ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2002 года по МПК G01S3/46 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для обнаружения, приема, пеленгации и анализа фазоманипулированных (ФМн) сигналов на фоне помех.

Известны устройства для пеленгации сигналов на фоне помех (авт. свид. СССР 1555695; патенты РФ 2003131, 2006872, 2010258, 2012010 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Пеленгатор" (патент РФ 2012010, G 01 S 3/46, 1990), который и выбран в качестве ближайшего аналога.

Указанный пеленгатор обеспечивает прием, пеленгацию и анализ ФМн-сигналов на фоне помех. При этом частоты f_г1 и f_г2 гетеродинов разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
f_г2 - f_г1 = 2f_пр
и выбираются симметричными относительно несущей частоты f_c принимаемого ФМн-сигнала
f_c - f_г1 = f_г2 - f_c = f_пр.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности пеленгатора при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым пеленгам на источник излучения сигналов.

Поставленная задача решается тем, что в пеленгатор, содержащий последовательно включенные первый приемник, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, первый усилитель промежуточный, первый амплитудный детектор, первый интегратор, первый пороговый блок, блок совпадения, первый ключ и первый фазовый детектор, последовательно включенные второй приемник, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, второй амплитудный детектор, второй интегратор и второй пороговый блок, выход которого соединен с вторым входом блока совпадения, последовательно подключенные к выходу первого гетеродина третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и полосовой фильтр, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты, умножитель частоты на два, второй усилитель и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход подключен к первому гетеродину, последовательно подключенные к выходу второго усилителя промежуточной частоты перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, фильтр нижних частот, третий пороговый блок и второй ключ, второй вход которого через первый усилитель соединен с выходом перемножителя, а выход подключен к второму входу первого фазового детектора, введены фазовращатель на 90^o, четыре квадратора, масштабирующий перемножитель, вычитатель, сумматор и регистратор, причем к выходу первого фазового детектора последовательно подключены фазовращатель на 90^o, первый квадратор, масштабирующий перемножитель, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом первого фазового детектора, вычитатель, второй вход которого через третий квадратор соединен с выходом второго квадратора, сумматор, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с вторым выходом первого квадратора, и регистратор.

Структурная схема пеленгатора представлена на фиг.1. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема, изображена на фиг.2.

Пеленгатор содержит первый 1 и второй 2 приемники, первый 3 и второй 4 гетеродины, первый 5, второй 6 и третий 7 смесители, первый 5.1 и второй 6.1 усилители промежуточной частоты, полосовой фильтр 8, первый 9 и второй 10 амплитудные детекторы, первый 11 и второй 12 интеграторы, первый 13 и второй 14 пороговые блоки, блок 15 совпадений, первый ключ 16, первый фазовый детектор 17, умножитель 18 частоты на два, блок 19 задержки, перемножитель 20, первый усилитель 21, фильтр 22 нижних частот, третий пороговый блок 23, второй ключ 24, второй усилитель 25, второй фазовый детектор 26, фазовращатель 27 на 90^o, первый 28, второй 30, третий 31 и четвертый 33 квадраторы, масштабирующий перемножитель 29, вычитатель 32, сумматор 34 и регистратор 35. Причем к выходу приемника 1 (2) последовательно подключены смеситель 5 (6), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 3 (4), усилитель 5.1 (6.1) промежуточной частоты, амплитудный детектор 9 (10), интегратор 11 (12), пороговый блок 13 (14), блок 15 совпадений, ключ 16 и фазовый детектор 17. К выходу гетеродина 3 последовательно подключены смеситель 7, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 4, и полосовой фильтр 8, выход которого соединен с вторым входом ключа 16. К выходу усилителя промежуточной частоты 6.1 последовательно подключены блок 19 задержки, перемножитель 20, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты 5.5, фильтр 22 нижних частот, пороговый блок 23 и ключ 24, второй вход которого через усилитель 21 соединен с выходом перемножителя 20, а выход подключен к второму входу фазового детектора 17. К выходу усилителя 5.1 промежуточной частоты последовательно подключены умножитель 18 частоты на два, усилитель 25 и фазовый детектор 26, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра 8, а выход подключен к гетеродину 3. К выходу фазового детектора 17 последовательно подключены фазовращатель 27 на 90^o, квадратор 28, масштабирующий перемножитель 29, второй вход которого через квадратор 30 соединен с выходом фазового детектора 17, вычитатель 32, второй вход которого через квадратор 31 соединен с выходом квадратора 30, сумматор 34, второй вход которого через квадратор 33 соединен с вторым выходом квадратора 28, и регистратор 35.

