Monitoring przestrzeni elektromagnetycznej

MONITORING PRZESTRZENI
ELEKTROMAGNETYCZNEJ
(wybrane zagadnienia)
Opracowanie :
dr inż. Adam Konrad Rutkowski
1
Monitorowanie przestrzeni elektromagnetycznej
Celem procesu monitorowania przestrzeni elektromagnetycznej jest, między
innymi, wykrycie nieuprawnionych lub niezamierzonych źródeł emisji i określenie
ich charakteru, a w tym ocena stopnia ich szkodliwości lub wręcz zagrożenia z ich
strony. W przypadku wykrycia sygnałów nadawanych przez niedopuszczalne w
danym obszarze systemy łączności dąży się do wydobycia jak najpełniejszej przesyłanej w nich informacji. Z punktu widzenia szybkości wykrycia określonych sygnałów odbiorniki monitorujące powinny funkcjonować w możliwie szerokim pasmie częstotliwości. Jednocześnie jednak, wraz z poszerzeniem pasma urządzeń
odbiorczych zmniejsza się ich czułość co ogranicza zdolność wykrycia, a tym bardziej rozpoznania, emisji o bardzo małych poziomach mocy. W związku z tym w
mikrofalowych odbiornikach rozpoznawczych stosuje się zarówno monitorowanie
szerokopasmowe jak i wąskopasmowe.
Urządzenia mikrofalowe przeznaczone do monitorowania przestrzeni sygnałowej muszą spełniać szereg ostrych wymagań. Należy do nich między innymi daleko posunięta miniaturyzacja i niska energochłonność. Dąży się do zastosowania
technologii cyfrowej jak najbliżej systemu antenowego. W obecnych rozwiązaniach układy cyfrowe występują już począwszy od toru pośredniej częstotliwości.
Demodulacja, przetwarzanie sygnałów, zobrazowanie informacji i następnie jej
transmisja do innych użytkowników systemu są realizowane przez układy cyfrowe
o bardzo wysokim stopniu scalenia.
Stosowane systemy dokonują obserwacji zarówno wybranych kierunków jak
i całej otaczającej przestrzeni. Pracując w szerokim pasmie częstotliwości i z sygnałami o bardzo dużej dynamice urządzenia monitorujące dokonują między innymi: estymacji parametrów odebranych sygnałów, identyfikacji źródeł emisji i
określają ich położenie geograficzne. Funkcje te muszą być realizowane w tak
zwanym czasie rzeczywistym lub zbliżonym do rzeczywistego.
2
Odbiorniki natychmiastowego pomiaru częstotliwości
Odbiorniki NPCz służą do szybkiej estymacji częstotliwości odebranych
sygnałów. Zawierają one mikrofalowe dyskryminatory częstotliwości MDCz
oraz mikrofalowe dyskryminatory fazy MDF.
Współczesne odbiorniki NPCz określają nie tylko średnią częstotliwość
sygnału, ale także analizują strukturę częstotliwościową i fazową pojedynczych
impulsów. Daje to możliwość określenia statusu i charakteru źródła emisji.
Mikrofalowe dyskryminatory częstotliwości są wykorzystywane do pomiaru częstotliwości sygnałów mikrofalowych, szczególnie wówczas gdy nie
jest wymagana duża dokładność pomiaru, natomiast konieczny jest pomiar w
czasie rzeczywistym. Wprowadzanie do zastosowań cywilnych i militarnych
coraz większej liczby urządzeń emitujących sygnały mikrofalowe o złożonej
strukturze czasowej i często zmieniającej się częstotliwości sprawia, iż rozdzielczość urządzeń monitorujących musi być odpowiednio wysoka. Podwyższanie
rozdzielczości osiągane jest między innymi poprzez budowanie systemów zawierających kilka lub kilkanaście MDCz o różnych szerokościach pasma pracy i
różnych dokładnościach.
Praktyczne zrealizowanie systemów o strukturze wielokanałowej stało się
możliwe dzięki daleko posuniętej integracji zarówno układów przetwarzania jak
i torów mikrofalowych.
3
Mikrofalowy dyskryminator fazy MDF
3dB/90O
3dB/90O
Cyfrowe układy
przetwarzania
i zobrazowania
3dB/90O
3dB/90O
3dB/90O
3dB/90O
2
3
L1
L2
3dB/90O
1
Układ
wypracowania
proporcjonalnej
różnicy faz
UWPRF
Wejście
Rys. 1. Schemat funkcjonalny zintegrowanego mikrofalowego
dyskryminatora częstotliwości
Przedstawiony na rysunku 1 MDCz w wersji zintegrowanej należy do
grupy dyskryminatorów, w których można wyróżnić mikrofalowy dyskryminator fazy MDF i układ wypracowania proporcjonalnej różnicy faz UWPRF. Zadaniem UWPRF jest rozdział sygnału doprowadzanego do wrót wejściowych na
dwa sygnały o jednakowych mocach i fazach różniących się o wartość θ zależną
od częstotliwości f sygnału wejściowego (wrota 2, 3). Ponieważ znana jest relacja między θ i f dlatego pomiar fazy θ przy pomocy MDF jest równoznaczny z
określeniem częstotliwości sygnału podanego na wejście dyskryminatora.
