ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2001 года по МПК G01S3/00 G01S3/46 

Изобретение относится к радиолокации, радионавигации и может быть использовано для определения угловой координаты источника излучения фазоманипулированного (ФМ) сигнала.

Известны устройства для пеленгации источников излучения сигналов (авт. свид. N 164326, 558584, 1555695, 1591664, 1591665, 1602203, 1679872, 1730924, 1746807, 1.832.947; патенты РФ N 2006872, 2003131, 2012010, 2010258; Космические траекторные измерения. Под редакцией П.А.Ажаджанова и др. - М.: Сов. радио, 1969, с. 244-245; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. - М.: Сов. pадио, 1979; Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С. И.Бычкова.- М.: Сов. pадио, 1969, с. 134-137, рис. 2.3.9 и др.).

В качестве базового устройства выбран фазовый пеленгатор (Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова.- М.: Сов. pадио, 1969, с. 135, рис. 2.3.9).

Указанному пеленгатору свойственно противоречие между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угловой координаты. Действительно, согласно формуле

где d - расстояние между приемными антеннами (измерительная база);
λ - длина волны;
γ - угол прихода радиоволн;
фазовый пеленгатор тем чувствительнее к измерению угловой координаты, чем больше относительный размер базы. Но с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты γ, при котором разность фаз Δϕ превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета угла γ.
Задачей предлагаемого устройства является разрешение противоречия между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угловой координаты источника излучения ФМн сигнала путем применения двух измерительных шкал: фазовой шкалы измерений - точной, но неоднозначной, и временной шкалы измерений - грубой, но однозначной.

Решение поставленной задачи достигается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну и первый приемник, последовательно включенные вторую приемную антенну и второй приемник, последовательно включенные фазовращатель на 90^o, фазовый детектор и первый индикатор, снабжен тремя перемножителями, двумя узкополосными фильтрами, блоком регулируемой задержки, фильтром нижних частот, вторым индикатором, экстремальным регулятором и измерительным прибором, причем к выходу первого приемника последовательно подключены первый перемножитель, второй вход которого соединен также с выходом первого приемника, и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с входом фазовращателя на 90^o, к выходу второго приемника последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен также с выходом второго приемника, и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, к выходу второго приемника последовательно подключены блок регулируемой задержки, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, фильтр нижних частот и измерительный прибор, выход фильтра нижних частот через экстремальный регулятор соединен с вторым входом блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен второй индикатор.

Структурная схема предлагаемого фазового пеленгатора представлена на фиг. 1. Пеленгационная характеристика изображена на фиг. 2. Взаимное расположение антенн изображено на фиг. 3.

Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, первый перемножитель 5, первый узкополосный фильтр 7, фазовращатель 9 на 90^o, фазовый детектор 10 и первый индикатор 11, последовательно включенные вторую приемную антенну 2, второй приемник 4, второй перемножитель 6 и второй узкополосный фильтр 8, выход которого подключен ко второму входу фазового детектора 10. К выходу второго приемника 4 последовательно подключен блок 13 регулируемой задержки, третий перемножитель 14, второй вход которого соединен с выходом первого приемника 3, фильтр 15 нижних частот и измерительный прибор 18. Выход фильтра 15 нижних частот через экстремальный регулятор 17 соединен с вторым входом блока 13 регулируемой задержки. Ко второму выходу блока 13 регулируемой задержки подключен второй индикатор 16. Блок 13 регулируемой задержки, перемножитель 14 и фильтр 15 нижних частот образуют коррелятор 12.

Фазовый пеленгатор работает следующим образом.

Принимаемые ФМн сигналы:
u₁(t) = U₁(t)cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ₁],

где U₁(t), U₂(t-τ), ω_c, ϕ₁, ϕ₂, T_c - огибающая, несущая частота, начальная фаза и длительность сигналов;
время запаздывания сигнала, приходящего на антенну 2 по отношению к сигналу, приходящему на антенну 1;
d - расстояние между приемными антеннами 1 и 2, расположенными на одной линии (измерительная база);
γ - угол прихода радиоволн;
c - скорость распространения света;
ϕ_k(t) = {ϕ,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующей функцией (кодом) M(t), причем ϕ_k(t) = const при kτ_э < t < (k+1)τ_э, и может изменяться скачком при t = kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,...,N-1);
τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c = Nτ_э);
ϕ₂ = ω_cτ_э;
с выходов приемных антенн 1 и 2 поступают на входы приемников 3 и 4, где они усиливаются и ограничиваются по амплитуде:
u₃(t) = U₀cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ₁],
u₄(t) = U₀cos[ω_ct+ϕ_k(t-τ)+ϕ₂], 0 ≤ t ≤ T_c.
где U₀ - порог ограничения.

Указанные сигналы в перемножителях 5 и 6 перемножаются сами на себя. В результате этого на выходах перемножителей 5 и 6 образуются следующие результирующие напряжения:
u₅(t) = U₁cos(2ω₀t+2ϕ₁),
u₆(t) = U₁cos(2ω₀t+2ϕ₂), 0 ≤ t ≤ T_c,
где
K₁ - коэффициент передачи перемножителей;
которые предоставляют собой вторые гармоники канальных напряжений.

Следует отметить, что ширина спектра Δf_c принимаемых ФМн сигналов определяется длительностью τ_э их элементарных посылок: тогда как ширина спектра вторых гармоник определяется длительностью T_с сигналов:
Следовательно, при перемножении ФМн сигналов самих на себя их спектр сворачивается в N раз:
Это обстоятельство позволяет выделить гармонические колебания u₅(t) и u₆(t) с помощью узкополосных фильтров 7 и 8, отфильтровав значительную часть шумов и помех.

