ВСЕНАПРАВЛЕННЫЙ РАДИОПЕЛЕНГАТОР Российский патент 1999 года по МПК G01S3/54 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля, а также в моноимпульсных радиолокационных станциях для определения азимута воздушных и надводных (наземных) объектов.

Известны радиопеленгаторы, обеспечивающие измерение направления прихода сигналов в круговом азимутальном секторе фазовым способом с использованием в качестве угловых датчиков не менее трех антенн [1, 2].

Известный радиопеленгатор [1] содержит решетку из "n" всенаправленных антенн, расположенных в вершинах правильного "n" - стороннего многоугольника и направленных перпендикулярно плоскости многоугольника, с подключенными к ним через линии передачи усилителями с электронной регулировкой усиления, выходы усилителей соединены со схемой суммирования. Регулировка усиления усилителей осуществляется подачей управляющих сигналов с формирователя управляющих сигналов отдельно на каждый усилитель.

Данный радиопеленгатор обладает низким быстродействием, так как ограничение сигналов по амплитуде осуществляется регулировкой усиления усилителей; недостаточной помехозащищенностью, так как измерение разностей фаз сигналов, принимаемых антеннами, осуществляется во всем частотном диапазоне; низкую точность пеленгования по азимуту при отсутствии априорных данных о положении источника излучений в угломестной плоскости и частоте его излучений.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа радиопеленгатор [2], содержащий несколько антенн, которые установлены по окружности на заданных интервалах друг от друга, коммутатор, последовательно переключающей антенны, два приемника, которые соединены с выходами коммутатора, два ограничителя, фазовый детектор, определяющий разность фаз выходных сигналов ограничителей. Кроме того, прототип содержит генератор, который вырабатывает синусный и косинусный сигналы, две схемы умножения выходного сигнала детектора на синусный и косинусный сигнал соответственно, два фильтра для устранения составляющих частоты вращения коммутатора, генератор низкочастотного сигнала для индикации, две схемы для умножения выходного сигнала генератора на выходные сигналы фильтров, индикатор азимута прихода радиоволны.

Этот радиопеленгатор имеет следующие недостатки: осуществляет последовательно попарную коммутацию антенн, что исключает работу по одиночным импульсным сигналам; измеренные значения пеленга содержат ошибки, обусловленные флуктуациями частот сигналов принимаемых источников излучений и направлением их прихода в угломестной плоскости.

Эти недостатки не позволяют использовать прототип для пеленгования источников излучения в азимутальном секторе 0 - 360^o по одиночным импульсам, а также исключить ошибки пеленгования, обусловленные углом места источников и флуктуациями их несущей частоты.

Измерение и учет ошибки, обусловленной углом места источника излучений, предусматривает применение в качестве угловых датчиков антенн с диаграммами направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, ведет к усложнению структуры пеленгатора [3].

Техническая задача предлагаемого всенаправленного радиопеленгатора заключается в повышении быстродействия, обеспечении пеленгования источников по одиночным импульсным сигналам и увеличении точности измерения направления прихода сигналов в азимутальном секторе 0 - 360^o за счет использования трех всенаправленных антенн, подключаемых к супергетеродинным радиоприемникам, по выходным сигналам промежуточной частоты которых измеряется разность фаз сигналов, принимаемых каждыми двумя соседними антеннами, а также фазовые отклонения, обусловленные флуктуациями частоты сигналов в пределах ширины полосы пропускания каждого радиоприемного тракта и применения алгоритма цифровой обработки измерений инвариантного к направлению прихода сигналов в угломестной плоскости и их несущей частоте.

