КОМПЕНСАЦИЯ УГЛОЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРЕИЗЛУЧАЕМЫХ СИГНАЛОВ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

принципы построения акустоэлектронных устройств (АЭУ) пространственной обработки сигналов, их топологию, характеристики, возможные области применения  [1-3]. В любом устройстве данного типа осуществляется моделирование (в уменьшенном масштабе в аналоговом процессоре) внешних волновых полей в среде обработки.

Универсальной характеристикой, определяющей основные показатели устройства  обработки сигналов антенных решеток (АР), является пространственная импульсная характеристика h(r ,a, b ,a¢, b ¢), где α, β и α', β'- углы места и азимута в пространстве объектов и, соответственно, в пространстве изображений (в среде обработки). Пространственная импульсная характеристика является откликом на монохроматический δ-источник и определяется с точностью до несущественного множителя как [2]:

где P(k, r ) -    функция раскрыва АР, V (k,a, b , r ) -    функция, определяющая распределение комплексных амплитуд принимаемых сигналов, W (k,a¢, b ¢, r ) -     опорная функция акустоэлектронного устройства, r - радиус-вектор точки на раскрыве АР.

В работах [2, 3] рассмотрены частотные свойства АЭУ обработки сигналов линейных АР. Показано, что при работе с масштабированием по частоте принимаемых сигналов, возникает эффект углочастотной зависимости, проявляющейся в изменении направления переизлучения волны при изменении частоты принимаемого сигнала. Таким образом, на полосу пропускания АЭУ накладываются ограничения связанные с однозначностью определения направления локации.

С целью компенсации углочастотной зависимости предлагается использовать дифракционные максимумы считывающей и переизлучающей решеток преобразователей поверхностных акустических волн (ПАВ) [4]. Таким образом, изменение направления ПАВ при изменении частоты принимаемого сигнала можно скомпенсировать путем использования частотозависимых дифракционных максимумов первого порядка считывающего преобразователя, выполненного в виде дифракционной решѐтки (Рисунок 1).

При угловой координате   источника  α направление распространения   переизлучѐнной волны  α′   в дифракционном максимуме порядка i в соответствии с выражением определяется как [2]:

где d и d΄ – шаг линейной антенной решетки и шаг переизлучающей решетки преобразователей поверхностных волн, D и D΄- апертура АР D=N·d и переизлучающей решетки D΄=N·d΄, N- число элементов АР, ω и ω΄– частота сигнала в пространстве объектов и на выходе преобразователя частоты, λ΄– длина поверхностной акустической волны, υ и υ΄– скорость распространения волны в пространстве объектов и скорость распространения поверхностной акустической волны.

Чтобы минимизировать зависимость пространственной частоты на считывающей решетке ωε=k΄·sin(α΄+θ) от частоты принимаемого АР сигнала потребуем равенства нулю ее первой производной. С учетом выражения (2) это выполняется при выборе угла θ, удовлетворяющего выражению:

где mdυ=dυ¢/d¢υ- масштабный коэффициент.

При расположении считывающего преобразователя в плоскости ε, расположенной под углом θ (Рисунок 2), определяемым в соответствии с выражением (3), пространственная частота будет в меньшей степени зависеть от частоты принимаемого сигнала. Основной вклад будет определяться направлением α падения волны на линейную АР, что позволяет обеспечить частичную (без учета производных высокого порядка) компенсацию углочастотной зависимости

Наличие периодической структуры дифракционных максимумов приводит к возможной неоднозначности определения угловой координаты. Для обеспечения однозначности необходимо, чтобы возможная полоса пространственных частот Δωε не превышала интервал между дифракционными максимумами считывающей решетки. Тогда необходимое условие однозначности считывания может быть найдено как условие для выбора необходимого порядка дифракционного максимума переизлучающей решѐтки:

где 2αmax – сектор обзора линейной антенной решетки, ωmax и ω0– максимальная и центральная частота принимаемой АР волны, λ0– длина волны во внешней среде, ω0΄– центральная частота сигнала на выходе преобразователя частоты.

Выполнение условия, описываемого выражением (4), обеспечивает однозначность определения угловой координаты за счет отсутствия в секторе углов переизлучения ПАВ в i-ом дифракционном максимуме (при изменении частоты и углового положения принимаемого сигнала) дифракционных максимумов считывающей решетки кроме первого.

Таким образом, считывающие преобразователи, расположенные под углами j, обеспечивают формирование дифракционных максимумов первого порядка в направлениях дифракционных максимумов i-ого порядка переизлучающей решетки преобразователей. Максимальный отклик формируется на одном из выходов считывающих преобразователей, соответствующего направлению локации α0. При этом распределение сигналов по считывающим преобразователям практически не зависит от частоты принимаемого сигнала, а определяется направлением локации.

Для реализации устройства с использованием выбранного дифракционного порядка переизлучающей решѐтки i следует потребовать, чтобы дифракционные максимумы других порядков не участвовали в формировании поля на считывающих преобразователях. Для этого можно использовать пространственное разделение дифракционных порядков, а также соответствующую ориентацию парциальных диаграмм направленности элементов переизлучающей решѐтки. При этом необходимым условием является существенное превышение углового расстояния между дифракционными максимумами над рабочим диапазоном углов переизлучения ПАВ. Откуда следует, что в заданном диапазоне частот должно выполняться неравенство (w/w¢)·mdυ·sinamax<<(l¢/d¢), которое приводит  к условию однозначного формирования  главного лепестка диаграммы направленности в заданном секторе обзора линейной АР sinαmax<<λmin/d.

При условии однозначности можно считать, что на считывающих преобразователях, расположенных под углами j, с точностью до фазового множителя формируется распределение вида:

В соответствии с полученным выражением (6) на частотные свойства АЭУ существенное влияние оказывает волновой размер АР D/λ0 и отношение частот ω0/ω0΄, определяемое частотой гетеродина (Рисунок 4).Полученные зависимости иллюстрируются следующими графиками. На рисунке 3(а) представлена пространственная импульсная характеристика АЭУ без использования компенсации углочастотной зависимости, демонстрирующая изменение направления переизлучения ПАВ при изменении частоты принимаемого сигнала. На Рисунке 3(б) представлены отклики АЭУ на центральной и граничных частотах ωmin=0,9·ω0, ωmax=1,1·ω0, показывающие практическое отсутствие углочастотной зависимости.

В результате применения АЭУ с компенсацией углочастотной зависимости удается достичь существенного расширения полосы пропускания. Но с учетом ограничивающих факторов, связанных с использованием дифракционных максимумов, полоса пропускания устройства может достигать 20-30%.

Список литературы

1.     Акустоэлектронные устройства обработки гидроакустических сигналов / В.И. Рогачев, П.Н. Петров, В.С. Кравец, С.В. Кулаков. СПб.: Судостроение, 1993. 184с.

2.     Кравец Е.В. Пространственная импульсная характеристика акустоэлектронных устройств обработки сигналов антенных решеток/ Е.В. Кравец, П.Н. Петров // Успехи современной радиоэлектроники. 2013.

№2. С. 93-97.

3.     Кравец, Е.В. Увеличение широкополосности акустоэлектронных устройств обработки сигналов антенных решеток / Е.В. Кравец, П. Н. Петров // Информационно-управляющие системы. 2012. №3 С. 46–53.

4.     Пат. 139809 РФ, МПК G01S 3/00. Устройство пространственной обработки сигналов / Е.В. Кравец, В.С. Кравец, П. Н. Петров (РФ). №2013148692/07 // заявл. 31.10.13; опубл. 27.04.14 , Бюл.№ 12. 2с.