Если гармонические колебания u₅(t) и u₆(t) с выходов узкополосных фильтров 7 и 8 непосредственно подать на фазовый различитель 10, то на выходе последнего получим

где
K₂ - коэффициент передачи фазового детектора (фазового различителя).

Из приведенного соотношения видно, что напряжение на выходе различителя зависит от угла γ, однако вследствие того, что косинус - функция четная, знак не зависит от знака угла γ, т.е. не зависит от стороны отклонения. Для устранения указанного недостатка в первый канал включают фазовращатель 9, изменяющий фазу гармонического сигнала u₅(t) на 90^o. В этом случае напряжение рассогласования на выходе фазового различителя определяется выражением

Приведенную зависимость обычно называют пеленгационной характеристикой (фиг. 2).

Крутизна характеристики в области малых углов γ, где характеристика практически линейна, равна

Таким образом, крутизна характеристики определяется величиной отношения d/λ. Увеличение базы d и уменьшение длины волны повышают крутизну Kϕ однако при этом возрастает неоднозначность отсчета угла.

Крутизна характеристики определяет величину зоны нечувствительности 2γ_min при заданном значении шумов U_ш (фиг. 2).

Число зон неоднозначности, т.е. областей, где разность фаз Δϕ изменяется на величину, равную 2π, определяется соотношением

Для однозначного отсчета необходимо выбрать n=1, т.е. выбрать измерительную базу исходя из условия

Ошибку пеленгования δα, т.е. погрешность в определении угла α, при заданной точности измерения разности фаз δΔϕ, можно определить на основании выражений:


Из последнего выражения видно, что ошибка пеленгования зависит не только от отношения λ/d, но и от угла α.
С увеличением угла α (при прочих равных условиях) возрастает ошибка пеленгования, и при больших α она может оказаться весьма значительной.

На основании приведенного выражения можно выбрать отношение λ/d или при фиксированном значении λ - величину большой измерительной базы, обеспечивающую необходимую точность определения угла α.
Так формируется фазовая шкала отсчета угловой координаты: точная, но неоднозначная. Результаты измерений фиксируются индикатором 11.

Напряжения u₃(t) и u₄(t) с выходов приемников 3 и 4 одновременно поступают на два входа коррелятора 12, состоящего из блока 13 регулируемой задержки, перемножителя 14 и фильтра 15 нижних частот. Получаемая на выходе коррелятора 12 корреляционная функция R(τ), измеряемая измерительным прибором 18, имеет максимум при значении введенного регулируемого запаздывания
τ = t₂-t₁,
где t₁ и t₂ - время прохождения сигналом расстояния R₂ и R₁ до второй 2 и первой 1 приемных антенн.

Максимальное значение R(t) поддерживается с помощью экстремального регулятора 17, воздействующего на второй вход блока 13 регулируемой задержки. Шкала блока 13 регулируемой задержки (указатель угла) градуируется непосредственно в значениях угловой координаты источника излучения ФМн сигнала

где τ - введенная во второй канал задержка сигнала, соответствующая максимуму корреляционной функции R(τ).
Значение угловой координаты α фиксируется индикатором 16.

Так формируется временная шкала отсчета угловой координаты: грубая, но однозначная.

По существу измерительными шкалами измеряется полная разность фаз:
ΔФ = m+Δϕ,
где m - количество полных циклов измеряемой разности фаз, определяемое временной шкалой;
Δϕ - разность фаз, измеряемая фазовой шкалой (0 ≤ Δϕ ≤ 2π).
Таким образом, предлагаемый фазовый пеленгатор по сравнению с базовым объектом и другими устройствами аналогичного назначения обеспечивает разрешение противоречия между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угловой координаты. Это достигается применением двух измерительных шкал: фазовой шкалы - точной, но неоднозначной, и временной шкалы - грубой, но однозначной. При этом за счет свертки спектра принимаемых ФМн-сигналов повышается чувствительность, помехозащищенность и точность измерения разности фаз между сигналами, прошедшими два канала фазового пеленгатора. Причем скачки фазы в принимаемых ФМн-сигналах не оказывают влияния на результаты пеленгации.

Предлагаемый фазовый пеленгатор работает аналогичным образом и при использовании преобразователей частоты в приемниках.

Изобретение относится к радиолокации, радионавигации и может быть использовано для определения угловой координаты источника излучения фазоманипулированного (ФМн) сигнала. Техническим результатом предлагаемого устройства является разрешение противоречия между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угловой координаты источника излучений ФМн сигнала путем применения двух измерительных шкал: фазовой шкалы измерений - точной, но неоднозначной, и временной шкалы измерений - грубой, но однозначной. Фазовый пеленгатор содержит первую и вторую приемные антенны, первый и второй приемники, первый, второй и третий перемножители, первый и второй узкополосные фильтры, фазовращатель на 90°, фазовый детектор, первый и второй индикаторы, коррелятор, блок регулируемой задержки, фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и измерительный прибор. 3 ил.

Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, последовательно включенные фазовращатель на 90°, фазовый детектор и первый индикатор, отличающийся тем, что он снабжен тремя перемножителями, двумя узкополосными фильтрами, блоком регулируемой задержки, фильтром нижних частот, вторым индикатором, экстремальным регулятором и измерительным прибором, причем между выходом первого приемника и входом фазовращателя на 90° последовательно включены первый перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом первого приемника, и первый узкополосный фильтр, между выходом второго приемника и вторым входом фазового детектора последовательно включены второй перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом второго приемника, и второй узкополосный фильтр, к выходу второго приемника последовательно подключены блок регулируемой задержки, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого приемника, фильтр нижних частот и измерительный прибор, выход фильтра нижних частот через экстремальный регулятор подключен к второму входу блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен второй индикатор.