Указанная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее три антенны, установленные по окружности на равном расстоянии друг от друга, коммутатор, два приемника, с подключенными к ним ограничителями напряжений, фазовый детектор, соединенный с выходами ограничителей напряжений согласно изобретению введены второй и третий коммутаторы, первые входы каждого из трех коммутаторов соединены с антеннами, третий приемник, имеющий общий гетеродин с первыми двумя, генератор сигналов постоянной частоты, преобразователь частоты, выход которого соединен с объединенными между собой вторыми выходами коммутаторов, первый вход с гетеродином и гетеродинными входами приемников, а второй - с генератором сигналов постоянной частоты, вход каждого приемника соединен с выходом одного из трех коммутаторов соответственно, третий ограничитель напряжений, соединенный с выходом тракта промежуточной частоты третьего приемника, блок формирования строба, три фазовращателя на 90^o, восемь фазовых детекторов, девять аналого-цифровых преобразователей, входы которых соединены с выходами соответствующих фазовых детекторов, а управляющие входы АЦП объединены между собой и соединены с выходом блока формирования строба, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов соответствующих приемников, вход первого фазовращателя соединен с выходом первого ограничителя напряжений, первым входом третьего и вторыми входами седьмого и восьмого фазовых детекторов, а выход - с первым входом второго и вторым входом третьего фазовых детекторов, вход второго фазовращателя соединен с выходом второго соединителя напряжений, первыми входами четвертого и шестого и вторым входом второго фазовых детекторов, а выход - с первых входом пятого и вторым входом шестого фазовых детекторов, вход третьего фазовращателя соединен с выходом третьего ограничителя напряжений, первыми входами седьмого и девятого и вторыми входами четвертого и пятого фазовых детекторов, а выход - с первым входом восьмого и вторым входом девятого фазовых детекторов, цифровое вычислительное устройство, каждый из девяти входов которого соединен с выходами аналого-цифровых преобразователей, вход управления - с объединенными между собой управляющими входами коммутаторов и входом управления устройства, выход цифрового вычислительного устройства является выходом всенаправленного радиопеленгатора.

Во всенаправленном радиопеленгаторе блок формирования строба содержит три компаратора напряжений, входы которого являются входами блока, последовательно соединенные элементы И и одновибратор, каждый из трех входов элемента И соединен с выходом соответствующего компаратора напряжений, а выход одновибратора является выходом блока.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов с соответствующими связями и не известно из уровня техники. Таким образом, изобретение соответствует критерию "Новизна".

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемых и смежных областях позволяет сделать вывод, что введенные функциональные узлы известны. Однако введение их в всенаправленный радиопеленгатор с указанными связями придает этому устройству новые свойства. Введенные функциональные узлы взаимодействует таким образом, что после настройки всенаправленного радиопеленгатора на требуемую частоту осуществляется поимпульсное определение азимута всех источников, частота излучения которых находится в пределах полосы пропускания приемников. При этом сразу после настройки устройства на частоту приема, подачей импульсного сигнала на его управляющий вход в нем устанавливается режим калибровки. На входы приемников через коммутаторы от встроенного генератора сигналов постоянной частоты начинают поступать синфазно сигналы, расстроенные по частоте относительно центра полосы пропускания приемников f_опч на некоторую величину Δf. По известным значениям Δf и f_опч определяется в цифровом виде рассогласование между сигналами типа sinX, cosX, формируемых с помощью фазовращателей в каждом приемном канале устройства. Измеренные значения запоминаются в цифровом вычислительном устройстве. Через время, равное длительности управляющего импульса, всенаправленный радиопеленгатор переводится в рабочий режим. По измеренным разностям фаз сигналов, принимаемых антеннами, и величине фазового рассогласования между сигналами типа sinX, cosX с учетом значений, полученных в режиме калибровки, поимпульсно определяется азимут источников излучения. Для расчета используется алгоритм инвариантный к частоте и углу места пеленгуемых источников.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "Изобретательский уровень"
Изобретение может использоваться в различных отраслях народного хозяйства и соответствует критерию "Промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема всенаправленного радиопеленгатора; на фиг. 2 - чертеж, поясняющий зависимость значений пеленга от направления прихода сигналов в пространстве; на фиг. 3 - чертеж зависимостей разностей фаз сигналов на выходах двух соседних антенн от направлений их прихода в азимутальной плоскости; на фиг. 4 - временная диаграмма работы блока формирования строба.

