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 Cyfrowe układy przetwarzania i zobrazowania Wejście 2 3 L1 1 L2 Układ wypracowania proporcjonalnej różnicy faz UWPRF 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 A3 A4 A5 A6 A7 A8 SK1 SK2 SK3 SK4-45 o -45 o -45 o -45 o SK1-67.5 o SK9 SK6 SK7-22.5 o SK10 SK11 SK8-67.5 o SK12 1 2 3 4 5 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). A2 A1 A8 A3 A4 A5 A6 A7 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, -przebiegczęstotliwości w czasie trwania sygnału, - linia kierunku nadejścia sygnału, - oprogramowanie wypracowuje pulse descriptor vector PDV zawierający następujące elementy: czas trwania PW, częstotliwość średnią f avg, moc średnią P avg, 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