بخشی از مقاله
چکیده- زاو یه ورود سیگنال، پارامتر ی است که رادار نمی تواند آن را در یک مدت کوتاه تغییر دهد. این موضوع تخمین زاو یه ورود سیگنال را در گیرنده های جنگ الکترونیک بسیار مهم می سازد. یکی از روش های رایج جهت یابی استفاده از اختالف زمانی ورود سیگنال به آنتن های آرایه است که به دلیل دقت بالی آن کاربرد ز یادی در سیستم های عملی دارد. در این مقاله، به بررسی این روش جهت یابی پرداخته، دقت اندازه گیری اختالف زمانی مورد نیاز برای رسیدن به دقت جهت یابی مطلوب و میزان تأثیر SNR بر عملکرد الگور یتم با استفاده از شبیه ساز ی های کامپیوتری بررسی می شود.
-1 مقدمه
زاویه ورود سیگنال، پارامتری است که رادار نمی تواند آن را در یک مدت کوتاه تغییر دهد. این موضوع تخمین زاویه ورود سیگنال را در گیرنده های جنگ الکترونیک بسیار مهم می سازد. روش های مختلفی برای تخمین زاویه ورود سیگنال وجود دارد که از رایج ترین این روش ها می توان به روش مونوپالس و روش های با وضوح باال1 اشاره کرد. روش های با وضوح باال در مقایسه با روش مونوپالس پیچیده تر بوده و بار محاسباتی سنگین تری دارند که این مسأله در سیستم های عملی اهمیت بسیاری دارد.
سیستم های مونوپالس باید به صورت بالدرنگ عمل کنند و بتوانند در مدت زمانی معادل با یک پالس پردازش های الزم را انجام داده و زاویه ورود سیگنال را گزارش نمایند. یکی از تکنیک های اصلی که در روش جهت یابی مونوپالس استفاده می شود روش مقایسه دامنه است که پیاده سازی آن پیچیدگی کم و هزینه پایینی دارد. اما این روش دقت پایینی دارد به طوری که گفته می شود در SNR2=10dB دقت این روش در حد یک دهم پهنای بیم آنتن است.
]1[ به عالوه در روش مقایسه دامنه عدم تطابق بهره کانال هاي مختلف و نیز نویز جمع شونده بر دامنه اثر گذاشته و عملکرد الگوریتم در SNRهای پایین مناسب نیست.]1-2[ روش دیگری که بسیار مورد توجه قرار گرفته است روش جهت یابی به کمک مقایسه فاز است که دقت آن باالست و در حضور نویز جمع شونده و SNRهای پایین نتایج قابل قبولی دارد. اما باید توجه داشت که در این روش نیاز به تطبیق فازی مدارهای سیستم در یک محدوده فرکانسی وسیع بوده و الزم است مسیرهای الکتریکی بین هر یک از آنتن ها تا گیرنده ها، در تمام دماها و توان ها، تا حد ممکن طول و پاسخ فازی یکسان داشته باشند که در نتیجه کالیبراسیون اهمیت بسیاری خواهد داشت. به عالوه، پدیده چند مسیرگی با تغییر فاز سیگنال دریافتی می تواند عملکرد این الگوریتم را تضعیف نماید.]3[
روش جهت یابی با استفاده از اختالف زمانی ورود سیگنال ها - - TDOA3 می تواند در پهنای باند وسیع به کار گرفته شود. عملکرد این سیستم ها وابسته به نوع آنتن نیست و سخت افزار ساده ای دارند، لذا سنگینی هزینه نصب آنتن هاي پیچیده را به طراح تحمیل نمی نماید. بعالوه، مسأله ابهام در این روش وجود ندارد. مزیت دیگر این روش در محیط های شهری با تراکم باال بهتر مشخص می شود، چراکه پدیده هایی مانند انعکاس و چندمسیرگی که چالش بزرگی در جهت یاب ها بوجود می آورند، با استفاده از الگوریتم های TDOA مناسب کاهش می یابند. می توان گفت محدودیت اصلی این روش این است که برای رادارهای پالسی بهتر از CW عمل می کند. از این رو، روش TDOA در شنود رادارها بیش از سیستم های شنود مخابراتی کاربرد دارد.