Устройство фиг. 1 содержит три всенаправленные антенны 1 - 3, устанавливаемые по окружности, на равном расстоянии друг от друга, три коммутатора 4 - 6, три приемника 7 - 9 с вынесенным общим гетеродином 10, генератор сигналов постоянной частоты 11, преобразователь частоты 12, первые входы каждого из коммутаторов 4 - 6 соединены с антеннами 1 - 3 соответственно, вторые входы объединены между собой и соединены с выходом преобразователя частоты 12, первый вход которого соединен с гетеродином 10, и гетеродинными входами приемников, а второй - с выходом генератора сигналов постоянной частоты 11, три ограничителя напряжений 13 - 15, входы которых соединены с выходами сигналов промежуточной частоты приемников 7 - 9 соответственно, блок формирования строба 16, три фазовращателя на 90^o 17 - 19, девять фазовых детекторов 20 - 28, девять аналого-цифровых преобразователей 29 - 37, входы которых соединены с выходами фазовых детекторов 20 - 28 соответственно, а управляющие входы объединены между собой и соединены с выходом блока формирования строба 16, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов приемников 7 - 9 соответственно, выход ограничения напряжения 13 соединен с первыми входами первого 20 и третьего 22 и вторыми входами восьмого 26 и девятого 27 фазовых детекторов входов фазовращателя 17, выход которого соединен с первым входом второго 21 и вторым входом третьего 22 фазовых детекторов, выход второго ограничителя напряжений 14 соединен с первыми входами четвертого 23 и шестого 25 и вторыми входами первого 20 и второго 21 фазовых детекторов, входом второго фазовращателя 18, выход которого соединен с первых входом пятого 24 и вторым входом шестого 25 фазовых детектора, выход третьего ограничителя напряжений 15 соединен с первым входом седьмого 26 и девятого 28 и вторым входом четвертого 23 и пятого 24 фазовых детекторов, входом третьего фазовращателя 19, выход которого соединен с первым входом восьмого 27 и вторым входом девятого 28 фазовых детекторов, цифровое вычислительное устройство 38, каждый из девяти входов которого соединен с выходами аналого-цифровых преобразователей 29 - 37 соответственно, вход управления - с объединенными между собой управляющими входами коммутаторов 4 - 6 и входом управляющего устройства 38 является выходом всенаправленного радиопеленгатора.

Блок формирования строба (фиг. 1) содержит три компаратора напряжений 39 - 41, входы которых являются входами блока, последовательно соединенные элементы И 42 и одновибратор 43, каждый из трех входов элемента И соединен с выходами компараторов напряжений 39 - 41 соответственно, а выход одновибратора 43 является выходом блока формирования строба.

В качестве антенн могут быть использованы четвертьволновые или полуволновые вибраторы, рассчитанные на максимальную частоту приема f_max[4]. Электронно-управляемые коммутаторы представляют собой ключи, выполненные на диодах 2А516, 2А530 и др. (см. например, [5]). Приемники являются известными устройствами и могут быть разработаны и изготовлены согласно рекомендациям [6] , высокочастотную их часть целесообразно выполнять на арсенидгаллиевых полевых транзисторах. В качестве гетеродина и преобразователя частоты могут быть использованы устройства, согласно [7, 8]. Ограничители напряжений и генератор сигналов постоянной частоты могут быть выполнены на интегральных микросхемах 171УВ3, δ КО 347, 198-04ТУ и 174ГФ2 δ КО, 374, 175-14ТУ соответственно. В качестве фазовращателей используется RC-цепочки. Фазовые детекторы выполняются на умножителях напряжений - интегральных микросхемах 525 ПС3, 525 ПС4, аналого-цифровые преобразователи - на элементах 1107-ПВ1, 1107 ПВ2, согласно рекомендациям [9]; компараторы напряжений - на интегральных микросхемах 521 СА1-СА3 [9], элемент И - на микросхеме ЛИ6 серии 530, 533; одновибратор - на микросхеме АГ1 серий 155, 530; цифровое вычислительное устройство - на программируемых логических элементах типа 573 РФ4 и др. или на элементах микропроцессорной техники серии 1810. Рекомендации по использованию логических интегральных микросхем и элементов микропроцессорной техники даны в [10, 11].

Всенаправленный радиопеленгатор работает следующим образом.