Пеленгатор работает следующим образом.

На первые входы смесителей 5 и 6 с выходов приемников 1 и 2 поступают соответственно ФМн-сигналы:
U₁(t) = V_c•cos[2πf_ct+ϕ_k(t)+ϕ₁],
U₂(t) = V_c•cos[2πf_ct+ϕ_k(t)+ϕ₂], 0≤t≤T_c,
где V_c, f_c, Т_c, ϕ₁, ϕ₂ - амплитуда, несущая частота, длительность и начальные фазы сигналов;
ϕ_k(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем
ϕ_k(t) = const при K•τ_и<t<(K+1)•τ_и
и может изменяться скачком при t = K•τ_и, то есть на границах между элементарными посылками (К=1, 2,...,N-1);
τ_и, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c•(T_c = N•τ_и).
На вторые входы смесителей 5 и 6 с выходов гетеродинов 3 и 4 подаются напряжения соответственно:
U_г1(t) = V_г1•cos(2πf_г1t+ϕ_г1),
U_г2(t) = V_г2•cos(2πf_г2t+ϕ_г2),
где V_г1, V_г2, f_г1, f_г2, ϕ_г1, ϕ_г2 - амплитуды, частоты и начальные фазы напряжений гетеродинов.

Причем частоты f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 4 разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты
f_г2 - f_г1 = 2f_пр
и выбраны симметричными относительно несущей частоты f_c принимаемых ФМн-сигналов
f_c - f_г1 = f_г2 - f_c = f_пр.

На выходе смесителей 5 и 6 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 5.1 и 6.1 выделяются только напряжения промежуточной (разностной) частоты:
U_пр1(t) = V_пр1•cos[2πf_прt+ϕ_k(t)+ϕ_пр1],
U_пр2(t) = V_пр2•cos[2πf_прt-ϕ_k(t)-ϕ_пр2],
0≤t≤Т_c,
где V_пр1 = 1/2•К₁•V_с•V_г1;
V_пр2 = 1/2•К₁•V_с•V_г2;
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
f_пр = f_c - f_г1 = f_г2 - f_c - промежуточная частота;
ϕ_пр1 = ϕ₁-ϕ_г2; ϕ_пр2 = ϕ₂-ϕ_г2;
Указанные напряжения детектируются в амплитудных детекторах 9 и 10, накапливаются в интеграторах 11 и 12 и сравниваются с пороговым уровнем V_пор1 в пороговых блоках 13 и 14. Причем пороговый уровень V_пор1 выбирается так, чтобы пороговые блоки 13 и 14 не срабатывали от случайных помех.

В случае приема ФМн-сигнала по основному каналу на частоте f_c (фиг.2) напряжения образуются одновременно на выходах пороговых блоков 13 и 14. Эти напряжения поступают на блок 15 совпадения, который срабатывает и своим выходным напряжением открывает ключ 16. Ключи 16 и 24 в исходном состоянии всегда закрыты.

Напряжения U_г1(t) и U_г2(t) с выходов гетеродинов 3 и 4 поступают на смеситель 7, на выходе которого образуется напряжение

где V_г = 1/2•K₁•V_г1•V_г2.

Полосовым фильтром 8 выделяется опорное напряжение
U₆(t) = V_г•cos•(4πf_прt+Δϕ_г),
где 2f_пр = f_г2 - f_г1; Δϕ_г = ϕ_г2-ϕ_г1;
которое через открытый ключ 16 поступает на первый вход фазового детектора 17.

Напряжение U_пр1(t) с выхода усилителя 5.1 промежуточной частоты поступает на первый вход перемножители 20, на второй вход которого подается напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 6.1 промежуточной частоты, прошедшее через блок 19 задержки

0≤t≤Т_с,
где τ - время задержки блока 19 задержки.

На выходе перемножителя 20 образуются напряжения суммарной и разностной частоты. Полосовым усилителем 21 выделяется напряжение суммарной частоты
U_Σ(t) = V_Σ•cos(4πf_прt-2πf_прτ+Δϕ_г+Δϕ),
0≤t≤Т_c,
где V_Σ = 1/2•K₂•V_пр1•V_пр2;
К₂ - коэффициент передачи перемножителя;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ = 2π•d/λ•sinγ_o - фазовый сдвиг определяющий направление на источник излучения;
d - расстояние между приемными антеннами А и В (измерительная база);
λ - длина волны;
γ_o - истинный пеленг.