4
f=0.95 GHz
f=1.83 GHz
Rys. 2 Przykładowe zobrazowanie ekranu odbiornika NPCz w warunkach odbioru sygnału o zmieniającej się częstotliwości.
Zintegrowane MDCz są szczególnie atrakcyjne do zastosowań m.in.
w iniaturowych urządzeniach radiolokacyjnych, systemach monitorujących i w
sprzęcie pomiarowym. Z uwagi na małe wymiary i bardzo dobre parametry,
układy te mogą być stosowane w nowoczesnych urządzeniach służących do natychmiastowego określania częstotliwości odbieranych sygnałów i lokalizacji
ich źródeł.
5
Systemy określania kierunku na źródła promieniowania mikrofalowego
Kierunek przyjścia sygnału mikrofalowego jest jedną z podstawowych
informacji pozwalających zlokalizować położenie źródła i określić jego charakter. Przez źródło sygnału rozumie się zarówno urządzenie, które wytwarza sygnał mikrofalowy jak również obiekt odbijający promieniowanie mikrofalowe.
W przypadku rozpoznawania pojedynczych impulsów lub krótkotrwałych
emisji wykorzystuje się metody monoimpulsowe, wśród których wyróżnia się
między innymi:
− system interferometryczny z liniowym szykiem antenowym,
− system interferometryczny z kołowym szykiem antenowym.
System interferometryczny z liniowym szykiem antenowym składa się z
konwertera fazowo – amplitudowego F/A i dwóch lub większej liczby anten kierunkowych rozmieszczonych w określonej odległości. Osie elektryczne anten są
do siebie równoległe, a ich apertury leżą w jednej płaszczyźnie (rys. 2.).
6
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
Konwerter fazowo - amplitudowy
(macierz Butler'a)
Układy pomiaru mocy i estymacji kierunku
Rys. 2. System z liniowym szykiem antenowym do określania kierunku
na źródło promieniowania mikrofalowego.
A1
A2
SK1
-45 o
A3
A4
A5
SK2
A6
SK4
-45 o
SK1
-67.5 o
SK9
2
A8
SK3
-45 o
1
A7
3
4
-45 o
SK6 SK7
-22.5 o
SK8
SK10
SK11
SK12
5
-67.5 o
6
7
8
Rys. 3. Macierz Butler’a z dołączonym liniowym szykiem antenowym.
W systemach tych poziomy mocy sygnałów na poszczególnych wyjściach
konwertera F/A zależą od faz sygnałów na wyjściach anten, a więc są funkcją
kierunku przyjścia sygnału mikrofalowego. Przykładem konwertera F/A jest
macierz Butler'a. Określenie kierunku na źródło mikrofalowe odbywa się poprzez porównanie mocy sygnałów występujących w poszczególnych wrotach
wyjściowych macierzy (Rys. 3.
7
Systemy zawierające macierz Butler’a wykorzystywane są także do obserwacji dookrężnej (Rys. 4).
A1
A8
A2
A3
A7
A4
A6
A5
Konwerter amplitudowo - fazowy
(macierz Butler'a)
Układy pomiaru różnicy faz i estymacji kierunku
Rys. 4 System określania kierunku na źródło promieniowania mikrofalowego
wyposażony w dookrężny system antenowy.
W rozwiązaniu przedstawionym na rysunku 4 ykorzystuje się zależność
amplitud sygnałów na wyjściach anten od kierunku oświetlenia systemu. W tym
przypadku macierz Butler’a dzięki swym własnościom pełni rolę konwertera
amplitudowo – fazowego A/F. Kierunek położenia źródła promieniowania jest
w tym przypadku określany w oparciu o porównanie faz sygnałów ze wszystkich lub wybranych wrót wyjściowych konwertera A/F.
Właściwości przedstawionej wyżej macierzy umożliwiają również dynamiczne kształtowanie charakterystyk kierunkowych systemów antenowych urządzeń
nadawczych i odbiorczych. Pozwalają także na realizację szybkiego elektronicznego skanowania przestrzeni.
8
Model urządzenia określania kierunku nadejścia
i pomiaru parametrów sygnałów mikrofalowych
AKR OKNS PPSM 01
Podstawowe cechy urzadzenia:
- pasmo pracy: 0.75 – 125 GHz
(praca autonomiczna),
- sektor obserwacji: ±22°,
- w postaci graficznej przedstawiany jest:
- kształt obwiedni sygnału,
- przebieg częstotliwości w czasie trwania sygnału,
- linia kierunku nadejścia sygnału,
- oprogramowanie wypracowuje pulse descriptor vector PDV zawierający
następujące elementy: czas trwania PW, częstotliwość średnią favg,
moc średnią Pavg, kierunek nadejścia DOA,
- oprogramowanie posiada procedury filtracji szumów addytywnych,
- wszystkie dane zarejestrowane w czasie odbioru sygnału są zapisywane
w postaci pierwotnej na dysk,
- oprogramowanie posiada wbudowane procedury przeglądania i analizy
zbiorów zapisanych wcześniej sygnałów.
9