Определение направления прихода сигналов осуществляется в диапазоне частот от f_min до f_max = 3f_min в азимутальной плоскости а секторе 0 - 360^o по измеренным разностям фаз сигналов, принимаемых антеннами 1 - 3. Изменением частоты гетеродина 10 осуществляется настройка приемников 7 - 9 на требуемую частоту. Далее пеленгуются источники, частота излучений которых находится в пределах полосы пропускания усилителей промежуточной частоты приемников. Разность фаз ϕ_ij сигналов, поступающих на входы приемников 7 - 9, зависит в общем случае от азимута β и угла места γ источника излучения, геометрии расположения антенн и расстояния между ними d (фиг. 2). Разность фаз сигналов, принимаемых антеннами ϕ₁₂,ϕ₂₃,ϕ₃₁, с учетом значений их несущей частоты можно записать в виде:

где β - угол между перпендикуляром, восстановленным к базе антенн 1 и 2 и направлением прихода сигналов в горизонтальной плоскости;
λ - длина волны принимаемых сигналов,
Значение d, входящее в выражение 1, задается из условия d ≤ 0,5λ_min.
После преобразования сигналов по частоте в приемниках 7 - 9, нормировки по амплитуде элементами 13 - 15 и смещении по фазе на 90^o элементами 22, 25, 28 они перемножаются в фазовых детекторах 20 - 28. При этом на выходе фазовых детекторов формируются низкочастотные напряжения вида:

где U₁, U₂, U₃ - амплитуда напряжений с выходов ограничителей напряжений 13 - 15 соответственно;
K₁, K₂ - коэффициенты пропорциональности, имеющие размерность 1/β;
ΔФ₁₂,ΔФ₂₃,ΔФ₃₁ - разность набегов фаз сигналов с выходов ограничителей 13 - 14, 14 - 15, 15 - 13 соответственно;
Ф_s1, Ф_s2, Ф_s3 - фазовые ошибки, возникающие на выходах фазовращателей 17 - 19 за счет расстройки частоты принимаемого сигнала относительно середины полосы пропускания радиоприемных трактов.

В аналогично-цифровых преобразователях 29 - 37 напряжения преобразуются в значения двоичных кодов и фиксируются в моменты времени, задаваемые отрицательным перепадом импульса отбора, поступающего с блока формирования 16. По измеренным значениям U₂₀ - U₂₆ можно рассчитать разность фаз ϕ_ij, воспользовавшись выражениями

Значения ϕ_uij не будут зависеть от значений U_i, K_i (см. выражения 2), однако сохраняются ошибки, обусловленные составляющими ΔФ_ij, Ф_s1 - Ф_s3. Чтобы учесть их значения, во всенаправленном радиопеленгаторе предусмотрен режим калибровки.

Режим калибровки устанавливается после настройки всенаправленного радиопеленгатора на несущую частоту, для чего на управляющие входы коммутаторов 4 - 6 подается напряжение U_упр, по которому через коммутаторы на входы приемников поступают синфазные сигналы с выхода преобразователя частоты 12, значение частоты f_к которых равно
f_k = f₂ + f_G
где f₂ - значение частоты гетеродина 10;
f_G - значение частоты генератора 11, равное
f_G= f_опч+Δf
где f_опч - центральная частота настройки трактов промежуточной частоты приемников;
Δf - - частота расстройки калибровочного сигнала относительно f_опч.

Значения напряжений U_20k - U_27k в режиме калибровки (с учетом выражения 2) можно записать в виде:

Значения фазовых ошибок Ф_s1k - Ф_s3k не зависят от частоты настройки пеленгатора и линейно зависят от величины Δf

где K_si - коэффициент пропорциональности.

При выборе величины Δf соблюдают условия
Δf < 0,1f_опч,

где Δf_пч - ширина полосы пропускания трактов промежуточной частоты приемников.