Регулируемый блок 19 задержки, перемножитель 20 и фильтр 22 нижних частот образуют коррелятор. Получаемая на его выходе корреляционная функция R(τ) имеет максимум при значении
τ_o = t₁-t₂ = ΔR/C,
где t₁, t₂ - время прохождения сигналами расстояний от источника излучения до первой А и второй В антенн;
ΔR - разность расстояний от источника излучения до первой А и второй В антенн;
С - скорость распространения радиоволн.

При этом пороговый уровень V_пор2 в пороговом блоке 23 превышается только при максимальном значении корреляционной функции R(τ_o) и не превышается боковыми лепестками корреляционной функции R(τ).

При превышении порогового уровня V_пор2 в пороговом блоке 23 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 23 и открывает его. При этом полезное напряжение U_Σ(t) с выхода полосового усилителя 21 через открытый ключ 24 поступает на второй вход фазового детектора 17, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение
U_н(γ) = V_н•cos(2πf_прτ_o-Δϕ_o),
где V_н = 1/2•K₃•V_Σ•V_г;
К₃ - коэффициент передачи фазового детектора; пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу.

Для обеспечения симметричности несущей частоты f_c относительно частот f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 4 используется система фазовой автоподстройки частоты, состоящая из последовательно подключенных к выходу усилителя 5.1 промежуточной частоты умножителя 18 частоты на два, полосового усилителя 25 и фазового детектора 26, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра 8, а выход подключен к управляющему входу гетеродина 3.

Преобразованный по частоте ФМн-сигнал U_пр1(t) с выхода усилителя 5.1 промежуточной частоты одновременно поступает на вход умножителя 18 частоты на два, на выходе которого образуется следующее гармоническое колебание
U_ч(t) = V_пр1•cos(4πf_прt+2ϕ_пр1), 0≤t≤Т_с.

Так как то в указанном колебании фазовая манипуляция уже отсутствует. Гармоническое колебание U_ч(t) выделяется полосовым усилителем 25 и поступает на первый вход фазового детектора 26, на второй вход которого подается опорное напряжение U_o(t) с выхода полосового фильтра 8. Если указанные напряжения отличаются друг от друга по частоте или фазе, то на выходе фазового детектора 26 образуется управляющее напряжение. Причем амплитуда и полярность этого напряжения зависят от степени и направления отклонения несущей частоты f_c принимаемого ФМн-сигнала относительно частот f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 4. Управляющее напряжение воздействует на гетеродин 3, изменяя его частоту f_г1 так, чтобы сохранялось симметричность несущей частоты f_c относительно частот f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 7
f_г2 - f_г1 = 2f_пр,
f_c - f_г1 = f_г2 - f_c = f_пр.

Напряжение U_н(γ) с выхода фазового детектора 17 поступает на вход фазовращателя 27 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение

Это напряжение поступает на вход квадратора 28, на выходе которого образуется напряжение
U₆(γ) = V2н

•sin²(2πf_прτ_o-Δϕ_o)
Одновременно напряжение U_н(γ) с выхода фазового детектора 17 поступает на вход квадратора 30, на выходе которого образуется напряжение
U₇(γ) = V2н•cos²(2πf_прτ_o-Δϕ_o)
Это напряжение поступает на вход квадратора 31, на выходе которого образуется напряжение
U₈(γ) = V4н•cos⁴(2πf_прτ_o-Δϕ_o)
Напряжение U₆(γ) и U₇(γ) поступают на два входа масштабирующего перемножителя 29, на выходе которого образуется напряжение

Напряжение U₈(γ) и U₉(γ) поступают на два входа вычитателя 32, на выходе которого формируется напряжение

Напряжение U₆(γ) с второго выхода квадратора 28 поступает на вход квадратора 33, на выходе которого образуется напряжение
U₁₁(γ) = V4н•sin⁴(2πf_прτ_o-Δϕ_o)
Напряжение U₁₀(γ) и U₁₁(γ) поступают на два входа сумматора 34, на выходе которого формируется напряжение

которое фиксируется регистратором 35.

Описанная выше работа пеленгатора соответствует случаю приема ФМн-сигналов по основному каналу на частоте f_c.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f_з1 или по второму зеркальному каналу на частоте f_з2 или по любому комбинационному каналу, то после преобразования по частоте он выделяется усилителем 5.1 или 6.1 промежуточной частоты. При этом напряжение будет присутствовать только на выходе порогового блока 13 или 14. Блок 15 совпадения не срабатывает, ключ 16 не открывается, опорное напряжение не подается на фазовый детектор 17 и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому f_з1 или второму f_з2 зеркальным каналам, по первому f_к1 или второму f_к2 или по другим комбинационным каналам, подавляется.

