Autodyne sensor signals with amplitude-frequency modulation of radiation

A mathematical model of an autodyne oscillator with a combined amplitude-frequency modulation, which is under the influence of its own radiation reflected from the target, is developed. The main relations are obtained for analyzing the autodyne response of a single-circuit oscillator depending on the delay time of the radiation reflected from the target with an arbitrary law of simultaneous amplitude and frequency modulation. The characteristics of the amplitude selection of signals, as well as their temporal and spectral characteristics, are calculated for harmonic amplitude-frequency modulation. The features of signal formation are established for various values of the amplitude and frequency modulation parameters and the feedback parameter of the “oscillator—target” autoparametric system. The results of experimental studies, performed on a Tigel-0.8M hybrid-integrated Ka-band oscillator module with a Gann mesa-planar diode, confirmed the findings of the theoretical analysis. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.This research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (agreement no. 075-11-2019-052 of 13 December 2019)

Метод повышения разрешающей способности по дальности радиоимпульсных датчиков систем ближней радиолокации

The description of a new method for increasing the resolution of radio pulse sensors (RPS) designed for short- range radar systems (SRRS) for detecting and measuring motion parameters of location objects is presented. The essence of the method is that the controlled area of space with the targets located in it is periodically irradiated with probing radio pulses, and during their radiation, radio pulses reflected from the targets are simultaneously received and divided into two quadrature channels. Next, they are mixed with probing radio pulses, and the time-overlapping parts of these radio pulses are converted into the region of low Doppler frequencies in the form of two quadrature video pulses. Then, the quadrature video pulses received in these channels are sampled by amplitude, stored at multiple points in time and digitally processed according to the proposed algorithm. The method is implemented in the RPS made on the basis of a horn-lens antenna, a Doppler receiving and transmitting module with quadrature outputs of converted signals, a synchronization and pulse generation unit, as well as a digital signal processing unit. The RPS can be used in onboard (for example, automotive) SRRS designed to detect moving targets, measure the distance to them, as well as determine the speed and direction of movement. The results of experimental studies have been obtained on the example of the 8-mm autodyne RPS made on the basis of the oscillator on a planar Gann-diode. Bogatyrev E. V., Vishnyakov D. S., Ignatkov K. A., Noskov V. Ya. Method of increasing the range resolution of radio pulse sensors of short-r ange radar systems. Ural Radio Engineering Journal. 2023;7(2):166–190. (In Russ.) DOI: 10.15826/urej.2023.7.2.005.Представлено описание нового метода повышения разрешающей способности радиоимпульсных датчиков (РЛД), предназначенных для систем ближней радиолокации (СБРЛ) обнаружения и измерения параметров движения объектов локации. Суть метода состоит в том, что контролируемую область пространства с находящимися в ней целями периодически облучают зондирующими радиоимпульсами, причем во время их излучения одновременно принимают отраженные от целей радиоимпульсы и разделяют их на два квадратурных канала. Далее смешивают их с зондирующими радиоимпульсами, преобразуют перекрывающиеся по времени части этих радиоимпульсов в область низких доплеровских частот в виде двух квадратурных видеоимпульсов. Затем полученные в этих каналах квадратурные видеоимпульсы дискретизируют по амплитуде, запоминают во множестве моментов времени и подвергают цифровой обработке по предложенному алгоритму. Метод реализован в РЛД, выполненном на базе рупорно-линзовой антенны, доплеровского приемопередающего модуля с квадратурными выходами преобразованных сигналов, блока синхронизации и формирования импульсов, а также блока цифровой обработки сигналов. РЛД может найти применение в бортовых СБРЛ (например, автомобильных), предназначенных для обнаружения движущихся целей, измерения расстояния до них, а также определения скорости и направления движения. Результаты экспериментальных исследований получены на примере автодинного РЛД 8-мм диапазона, выполненного на основе генератора на планарном диоде Ганна. Богатырев Е. В., Вишняков Д. С., Игнатков К. А., Носков В. Я. Метод повышения разрешающей способности по дальности радиоимпульсных датчиков систем ближней радиолокации. Ural Radio Engineering Journal. 2023;7(2):166–190. DOI: 10.15826/urej.2023.7.2.005

Принцип действия автодинного оптоэлектронного приемопередатчика для систем ближней радиолокации

The description of the device and the principle of operation of a new type of autodyne transceiver of short-range radar systems (SRRS), made on the basis of an optoelectronic oscillator (OEO), is presented. The antenna is connected to the OEO through a dividing-decoupling device (DDD), which provides, on the one hand, conditions for generating self-oscillations in the system and, on the other hand, transmitting and receiving radio signals with minimal losses. The scheme of the DDD and the method of calculating their parameters are considered. A mathematical model of the autodyne system based on the OEO has been developed, and the basic relations for determining its parameters and characteristics have been obtained. It is demonstrated that the use of OEO provides a significant increase in the equivalent Q-factor of the oscillator system and the reduction in its own noise. The improvement of these parameters of the autodyne SRRS will significantly increase the range of operation, expand the range of operating frequencies and the scope of their application. The prospects of using autodynes based on OEO in the creation of detection systems of objects with a small effective scattering area, such as unmanned aerial vehicles, for protection against which the use of conventional (distant) radars is ineffective, are noted. Noskov V. Ya., Bogatyrev E. V., Galeev R. G., Ignatkov K. A., Shaidurov K. D. The principle of operation of an autodyne optoelectronic transceiver of short-range radar systems. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(3):269–295. (In Russ.) DOI: 10.15826/urej.2022.6.3.003. Представлено описание устройства и принципа действия нового типа автодинного приемопередатчика для систем ближней радиолокации (СБРЛ), выполненного на основе оптоэлектронного генератора (ОЭГ). Подключение антенны к ОЭГ осуществляется через делительно-развязывающее устройство (ДРУ), обеспечивающее, с одной стороны, условия генерации автоколебаний в системе и с другой – передачу и прием радиосигналов с минимальными потерями. Рассмотрены варианты выполнения ДРУ и методика расчета их параметров. Разработана математическая модель автодинной системы на основе ОЭГ, получены основные соотношения для определения ее параметров и характеристик. Показано, что применение ОЭГ обеспечивает значительное увеличение эквивалентной добротности колебательной системы генератора и снижение его собственных шумов. Улучшение данных параметров автодинных СБРЛ позволит значительно увеличить дальность действия, расширить диапазон рабочих частот и область их применения. Отмечены перспективы применения автодинов на основе ОЭГ в создании систем обнаружения объектов с малой эффективной площадью рассеяния, таких как беспилотных летающих аппаратов, для защиты от которых применение обычных (дальних) радаров малоэффективно.   Носков В. Я., Богатырев Е. В., Галеев Р. Г., Игнатков К. А., Шайдуров К. Д. Принцип действия автодинного оптоэлектронного приемопередатчика для систем ближней радиолокации. Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(3):269–295. DOI: 10.15826/urej.2022.6.3.003.

Метод повышения помехоустойчивости радиолокационных датчиков с переключением частоты

The description of a new method of signal generation and processing which provides an increase in the noise immunity of radar sensors (RS) with frequency switching (FS) radiation is presented. The principle of method is in the use of a set of time intervals when measuring the phase difference of signals at different radiation frequencies and, accordingly, a set of the Doppler frequency values in the signal spectrum when determining the average value of the Doppler frequency, as well as the use of forward and reverse IF sequences. This method allows averaging the results of calculating individual implementations and, thereby, increase the accuracy of determining the target speed and distance to it. At the same time, the stability of the RS with FS also increases to the effects of signals from third-party radio sources and interference from the underlying surface. The results of experimental studies of the method are obtained on the example of the autodyne RS with the 8-mm frequency range, made on the basis of the Gann diode generator with frequency control by varicap. The method may be used in on-board (for example, automotive) radar sensors designed to detect moving targets, measure the distance to them, as well as determine the speed and direction of movement. Представлено описание нового метода формирования и обработки сигналов, обеспечивающего повышение помехоустойчивости радиолокационного датчика (РЛД) с переключением частоты (ПЧ) излучения. Суть метода состоит в использовании множества временных интервалов при измерении разности фаз сигналов на разных частотах излучения и, соответственно, множества значений доплеровских частот в спектре сигнала при определении среднего значения доплеровской частоты, а также применения прямой и обратной последовательностей ПЧ. Данный метод позволяет усреднить результаты вычисления отдельных реализаций и, тем самым, повысить точность определения скорости цели и расстояния до нее. При этом также повышается устойчивость РЛД с ПЧ к воздействию сигналов от сторонних источников радиоизлучения и помех от подстилающей поверхности. Результаты экспериментальных исследований метода получены на примере автодинного РЛД с ПЧ 8-мм диапазона, выполненного на основе генератора на диоде Ганна с управлением частоты варикапом. Метод может найти применение в бортовых (например, автомобильных) радиолокационных датчиках, предназначенных для обнаружения движущихся целей, измерения расстояния до них, а также определения скорости и направления движения.Носков В. Я., Богатырев Е. В., Игнатков К. А., Черных О. А., Шайдуров К. Д. Метод повышения помехоустойчивости радиолокационных датчиков с переключением частоты. Ural Radio Engineering Journal. 2021;5(3):284–304. DOI: 10.15826/urej.2021.5.3.006.

Soliton formation from a pulse passing the zero-dispersion point in a nonlinear Schr\"odinger equation

We consider in detail the self-trapping of a soliton from a wave pulse that passes from a defocussing region into a focussing one in a spatially inhomogeneous nonlinear waveguide, described by a nonlinear Schrodinger equation in which the dispersion coefficient changes its sign from normal to anomalous. The model has direct applications to dispersion-decreasing nonlinear optical fibers, and to natural waveguides for internal waves in the ocean. It is found that, depending on the (conserved) energy and (nonconserved) mass of the initial pulse, four qualitatively different outcomes of the pulse transformation are possible: decay into radiation; self-trapping into a single soliton; formation of a breather; and formation of a pair of counterpropagating solitons. A corresponding chart is drawn on a parametric plane, which demonstrates some unexpected features. In particular, it is found that any kind of soliton(s) (including the breather and counterpropagating pair) eventually decays into pure radiation with the increase of the energy, the initial mass being kept constant. It is also noteworthy that a virtually direct transition from a single soliton into a pair of symmetric counterpropagating ones seems possible. An explanation for these features is proposed. In two cases when analytical approximations apply, viz., a simple perturbation theory for broad initial pulses, or the variational approximation for narrow ones, comparison with the direct simulations shows reasonable agreement.Comment: 18 pages, 10 figures, 1 table. Phys. Rev. E, in pres

The Influence of Concomitant AM on the Formation of FM Autodyne Radars Signals

Поступила: 21.06.2020. Принята в печать: 20.07.2020.Received: 21.06.2020. Accepted: 20.07.2020.Представлены результаты исследований особенностей формирования сигналов автодинных систем ближней радиолокации с комбинированной амплитудно-частотной модуляцией. Получены выражения для расчета автодинных сигналов одноконтурного генератора с произвольным законом одновременной модуляции амплитуды и частоты в общем случае произвольного соотношения времени запаздывания отраженного излучения и периода модулирующей функции. Выполнены расчеты характеристик амплитудной селекции и их сечений, а также временных и спектральных диаграмм автодинных сигналов для случая модуляции амплитуды и частоты по гармоническому закону. При этом рассмотрены случаи, когда время запаздывания отраженного излучения значительно меньше продолжительности периода модуляции, а также при их соизмеримых значениях. Экспериментальные исследования выполнены с применением генератора на диоде Ганна 8-миллиметрового диапазона длин волн. Исследованы варианты электрического управления по частоте при помощи варикапа и по цепи смещения диода Ганна. Полученные результаты исследований генераторных модулей позволили сформулировать требования к параметрам и характеристикам создаваемых гибридно-интегральных схем и модулей с частотной модуляцией и наметить пути их дальнейшего совершенствования.The paper presents the results of studies of the features of the formation of signals from autodyne short-range radar systems with combined amplitude-frequency modulation. Expressions are obtained for calculating the autodyne signals of a single-loop oscillator with the arbitrary law of simultaneous amplitude and frequency modulation in the general case of the arbitrary ratio of the delay time of the reflected radiation and the period of the modulating function. The calculations of the characteristics of the amplitude selection and their cross sections, as well as the time and spectral diagrams of autodyne signals for the case of modulation of the amplitude and frequency according to the harmonic law, have been performed. In this situation, the cases are considered when the delay time of the reflected radiation is much shorter than the duration of the modulation period, as well as when their values are comparable. Experimental studies were carried out using an oscillator based on a Gunn diode in the 8-mm wavelength range. Variants of electrical frequency control using a varicap and a bias circuit of the Gunn diode are investigated. The obtained results of the research of the generator modules made it possible to formulate the requirements for the parameters and characteristics of the created hybrid-integrated circuits and frequency modulation modules and outline the ways for their further improvement.This article was prepared with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement No. 075-11-2019-052 of December 13, 2019).Настоящая статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-11-2019-052 от 13 декабря 2019)

Features of the Formation and Processing of Signals in an Autodyne Radar with Frequency Modulation Taking into Account the Nonlinearity of the Modulation Characteristic

Поступила: 09.06.2021. Принята в печать: 27.06.2021.Received: 09.06.2021. Accepted: 27.06.2021.The results of the study of the features of the formation and processing of signals of autodyne short-range radar systems (SRR) with frequency modulation (FM) involving non-linearity of the modulation characteristic are presented. The numerical simulation of the nonlinear influence of the modulation characteristic on the shape and spectrum of the autodyne signal is implemented on the basis of the mathematical model of the autodyne generator. We have established that even a small non-linearity of this characteristic causes a significant distortion of the shape and spectrum of the autodyne signal. A method of quasi-static correction of the law of frequency modulation of probing radiation using a digital signal processor is proposed, which does not require complication of the microwave part of the autodyne SRR with FM. The results of experimental studies of an 8-mm autodyne SRR made on the basis of a Gann diode oscillator with frequency control by varicap are presented.Представлены результаты исследования особенностей формирования и обработки сигналов автодинных систем ближней радиолокации (СБРЛ) с частотной модуляцией (ЧМ) при наличии нелинейности модуляционной характеристики. На основе математической модели автодинного генератора выполнено численное моделирование влияния нелинейности модуляционной характеристики на форму и спектр автодинного сигнала. Установлено, что даже малая нелинейность этой характеристики вызывает существенное искажения формы и спектра автодинного сигнала. Предложен метод квазистатической коррекции закона частотной модуляции зондирующего излучения применением цифрового сигнального процессора, не требующий усложнения СВЧ части автодинной СБРЛ с ЧМ. Приведены результаты экспериментальных исследований автодинной СБРЛ 8-мм диапазона, выполненной на основе генератора на диоде Ганна с управлением частоты варикапом

Method of Increasing the Range Resolution of Radio Pulse Sensors of Short-Range Radar Systems

Поступила: 27.03.2023. Принята в печать: 16.05.2023.Received: 27.03.2023. Accepted: 16.05.2023.Представлено описание нового метода повышения разрешающей способности радиоимпульсных датчиков (РЛД), предназначенных для систем ближней радиолокации (СБРЛ) обнаружения и измерения параметров движения объектов локации. Суть метода состоит в том, что контролируемую область пространства с находящимися в ней целями периодически облучают зондирующими радиоимпульсами, причем во время их излучения одновременно принимают отраженные от целей радиоимпульсы и разделяют их на два квадратурных канала. Далее смешивают их с зондирующими радиоимпульсами, преобразуют перекрывающиеся по времени части этих радиоимпульсов в область низких доплеровских частот в виде двух квадратурных видеоимпульсов. Затем полученные в этих каналах квадратурные видеоимпульсы дискретизируют по амплитуде, запоминают во множестве моментов времени и подвергают цифровой обработке по предложенному алгоритму. Метод реализован в РЛД, выполненном на базе рупорно-линзовой антенны, доплеровского приемопередающего модуля с квадратурными выходами преобразованных сигналов, блока синхронизации и формирования импульсов, а также блока цифровой обработки сигналов. РЛД может найти применение в бортовых СБРЛ (например, автомобильных), предназначенных для обнаружения движущихся целей, измерения расстояния до них, а также определения скорости и направления движения. Результаты экспериментальных исследований получены на примере автодинного РЛД 8‑мм диапазона, выполненного на основе генератора на планарном диоде Ганна.The description of a new method for increasing the resolution of radio pulse sensors (RPS) designed for short-range radar systems (SRRS) for detecting and measuring motion parameters of location objects is presented. The essence of the method is that the controlled area of space with the targets located in it is periodically irradiated with probing radio pulses, and during their radiation, radio pulses reflected from the targets are simultaneously received and divided into two quadrature channels. Next, they are mixed with probing radio pulses, and the time-overlapping parts of these radio pulses are converted into the region of low Doppler frequencies in the form of two quadrature video pulses. Then, the quadrature video pulses received in these channels are sampled by amplitude, stored at multiple points in time and digitally processed according to the proposed algorithm. The method is implemented in the RPS made on the basis of a horn-lens antenna, a Doppler receiving and transmitting module with quadrature outputs of converted signals, a synchronization and pulse generation unit, as well as a digital signal processing unit. The RPS can be used in onboard (for example, automotive) SRRS designed to detect moving targets, measure the distance to them, as well as determine the speed and direction of movement. The results of experimental studies have been obtained on the example of the 8‑mm autodyne RPS made on the basis of the oscillator on a planar Gann-diode