При этом выражения U_22k, U_25k, U_28k можно записать в виде



По известным значениям Δf, f_опч и измеренным напряжениям U_20k - U_28k в цифровом вычислительном устройстве производится:
1) расчет нормировочных коэффициентов L₁, L₂, L₃

2. Расчет фразовых ошибок ΔФ_12к,ΔФ_23к,ΔФ_31к

Выражение (5) получены путем решения уравнений



Поскольку фазочастотная характеристика радиоприемных трактатов в пределах полосы пропускания линейна, то можно считать
ΔФ_12к≈ ΔФ₁₂; ΔФ_23к≈ ΔФ₂₃; ΔФ_31к≈ ΔФ₃₁.
3. Расчет разностей фаз ϕ_ij с учетом составляющих ΔФ₁₂, ΔФ₂₃, ΔФ₃₁,Ф_s1-Ф_s3

Зависимость значений ϕ_ij от β для γ = 0 представлены на фиг.3.

4. Расчет значений β по значениям ϕ_ij в следующем порядке:
выбираются два значения из трех, принадлежащие зависимостям, имеющим наибольшую крутизну в выбранном поддиапазоне измерений D (условия выбора поддиапазона и расчетные выражения представлены в таблице).

Расчет значений β по отношению двух значений ϕ_ij, принадлежащих зависимостям, имеющим максимальную крутизну на участке измерения, обеспечивает по сравнению с известными устройствами такого типа высокую точность измерения при слабых сигналах (не хуже 0,7^o при отношениях сигнал/шум 13 - 14 дБ).

Не требует данных о значениях несущей частоты сигналов и положения источников излучения в угломестной плоскости (см. выражения 1).

Блок формирования строба 16 работает следующим образом. По поступающим на его входы видеоимпульсам (фиг. 4а - 4в) компараторы 39 - 41 формируют импульсы длительностью, равной длительности импульсов, отсчитанным относительно порога срабатывания компараторов (фиг. 4г - 4е).

Порог срабатывания компараторов выбирается таким образом, чтобы обеспечивалось достаточное отношение сигнал/шум (13 дБ и более) в момент измерения. Для этого элементом И формируется импульс, когда сработают все три компаратора (фиг. 4ж). По отрицательному перепаду напряжения, который формируется в момент времени, когда переходные процессы в радиотрактах всенаправленного радиопеленгатора завершается, одновибратором 43 осуществляется запоминание кодовых значений в элементах 29 - 37 устройства (фиг. 4з).

Таким образом, сформулированная задача повышения быстродействия всенаправленного радиопеленгатора, обеспечение пеленгования источников одиночных импульсных сигналов и повышение точности определения азимута источников излучения решается с помощью предлагаемого устройства.

Источники информации
1. Радиопеленгатор, патент N 4551 727, кл. G 01 S 3/54, США, опубл. 5.11.85, т. 1060 N 1.

2. Радиопеленгатор, заявка N 3-15991, МКИ G 01 S 3/54, Япония, опубл. 4.03.91, N 6-400.

3. А. И. Леонов, К.И. Фомичев. Моноимпульсная радиолокация, М., радио и связь, 1984, с. 77 - 78.

4. В. В. Овсянников. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М., Радио и связь, 1985, с. 29 - 41.

5. Двухканальный СВЧ-переключатель, а. с. N 12220031 A, МКИ H 01 P 1/15, опубл. 23.03.86, бюл. N 11.

6. Радиоприемные устройства, под. ред. А.Г. Барулина. М., Радио и связь, 1984, с. 26 - 23, 36 - 44.

7. Высокостабильный перестраиваемый по частоте СВЧ-генератор. A.c. N 42663, МКИ 4 H 03 B 9/14, 7/14, 5/18, опубл. 15.01.88, N 1.

8. Балансный смеситель, а. с. N 964967, МКИ H 03 D 7/14, опубл. 01.10.82, бюл. N 37.

9. Б. Г. Федорков и др. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. М., Радио и связь, 1984, с. 15 - 17, 77 - 83.

10. М.И. Богданович и др. Цифровые интегральные микросхемы, справочник. Минск, Беларусь, 1991. с. 47, 118 - 121.

11. Б.А. Калабеков. Микропроцессы и их применение в системах передачи и обработки сигналов. Учебное пособие для ВУЗов. М., Радио и связь, 1988, с. 71 - 74, 175 - 181.