در این مقاله، به بررسی روش جهت یابی با استفاده از اختالف زمانی دریافت سیگنال ها پرداخته، فرکانس نمونه برداری مورد نیاز و چیدمان مناسب آنتن ها با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری تعیین می گردد. همچنین، عملکرد سیستم پیشنهادی با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری بررسی خواهد شد. در ادامه این مقاله از حروف انگلیسی کوچک توپر برای نمایش بردار و از حروف انگلیسی بزرگ توپر برای نمایش ماتریس استفاده شده است. ‖. ‖ نشان دهنده نرم 2 ماتریس است. - . - و - . - −1 به ترتیب بیانگر ترانهاده و معکوس ماتریس هستند. عملگرهای {. } و ℱ{. } به ترتیب نشان دهنده امید ریاضی و تبدیل فوریه هستند.
-2 ارتباط اختالف زمانی دریافت سیگنال ها و جهت ورود سیگنال
اختالف فاصله فرستنده تا آنتن های گیرنده یک آرایه آنتنی سبب می شود تا این گیرنده ها سیگنال را با یک اختالف زمانی نسبت به یکدیگر دریافت کنند. روش های جهت یابی TDOA جهت ورود سیگنال را با پردازش اختالف زمانی دریافت سیگنال ها توسط دو یا چند آنتن بدست می آورد. به این ترتیب که در این روش جهت یابی، اختالف زمانی دریافت سیگنال ها توسط آنتن ها اندازه گیری شده و با توجه به آن جهت ورود سیگنال تخمین زده شود.
هر چه فاصله بین این جفت آنتن ها افزایش یابد تأخیر زمانی با دقت بیشتری قابل اندازه گیری است و در نتیجه با افزایش خطای تخمین زاویه ورود سیگنال کاهش می یابد. ولی باید توجه داشت که در نوشتن این روابط فرض کردیم که فرستنده در میدان دور1 آرایه آنتنی گیرنده قرار دارد و در نتیجه نباید فاصله آنتن ها در مقایسه با فاصله فرستنده تا آرایه آنتنی گیرنده قابل توجه باشد. در این روش، زوایای سمت و ارتفاع مستقیما با اندازه گیری TDOA قابل محاسبه است و نیازی به سرچ دو بعدی زمان بر مشابه با روش های شکل دهی پرتو1 نیست. -3 روش های اندازه گیری اختالف زمانی ورود سیگنال ها روش های مختلفی به منظور اندازه گیری اختالف زمانی ورود سیگنال ها معرفی شده است.
یکی از این روش ها اندازه گیری زمان ورود سیگنال - TOA2 - به هر یک از آنتن ها و سپس محاسبه اختالف این دو زمان است[۵.] اندازه گیری TOA یک سیگنال می تواند با توجه به لبه باال رونده سیگنال صورت گیرد، بنابراین، این روش در مورد سیگنال های پالسی کاربرد دارد. روش دیگر اندازه گیری TDOA، GCC5 است که بر اساس این روش همبستگی متقابل سیگنال های دریافتی توسط جفت آنتن مورد نظر به ازای تأخیرهای مختلف محاسبه می شود، تأخیری که به ازای آن تابع همبستگی ماکزیمم شود نشان دهنده مقدار TDOA مورد نظر است[۵-.]8 پیاده سازی تابع همبستگی برای تخمین مقدار TDOA نسبت به سایر روش ها پیچیدگی کمتری دارد. دقت تخمین TDOA به پهنای باند گیرنده، زمان ادغام6 و SNR در دو گیرنده وابسته است. محل قرار گرفتن هدف نسبت به گیرنده ها نیز بر دقت اندازه گیری TDOA مؤثر است. حرکت گیرنده ها و یا هدف نیز می تواند خطای اندازه گیری TDOA را افزایش دهد.
-4 بررسی الگوریتم جهت یابی معرفی شده با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری
در این بخش، ابتدا نحوه چیدمان آنتن ها مشخص شده و سپس عملکرد سیستم جهت یاب پیشنهادی با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری بررسی شده است.
-1-4 مدل سیستم
در شبیه سازی ها، آرایه ای با چهار آنتن همه جهتی7 در نظر گرفته شده است. فرض شده از یک گیرنده سوپرهتروداین استفاده می شود، به این ترتیب که ابتدا سیگنال های دریافتی توسط آنتن ها به IF آورده می شود و سپس با فرکانس از آنها نمونه برداری شده و با در نظر گرفتن ۴1 بیت کوانتیزه می شوند. پس از آن با استفاده از روش محاسبه تابع همبستگی اختالف زمانی دریافت سیگنال ها نسبت به آنتن مرجع اندازه گیری می شود. پس از تخمین مقادیر TDOA بین آنتن ها، جهت ورود سیگنال با استفاده از روش LS محاسبه می شود.
