, но зачастую не позволяет получить необходимое быстродействие, малые габариты, потребляемую мощность и стоимость. В последние годы в связи с интенсивным развитием электроники, методов обработки информации, микроволновой и лазерной техники, радиооптики и голографии, акусто- и оптоэлектроники сформировались новые научно-технические направления, одним из которых является теория и техника радиооптических антенных решеток [4-6]. Проблема радиооптических АР связана с разработкой теории и методов формирования пространственных характеристик направленности приемных антенных решеток произвольной геометрии с учетом временных свойств сигналов средствами когерентной оптики и голографии, комплексным исследованием энергетических, точностных и диапазонных свойств, изысканием новых функциональных возможностей и принципов построения таких систем на современной и перспективной оптоэлектронной элементной базе. Методы когерентной оптики и голографии глубоко и органически связаны с задачами пространственного формирования и преобразования волновых полей, которые приходится решать в антенной технике, что открывает возможность создания компактных, надежных, с низким уровнем потребляемой мощности устройств, сочетающих принципы радиофизики, классической оптики и голографии, оптоэлектроники и акустооптики. Такие устройства из-за принципиальных отличий от аналоговых электронных и цифровых методов обработки позволяют найти радикальные (либо более эффективные) решения многих важных задач обработки сигиалов с большой пространственно-временной информационной емкостью (произведением полосы частот Af на длительность сигнала AT и на число элементов АР N). Антенные решетки с формированием пространственных характеристик методами когерентной оптики и голографии позволяют осуществлять панорамный обзор пространства при размещении приемных элементов на плоской и неплоской поверхностях [7], причем особенно эффективно для поверхностей в виде тел вращения (кругового цилиндра и кольца - с использованием голо-графических транспарантов [8], произвольной осесимметричной поверхности - с использованием объемных голографических фильтров [9]), реализовать временную обработку сигнала (спектральный или корреляционный анализ и т. п.) и одновременно панорамный обзор по одной пространственной координате [3, 7], эффективно подавлять мешающие сигналы по направлению прихода [10] и т. д. Обобщенная структурная схема радиооптической АР представлена на рис. 9.1. Пространственно-временные сигналы &n(t), принятые элементами АР 7, усиливаются СВЧ усилителем 2, преобразуются на промежуточную частоту в смесителе 3. После усиления в блоке 4 (ПУПЧ и УПЧ) принятые сигналы управляют соответствующими каналами пространственно-временного модулятора света (ПВМС) 5. Последний осуществляет ПВ модуляцию фазы (амплитуды) когерентной световой волны Ео лазера 5 в соответствии с изменениями параметров управляющих сигналов f/ (/), содержащих информацию о частоте, фазе, угловых координатах и других объектах, волновое поле которых (собственное -для излучающих и переотраженное -в случае активной локации) принято элементами АР. Тем самым на выходе ПВМС формируется оптическая модель принятого волнового поля. Оптический сигнал на выходе ПВМС подвергается в соответствии с требуемым алгоритмом обработки преобразованию в оптическом каскаде 7, состоящем в общем случае из объективов, голографических фильтров, управляемых оптических транспарантов, дифракционных решеток и т. п. Информация на выходе оптического каскада 7 формируется в виде некоторого распределения светового поля (дифрактограм-ма). Для решения задач дальнейшей обработки (обнаружение, измерение, распознавание и т. п.) необходимо преобразовать све-  §1 ПЗС МФ Когерентный оптический процессор (кап)
Контроллер т 20 Контроллер ПЗС syp Л- \ БОИ 13 ипдп Мини-ЭВМ 19 01щая шина ЭВМ Рис. 9.1 товой сигнал в электрический, что осуществляется, как правило, с помощью многоэлементного фотоприемника (МФ) 8. Наиболее распространенными МФ в гибридных оптико-электронных процессорах являются линейные и матричные фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), поэтому именно этот случай приведен на рис. 9.1. Блок ПЗС МФ 8 осуществляет сопряжение оптической и электрической частей процессора и частично устраняет его узкое место , обусловленное различными скоростями потоков данных и способами представления информации. Процессы считывания световой информации, вывода сигнала из ПЗС МФ, преобразования его в цифровую форму и предварительной обработки регулируются в помощью ПЗС-контроллера по командам ЭВМ. Типовая структура ПЗС-контроллера включает в себя блок аналоговой обработки (БАО) 9, в котором происходит усиление выходного сигнала ПЗС МФ, очистка его от коммутационных шумов, обусловленных управляющими сигналами, и предварительная фильтрация. Программируемый генератор фазовых тактовых импульсов (ГФТИ) 10 формирует последовательность управляющих импульсных напряжений, обеспечивающих генерацию, накопление, сдвиг и вывод зарядовых пакетов, несущих информацию о световом распределении на входе ПЗС ФП. Блок управления режимом считывания (БУР) обеспечивает возможность адаптации параметров ПЗС к световому распределению на входе за счет управления временем накопления, скоростью вывода, обмена , разрешения на чувствительность и т. д. Считанный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 12. Поскольку полезная информация содержится лишь в части элементов ПЗС МФ, то в ПЗС-контроллер входит быстродействующий блок выделения информационных отсчетов (БВИ) 13. В простейшем случае он представляет собой пороговое устройство, при этом значение порога определяется программно. Буферное запоминающее устройство (БЗУ) 14 необходимо для согласования скоростей потоков данных в общих шинах ЭВМ и контроллера. Интерфейс прямого доступа к памяти ЭВМ (ИПДП) 15 обеспечивает ввод в контроллер управляющих команд и исходных данных, а также вывод массива и считанной информации из БЗУ. Для оперативного контроля за процессом считывания используется цифроаналоговый интерфейс с видеоконтрольным устройством (ЦАИ и ВКУ) 16. Архитектура контроллера с общей шиной обеспечивает возможность наращивания его структуры и реализации дополнительных видов обработки сигнала. Контроллер АР /7 обеспечивает оптимизацию параметров приемных модулей АР (управление АФР, перестройка промежуточных частот, регулировка усиления). Контроллер КО процессора 18 управляет его элементами (дефлектором, управляемыми транспарантами и т. п.) и тем самым алгоритмом обработки. Контроллер периферийных устройств 20 является связующим звеном 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [33] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |