СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ РАДИОСИГНАЛОВ И МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 1997 года по МПК G01S3/14 G01S3/74 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для одновременного пеленгования нескольких источников радиоизлучения.

Известен пеленгатор типа РА 055 (фирма Rohde Schwarz, ФРГ, 1988), включающий ненаправленную антенну, соосную с ней кольцевую антенную решетку, блок сканирования, двухканальный приемник с общим гетеродином, генератор синхроимпульсов и вычислитель пеленга. Ограничением устройства является невозможность определения пеленга одновременно нескольких источников радиоизлучения.

Известен метод многоканальной пеленгации, включающий прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником для получения спектральных характеристик каждого канала, сравнение спектральных характеристик сигналов, по которому судят о значении пеленга [1]
Известен также многоканальный пеленгатор, содержащий антенную систему, соединенную с блоком сканирования, многоканальный приемник, выходы которого через соответствующие аналого-цифровые преобразователи соединены с входами соответствующих блоков дискретного преобразования Фурье, выходы которых соединены с вычислителем пеленга [2]
Ограничениями указанных метода и устройства являются невысокое качество пеленга сигналов близких направлений и сложность аппаратной функции пеленга, обусловленная большими массивами обрабатываемой информации; сложность конструкции, обусловленная необходимостью одновременной обработки сигналов каждого канала приемника и сложностью блока сканирования.

Задача, решаемая изобретением, повышение качества.

Технический результат для способа, который может быть получен при осуществлении изобретения, повышение точности и скорости обработки информации о пеленге.

Технический результат для устройства повышение точности и упрощение определения направления пеленга.

Поставленная задача решается тем, что в способе пеленгации радиосигналов, включающем прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником для получения спектральных характеристик сигналов каждого канала, сравнение спектральных характеристик, по результату которого судят о значении пеленга, согласно изобретению направленную антенную систему формируют из элементов антенной решетки и из одного элемента, который выполняют с возможностью широкополосного изотропного ненаправленного приема и связывают с опорным каналом приемника, а приемник выполняют с общим гетеродином для всех каналов, при получении спектральных характеристик каждого канала попарно измеряют на совпадающих интервалах времени комплексные спектры сигналов каждого канала и опорного канала, разбивают комплексные спектры на выбранные частотные поддиапазоны и для каждого частотного поддиапазона производят сравнение комплексных спектральных характеристик.

Возможен дополнительный вариант осуществления способа, в котором целесообразно, чтобы сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов для канала с элементами решетки и опорного канала осуществляли путем определения свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и выбранного частотного поддиапазона, и путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, выделяя максимальный модуль компоненты спектров сигналов свертки преобразования Фурье, а по значению аргумента максимального модуля компоненты судят о значении пеленга.

Поставленная задача решается также тем, что в многоканальном пеленгаторе, содержащем антенную систему, соединенную с блоком сканирования, приемник, выполненный многоканальным, входы которого соединены с антенной системой, а выходы через аналого-цифровые преобразователи соединены с входами блоков преобразования Фурье, выходы которых соединены с входами вычислителя пеленга, согласно изобретению антенная система выполнена из антенной решетки и ненаправленной антенны, блок сканирования выполнен в виде коммутатора, приемник выполнен с общим гетеродином и двумя каналами опорным и сигнальным, сигнальный вход приемника выполнен с возможностью последовательной коммутации посредством коммутатора к выходам элементов антенной решетки, а опорный вход подсоединен к выходу ненаправленной антенны, введены генератор синхроимпульсов и запоминающие устройства компонент спектра для сигнального и опорного каналов, синхровыход генератора синхроимпульсов подсоединен к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифровых преобразователей, блоков преобразования Фурье и вычислителя пеленга, а выходы блоков преобразования Фурье для сигнального и опорного каналов соответственно соединены с входами вычислителя пеленга через запоминающие устройства компонент спектра для сигнального и опорного каналов соответственно.

Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы
вычислитель пеленга был выполнен из вычислителя сверток, блока преобразования Фурье сверток, вычислителя аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля, связанных последовательно;
в качестве ненаправленной антенны была выбрана широкополосная изотропная антенна;
в качестве ненаправленной антенны была выбрана конусно-щелевая антенна;
в качестве антенной решетки была выбрана кольцевая антенная решетка, элементы которой расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру окружности, при этом элементы антенной решетки выполнены из несимметричных или симметричных вибраторов, максимумы диаграмм направленности которых ориентированы вдоль радиусов от центра;
конусно-щелевая антенна была расположена в центре упомянутой окружности соосно с ней;
антенная решетка была выполнена из не менее трех линейных антенных решеток, а ненаправленная антенна была бы расположена в произвольной точке азимутальной плоскости, при этом максимумы направленности элементов антенной решетки ориентированы по нормали к плоскости их расположения.

За счет выполнения многоканального пеленгатора с опорным и сигнальным каналами, введения запоминающих устройств компонент спектра, связанных описанным выше образом, удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении примеров его осуществления со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором изображена функциональная схема многоканального пеленгатора.

Устройство содержит антенную систему 1, связанную с блоком 2 сканирования. Приемник 3 выполнен многоканальным и его входы соединены с антенной системой 1, а выходы через аналого-цифровые преобразователи 4 и 5 соединены с входами блоков 6 и 7 дискретного преобразования Фурье. Выходы блоков 6 и 7 соединены с входами вычислителя 8 пеленга.

Антенная система 1 выполнена из антенной решетки 9 и ненаправленной антенны 10. Блок 2 сканирования выполнен в виде коммутатора. Приемник 3 выполнен с общим гетеродином и двумя каналами опорным и сигнальным. Сигнальный вход приемника 3 выполнен с возможностью последовательной коммутации посредством коммутатора 2 к выходам элементов антенной решетки 9, а его опорный вход подсоединен к выходу ненаправленной антенны 10. Синхровыход генератора 11 синхроимпульсов подсоединен к управляющему входу коммутатора 2 и к синхровходам аналого-цифровых преобразователей 4 и 5, блоков 6 и 7 дискретного преобразования Фурье и вычислителя 8 пеленга. Выходы блоков 6 и 7 для сигнального и опорного каналов соответственно соединены с входами вычислителя 8 пеленга через запоминающие устройства 12 и 13 компонент спектра.

Для дополнительного повышения точности и упрощения устройства вычислитель 8 пеленга состоит из вычислителя 14 сверток, блока 15 дискретного преобразования Фурье сверток, вычислителя 16 аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля, соединенных последовательно. При этом синхровыход генератора 11 соединен с синхровходами вычислителя 14, блока 15 и вычислителя 16.

Работает многоканальный пеленгатор следующим образом.

Сигналы от пеленгуемых источников излучения принимаются антенной системой 1.

В зависимости от выбранного вида антенной системы 1 изменяются только величины сдвига фаз Ф_m(L) между сигналами в m-ом элементе антенной решетки и опорной антенне и значения максимального модуля Q_max L-ой компоненты углового спектра, поэтому вычислитель пеленга отличается в случае использования различных антенных систем только некоторым различием математических выражений, реализуемых вычислителем 8 пеленга. При выборе каких-либо иных антенных систем 1 возможно построение вычислителя 8 с выполнением других математических преобразований от нижеописанных, однако сами функции и функциональные связи между вычислителем 14, блоком 15 и вычислителем 16 при этом не изменятся. Таким образом, рассмотрим работу многоканального пеленгатора с использованием вариантов разных антенных решеток 9, например с кольцевой антенной решеткой и линейной антенной решеткой (ЛАР).

Пусть в первом варианте антенная система 1 пеленгатора представляет собой кольцевую антенну решетку 9, элементы которой расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру окружности, и ненаправленную антенну 10, размещенную в центре окружности соосно с ней. Расстояние по периметру между элементами антенной решетки 9 не должно превышать половины длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона.

В другом варианте антенная система 1 представляет собой набор из M_ант (три или более) линейных антенных решеток 9 (ЛАР) и ненаправленной антенны 10.

Каждая отдельная r-ая ЛАР, r 1.M_ант, содержит совокупность N_ант равноотстоящих друг от друга направленных антенных элементов с соответствующей поляризацией, расположенных вдоль прямой линии на расстоянии D_ант друг от друга, не превышающем половину длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона. Максимум диаграммы направленности каждого элемента ориентирован по нормали к плоскости ЛАР. Каждая из ЛАР обслуживает соответствующий сектор, например, при трех ЛАР (M_ант 3) величина этого сектора может быть равной α_обсл(r) 360/M_ант. Пространственное положение каждой ЛАР в азимутальной плоскости характеризуется отсчитываемым, например, по часовой стрелке углом α_лар(r) между направлением на север и нормалью к плоскости ЛАР, параллельной осям диаграмм направленности антенных элементов. Общая длина ЛАР равна (N_ант-1) • D_ант, а обслуживаемый ею сектор азимутальной плоскости лежит, например, в пределах от α_лар(r) - α_обсл /2 до α_лар(r) - α_обсл /2.

Ненаправленная антенна 10 может быть расположена в произвольной точке азимутальной плоскости, ее положение в азимутальной плоскости относительно первого элемента ЛАР с номером r, r 1.M_ант характеризуется отсчитываемым по часовой стрелке углом α_оп (r) между направлением на север и линией, соединяющей первый элемент r-ой ЛАР и опорную ненаправленную антенну 10.

Ненаправленная антенна 10 широкополосная изотропная антенна с заданным видом поляризации, обеспечивающая прием в диапазоне требуемых частот, например, конусно-щелевая.

Совокупности радиосигналов от различных пеленгуемых источников с выходов антенной решетки 9 поступают на входы коммутатора 2, который последовательно пропускает их на сигнальный вход двухканального приемника 3. На его второй опорный вход поступают совокупности тех же сигналов с ненаправленной антенны 10.

Радиосигналы, поступившие на входы двухканального приемника 3, переносятся в нем на промежуточную частоту, а при необходимости на видеочастоту.

Аналого-цифровые преобразователи 4 и 5 преобразуют сигналы промежуточной частоты в цифровые сигналы, соответствующие радиосигналам, и эти последовательности отсчетов с выходов аналого-цифровых преобразователей 4, 5 объемов N каждая поступают в блоки дискретного преобразования Фурье 6, 7, на выходах которых получают цифровые сигналы, характеризующие спектры совокупностей сигналов от пеленгуемых источников в опорном и коммутируемом трактах объемом N комплексных отсчетов каждый. В дальнейшем для упрощения обработки используют только N/2 комплексных отсчетов каждого спектра, а остальные N/2 отсчетов, соответствующих отрицательным частотам, полагают равными нулю. Спектр для k-го радиоканала соответствует сигналу от k-го источника. Сигнал в k-ом радиоканале для опорного и сигнального трактов может быть представлен следующими выражениями:

где A_к амплитуда принятого радиосигнала в k-ом канале;
ω_ок угловая чистота принятого радиосигнала в k-ом канале;
θ_к(t) закон изменения фазы, обусловленной угловой модуляцией принимаемого радиосигнала в k-ом канале;
θ_оп(k) начальная фаза радиосигнала в k-ом канале в опорном тракте;
θ_c(k,m) начальная фаза радиосигнала в коммутируемом тракте;
m номер элемента антенной решетки;
θ_пр1 сдвиг фазы в канале приема опорного сигнала;
θ_пр2 сдвиг фазы в канале приема коммутируемого сигнала.

Значения центральных частот f_к радиоканалов в полосе анализа df и ширина радиоканала dF априорно известны. Полоса анализа df определяется принятой аппаратной реализацией. В запоминающих устройствах 12, 13 получают цифровые сигналы, соответствующие компонентам спектров в полосе анализа df для сигнального и опорного каналов, при этом каждой компоненте спектра соответствует порядковый номер, соответствующий частоте компоненты, и номер величины амплитуды, проградуированный в соответствии со значением компоненты амплитуды спектра.

В результате на выходе запоминающих устройств 12, 13 получают совокупности цифровых сигналов, соответствующие принятым значениям номеров радиоканалов k} (1<k<k_max, k_max=df/dF), в которых обнаружены радиосигналы. Каждому из этих номеров соответствуют значения границ радиоканала, пересчитанные в номера компонент спектра с учетом полосы анализа df, объема N и ширины радиоканала dF, например при df=4 МГц и df=25 кГц k_max 160. Если N 4000, в результате дискретного преобразования Фурье получают 2000 пар комплексных отсчетов спектра, следующих через DF df/(N/2) 2 кГц, при этом на один канал приходится q_max> (dF/DF+1), т.е. 13 комплексных отсчетов, каждый из которых включает действительную и мнимую компоненты или модуль и фазу спектрального отсчета.

Таким образом, в отличие от известных технических решений, в которых определяют цифровые сигналы спектров для каждого радиоканала антенной системы и в результате их сравнения определяют пеленгационные характеристики, в заявленном техническом решении пеленгационные характеристики определяются сравнением отдельных компонент спектра для сигнального канала и опорного. Присваивая компонентам спектра соответствующие номера, на выходе запоминающих устройств 12, 13 получают совокупности номеров компонент спектра, соответствующих границам радиоканалов с сигналами n_min(1), n_max(1); n_min(2), n_max(2);n_min(k), n_max(k).

Сравнение спектров сигнального и опорного каналов можно бы было производить на основе вычислителя 8 пеленга, принципиально не отличающегося от используемого в аналогах вычислителя, однако это усложнило бы его функциональную схему.

Для дополнительного упрощения вычислителя 8 пеленга при обеспечении высокой точности определения пеленгационных характеристик он может быть выполнен из последовательно соединенных вычислителя 14 сверток, блока 15 дискретного преобразователя Фурье сверток, вычислителя 16 аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля.

В вычислителе 14 для каждого радиоканала, в котором обнаружен сигнал, производится операция свертки спектра радиосигнала сигнального тракта с комплексно сопряженным спектром сигнала опорного тракта в соответствии с выражением (вычисляется только нулевая спектральная составляющая свертки, т.к. остальные равны нулю)

где k номер радиоканала с сигналом, 1≅ k ≅ k_max;
i текущий индекс при суммировании, n_min(k) ≅ i ≅ n_max(k);
m номер элемента антенной решетки, m 1.N_ант.

Операция свертки спектров позволяет выделить спектральную составляющую, соответствующую немодулированной несущей пеленгуемого сигнала, принятого в радиоканале с номером k. Данная операция соответствует перемножению сигналов опорного и сигнального трактов во временной области и приводит к устранению собственной модуляции в принятом радиосигнале, т.е.

В результате выполнения операции свертки получается комплексная амплитуда сигнала в k-м радиоканале с m-го элемента антенной решетки, содержащая информацию о пеленге:

После вычисления комплексных амплитуд сигналов со всех элементов антенной решетки (m 1.N_ант) в блоке 15 дискретного преобразования Фурье вычисляется угловой спектр сигнала в k-м радиоканале:

где Ф_m(L) сдвиг фаз между сигналами в m-ом элементе антенной решетки и опорной антенне для k-го канала.

L•dθ аргумент углового спектра, q ≅ L ≅L_max-1,
dθ шаг вычисления углового спектра, dθ = 2π/L_max.
Для кольцевой антенной решетки радиусом R_ант, где опорным является направление от опорной антенны (в центре решетки) к первому элементу антенной решетки, выражение для Ф_m(L) имеет вид
Ф_m(L) = cos(A_эл(m)-L•dθ)•2πR_ант/λ,
где A_эл(m) (m-1) • 2π/M_ант отсчитываемый по часовой стрелке угол между опорным направлением и линией, проходящей от опорной антенны через m-ый элемент решетки.

При использовании системы из M_ант линейных антенных решеток указанный угол может быть представлен следующим образом:

где D_ант расстояние между расположенными в линию элементами ЛАР;
D_оп расстояние от опорной антенны до первого элемента r-ой ЛАР;
α_оп(r) отсчитываемый по часовой стрелке угол между опорным направлением и линией, соединяющей первый элемент r-ой ЛАР и опорную антенну;
α_лар(r) отсчитываемый по часовой стрелке угол между опорным направлением и нормалью к плоскости r-ой ЛАР;
модуль L-ой компоненты углового спектра, где L•dθ аргумент в выражении для углового спектра, соответствующий предполагаемому пеленгу 0 ≅ L ≅ L_max-1; dθ шаг вычисления углового спектра, dθ = 2π/L_max.
Шаг аргумента dθ при вычислении углового спектра определяется требуемой инструментальной точностью пеленгатора. Влияние разности сдвигов фаз q_пр1- θ_пр2 в каналах приема при вычислении модуля устраняется.

Изменение аргумента L • dθ для круговой антенной решетки осуществляется в пределах 0.360 градусов. Для антенной системы из M_ант ЛАР и опорной антенны угловой спектр вычисляется для каждой из M_ант ЛАР в пределах соответствующего сектора обслуживания L_min(r)•dθ...L_max(r)•dθ.
Значение пеленга источника излучения для кольцевой антенной решетки определяется в вычислителе 16 как аргумент L•dθ, соответствующий наибольшему значению Q_max(L • dθ) по всем значениям Q(L • dθ ), 0 ≅ L ≅ L_max-1.

Для определения пеленга источника излучения для системы ЛАР и опорной антенны необходимо найти максимальные значения Q_max(r, L • dθ ), r 1.M_ант, L_min(r) ≅ L(r) ≅ L_max(r) для каждой из M_ант ЛАР, а затем найти максимальный среди них. Соответствующее ему значение аргумента L(r) • dθ и характеризует направление на источник излучения.

Наиболее успешно заявленный многоканальный пеленгатор может быть использован для определения с высокой точностью пеленга одновременно нескольких источников радиоизлучения в условиях свободного пространства или слабо пересеченной местности, либо когда антенная система размещена существенно выше среднего уровня застройки.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для одновренного пеленгования нескольких источников радиоизлучения. Способ осуществляют приемом радиосигналов направленной антенной системой, преобразованием сигналов многоканальным приемником, сравнением спектральных характеристик. Направленную антенную систему формируют из элементов антенной решетки и из одного элемента, который выполняют с возможностью широкополосного изотропного ненаправленного приема и связывают с опорным каналом приемника, попарно измеряют на совпадающих интервалах времени комплексные спектры сигналов каждого канала и опорного канала, разбивают комплексные спектры на выбранные частотные поддиапазоны и для каждого поддиапазона производят сравнение комплексных спектральных характеристик. Устройство содержит антенную систему, коммутатор, приемник, выходы которого через аналого-цифровые преобразователи соединены с входами блоков преобразования Фурье. Антенная система выполнена из антенной решетки и ненаправленной антенны. Приемник выполнен с двумя каналами - опорным и сигнальным. Сигнальный вход приемника посредством коммутатора подсоединен к выходам элементов антенной решетки, а опорный вход подсоединен к выходу ненаправленной антенны. Выходы блоков преобразования Фурье для сигнального и опорного каналов соответственно соединены с входами вычислителя пеленга через запоминающие устройства компонент спектра для сигнального и опорного каналов. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником для получения спектральных характеристик сигналов каждого канала, сравнение спектральных характеристик, по результату которого судят о значении пеленга, отличающийся тем, что направленную антенную систему формируют из элементов антенной решетки и из одного элемента, который выполняют с возможностью широкополосного изотропного ненаправленного приема и связывают с опорным каналом приемника, а приемник выполняют с общим гетеродином для всех каналов, при получении спектральных характеристик каждого канала попарно измеряют на совпадающих интервалах времени комплексные спектры сигналов каждого канала и опорного канала, разбивают комплексные спектры на выбранные частотные поддиапазоны и для каждого частотного поддиапазона производят сравнение комплексных спектральных характеристик. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов для канала с элементами решетки и опорного канала осуществляют путем определения свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного поддиапазона, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и выбранного частотного поддиапазона, и путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, выделяя максимальный модуль компоненты спектров сигналов свертки преобразования Фурье, а по значению аргумента максимального модуля компоненты судят о значении пеленга. 3. Многоканальный пеленгатор, содержащий антенную систему, связанную с блоком сканирования, приемник, выполненный многоканальным и входы которого соединены с антенной системой, а выходы через аналого-цифровые преобразователи соединены с входами блоков преобразования Фурье, выходы которых соединены с входами вычислителя пеленга, отличающийся тем, что антенная система выполнена из антенной решетки и ненаправленной антенны, блок сканирования выполнен в виде коммутатора, приемник выполнен с общим гетеродином и двумя каналами опорным и сигнальным, сигнальный вход приемника выполнен с возможностью последовательной коммутации посредством коммутатора к выходам элементов антенной решетки, а опорный вход подсоединен к выходу ненаправленной антенны, введены генератор синхроимпульсов и запоминающие устройства компонент спектра для сигнального и опорного каналов, синхровыход генератора синхроимпульсов подсоединен к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифровых преобразователей, блоков преобразования Фурье и вычислителя пеленга, а выходы блоков преобразования Фурье для сигнального и опорного каналов соответственно соединены с входами вычислителя пеленга через запоминающие устройства компонент спектра для сигнального и опорного каналов соответственно. 4. Пеленгатор по п.3, отличающийся тем, что вычислитель пеленга выполнен из вычислителя сверток, блока преобразования Фурье сверток, вычислителя аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля, соединенных последовательно. 5. Пеленгатор по п.3, отличающийся тем, что в качестве ненаправленной антенны выбрана широкополосная изотропная антенна. 6. Пеленгатор по п.5, отличающийся тем, что в качестве ненаправленной антенны выбрана конусно-щелевая антенна. 7. Пеленгатор по п.3, отличающийся тем, что в качестве антенной решетки выбрана кольцевая антенная решетка, элементы которой расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру окружности, при этом элементы антенной решетки выполнены из несимметричных или симметричных вибраторов, максимумы диаграмм направленности которых ориентированы вдоль радиусов от центра. 8. Пеленгатор по пп.6 и 7, отличающийся тем, что конусно-щелевая антенна расположена в центре упомянутой окружности, соосно с ней. 9. Пеленгатор по п.3, отличающийся тем, что антенная решетка выполнена из не менее трех линейных антенных решеток, а ненаправленная антенна расположена в произвольной точке азимутальной плоскости, при этом максимумы направленности элементов антенной решетки ориентированы по нормали к плоскости их расположения.