Method for increasing noise resistance of radar sensors with frequency selection

Поступила: 09.09.2021. Принята в печать: 22.10.2021.Received: 09.09.2021. Accepted: 22.10.2021.Представлено описание нового метода формирования и обработки сигналов, обеспечивающего повышение помехоустойчивости радиолокационного датчика (РЛД) с переключением частоты (ПЧ) излучения. Суть метода состоит в использовании множества временных интервалов при измерении разности фаз сигналов на разных частотах излучения и, соответственно, множества значений доплеровских частот в спектре сигнала при определении среднего значения доплеровской частоты, а также применения прямой и обратной последовательностей ПЧ. Данный метод позволяет усреднить результаты вычисления отдельных реализаций и, тем самым, повысить точность определения скорости цели и расстояния до нее. При этом также повышается устойчивость РЛД с ПЧ к воздействию сигналов от сторонних источников радиоизлучения и помех от подстилающей поверхности. Результаты экспериментальных исследований метода получены на примере автодинного РЛД с ПЧ 8-мм диапазона, выполненного на основе генератора на диоде Ганна с управлением частоты варикапом. Метод может найти применение в бортовых (например, автомобильных) радиолокационных датчиках, предназначенных для обнаружения движущихся целей, измерения расстояния до них, а также определения скорости и направления движения.The description of a new method of signal generation and processing which provides an increase in the noise immunity of radar sensors (RS) with frequency switching (FS) radiation is presented. The principle of method is in the use of a set of time intervals when measuring the phase difference of signals at different radiation frequencies and, accordingly, a set of the Doppler frequency values in the signal spectrum when determining the average value of the Doppler frequency, as well as the use of forward and reverse IF sequences. This method allows averaging the results of calculating individual implementations and, thereby, increase the accuracy of determining the target speed and distance to it. At the same time, the stability of the RS with FS also increases to the effects of signals from third-party radio sources and interference from the underlying surface. The results of experimental studies of the method are obtained on the example of the autodyne RS with the 8-mm frequency range, made on the basis of the Gann diode generator with frequency control by varicap. The method may be used in on-board (for example, automotive) radar sensors designed to detect moving targets, measure the distance to them, as well as determine the speed and direction of movement

The Principle of Operation of an Autodyne Optoelectronic Transceiver of Short-Range Radar Systems

Поступила: 30.08.2022. Принята в печать: 22.09.2022Received: 30.08.2022. Accepted: 22.09.2022.Представлено описание устройства и принципа действия нового типа автодинного приемопередатчика для систем ближней радиолокации (СБРЛ), выполненного на основе оптоэлектронного генератора (ОЭГ). Подключение антенны к ОЭГ осуществляется через делительно-развя- зывающее устройство (ДРУ), обеспечивающее, с одной стороны, условия генерации автоколебаний в системе и с другой - передачу и прием радиосигналов с минимальными потерями. Рассмотрены варианты выполнения ДРУ и методика расчета их параметров. Разработана математическая модель автодинной системы на основе ОЭГ, получены основные соотношения для определения ее параметров и характеристик. Показано, что применение ОЭГ обеспечивает значительное увеличение эквивалентной добротности колебательной системы генератора и снижение его собственных шумов. Улучшение данных параметров автодинных СБРЛ позволит значительно увеличить дальность действия, расширить диапазон рабочих частот и область их применения. Отмечены перспективы применения автодинов на основе ОЭГ в создании систем обнаружения объектов с малой эффективной площадью рассеяния, таких как беспилотных летающих аппаратов, для защиты от которых применение обычных (дальних) радаров малоэффективно.The description of the device and the principle of operation of a new type of autodyne transceiver of short-range radar systems (SRRS), made on the basis of an optoelectronic oscillator (OEO), is presented. The antenna is connected to the OEO through a dividing-decoupling device (DDD), which provides, on the one hand, conditions for generating self-oscillations in the system and, on the other hand, transmitting and receiving radio signals with minimal losses. The scheme of the DDD and the method of calculating their parameters are considered. A mathematical model of the autodyne system based on the OEO has been developed, and the basic relations for determining its parameters and characteristics have been obtained. It is demonstrated that the use of OEO provides a significant increase in the equivalent Q-factor of the oscillator system and the reduction in its own noise. The improvement of these parameters of the autodyne SRRS will significantly increase the range of operation, expand the range of operating frequencies and the scope of their application. The prospects of using autodynes based on OEO in the creation of detection systems of objects with a small effective scattering area, such as unmanned aerial vehicles, for protection against which the use of conventional (distant) radars is ineffective, are noted