Всенаправленный радиопеленгатор относится к радиотехнике и может быть использован в средствах радиотехнического контроля, а также в моноимпульсных радиолокационных станциях для определения азимута воздушных и надводных (наземных) объектов. Целью изобретения является повышение быстродействия и увеличение точности пеленгования воздушных объектов в азимутальной плоскости. Всенаправленный радиопеленгатор содержит три антенны 1-3, три коммутатора 4-6, три приемника 7-9 с общим гетеродином 10, генератор сигналов постоянной частоты 11, преобразователь частоты 12, три ограничителя напряжений 13-15, блок формирования строба 16, три фазовращателя 17-19, девять фазовых детекторов 20-28, девять аналого-цифровых преобразователей 29-37, цифровое вычислительное устройство 38. Блок формирования строба 16 содержит три компаратора напряжений 39-41, элемент И 42, одновибратор 43. Новым является введение в радиопеленгатор двух коммутаторов, одного приемника с общим для всех приемников гетеродином, генератора сигналов постоянной частоты, преобразователя частоты, ограничителя напряжений, трех фазовращателей на 90^o, восьми фазовых детекторов, девяти аналого-цифровых преобразователей, цифрового вычислительного устройства и блока формирования строба 16, содержащего три компаратора напряжений 39-41, элемент И 42 и одновибратор 43. Использование предложенного схемного решения радиопеленгатора позволяет повысить быстродействие, определять азимут источников излучений одиночных радиоимпульсов в секторе 0-360^o, увеличить точность пеленгования за счет использования алгоритма обработки инвариантного к углу прихода сигналов в угломестной плоскости и их несущей частоте. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Всенаправленный радиопеленгатор, содержащий три антенны, установленные по окружности на равном расстоянии друг от друга, первый коммутатор, два приемника с подсоединенными к ним ограничителями напряжений, отличающийся тем, что в него введены второй и третий коммутаторы, первые входы каждого из трех коммутаторов соединены с соответствующими антеннами, третий приемник, имеющий общий гетеродин с первыми двумя, генератор сигналов постоянной частоты, преобразователь частоты, выход которого соединен с объединенными между собой вторыми входами коммутаторов, первый вход с гетеродином и гетеродинными входами приемников, а второй - с генератором сигналов постоянной частоты, вход каждого приемника соединен с выходом соответствующего из трех коммутаторов, третий ограничитель напряжений, соединенный с выходом тракта промежуточной частоты третьего приемника, блок формирования строба, три фазовращателя на 90^o, восемь фазовых детекторов, девять аналого-цифровых преобразователей (АЦП), входы которых соединены с выходами соответствующих фазовых детекторов, а управляющие входы АЦП объединены между собой и соединены с выходом блока формирования строба, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов соответствующих приемников, вход первого фазовращателя на 90^o соединен с выходом первого ограничителя напряжений, первым входом третьего и вторыми входами седьмого и восьмого фазовых детекторов, а выход - с первым входом второго и вторым входом третьего фазовых детекторов, вход второго фазовращателя на 90^o соединен с выходом второго ограничителя напряжений, первыми входами четвертого и шестого и вторым входом второго фазовых детекторов, а выход - с первым входом пятого и вторым входом шестого фазовых детекторов, вход третьего фазовращателя на 90^o соединен с выходом третьего ограничителя напряжений, первыми входами седьмого и девятого и вторыми входами четвертого и пятого фазовых детекторов, а выход - с первым входом восьмого и вторым входом девятого фазовых детекторов, цифровое вычислительное устройство для осуществления вычислений нормировочных коэффициентов, фазовых ошибок, разностей фаз, азимута, каждый из девяти входов которого соединен с входом соответствующего аналого-цифрового преобразователя, вход управления - с объединенными между собой управляющими входами коммутаторов и входом управления устройством, выход цифрового вычислительного устройства для осуществления вычислений нормировочных коэффициентов, фазовых ошибок, разностей фаз, азимута является выходом устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования строба содержит три компаратора напряжений, входы которых являются входами блока, последовательно соединенные элемент И и одновибратор, каждый из трех входов элемента И соединен с выходом соответствующего компаратора напряжений, а выход одновибратора является выходом блока.