Если ложные сигналы (помехи) принимаются одновременно по первому f_з1 и второму f_з2 зеркальным каналам, то блок 15 совпадения срабатывает и ключ 16 открывается. При этом опорное напряжение U_o(t) поступает на первый вход фазового детектора 17. Однако на второй вход фазового детектора 17 в этом случае напряжение не подается. Это объясняется тем, что канальные напряжения образуются разными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных зеркальных частотах f_з1 и f_з2. Между канальными напряжениями существует слабая корреляционная связь. Выходное напряжение коррелятора не превышает порогового уровня V_пор2 в пороговом блоке 23, ключ 24 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по зеркальным каналам на частотах f_з1 и f_з2, подавляются.

По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по другим дополнительным каналам.

Если полезный ФМн-сигнал принимается по основному каналу на частоте f_c, то блок 15 совпадения срабатывает, ключ 16 открывается и опорное напряжение U_o(t) поступает на первый вход фазового детектора 17. В этом случае канальные напряжения U_пр1(t) и U_пр2(t) образуются одним и тем же сигналом и между ними существует сильная корреляционная связь. Выходное напряжение коррелятора превышает пороговый уровень V_пор2 в пороговом блоке 23, ключ 24 открывается и полезный ФМн-сигнал поступает на сигнальный вход фазового детектора 17.

Таким образом, предлагаемый пеленгатор обеспечивает точное и однозначное определение пеленга γ_o на источник излучения фазоманипулированных сигналов фазовым методом, которому свойственно противоречие между точностью пеленгации и однозначностью отсчета угловой координаты γ_o. Действительно, согласно формуле
Δϕ = 2πd/λsinγ_o,
пеленгатор тем чувствительнее к изменению пеленга γ_o, чем больше относительный размер базы d/λ. Но с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты γ_o, при котором разность фаз Δϕ превосходит значение π, то есть наступает неоднозначность отсчета. В предлагаемом пеленгаторе повышение точности пеленгации обеспечивается увеличением относительного размера измерительной базы, а возникающая при этом неоднозначность отсчета устраняется корреляционной обработкой принимаемых ФМн-сигналов.

Корреляционной обработкой принимаемых ФМн-сигналов обеспечивается и повышение помехоустойчивости путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Предлагаемый пеленгатор обеспечивает также значительное повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов. Это достигается реализацией следующего алгоритма:
cos⁴Δϕ-6cos²Δϕ•cos²Δϕ+sin⁴Δϕ = cos⁴Δϕ,
который позволяет в 4 раза увеличить измеряемый фазовый сдвиг по сравнению с исходным фазовым сдвигом.

Кроме того, предлагаемый пеленгатор обеспечивает возможность проведения измерений в широком диапазоне фазовых сдвигов, начиная с весьма малых.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для обнаружения, приема, пеленгации и анализа фазоманипулированных (ФМн) сигналов на фоне помех. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение чувствительности пеленгатора при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым пеленгам на источник излучения сигналов. Пеленгатор содержит приемники 1 и 2, гетеродины 3 и 4, смесители 5, 6 и 7, усилители 5.1 и 6.1 промежуточной частоты, полосовой фильтр 8, амплитудные детекторы 9 и 10, интеграторы 11 и 12, пороговые блоки 13, 14 и 23, блок 15 совпадения, ключи 16 и 24, фазовые детекторы 17 и 26, умножитель 18 частоты на два, блок 19 задержки, перемножитель 20, усилители 21 и 25, фазовращатель 27 на 90^o, квадраторы 28, 30, 31 и 33, масштабирующий перемножитель 29, вычитатель 32, сумматор 34 и регистратор. 2 ил.

Пеленгатор, содержащий последовательно включенные первый приемник, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый амплитудный детектор, первый интегратор, первый пороговый блок, блок совпадения, первый ключ и первый фазовый детектор, последовательно включенные второй приемник, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, второй усилитель промежуточной частоты, второй амплитудный детектор, второй интегратор и второй пороговый блок, выход которого соединен с вторым входом блока совпадения, последовательно подключенные к выходу первого гетеродина третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и полосовой фильтр, выход которого соединен с вторым входом первого ключа, последовательно подключенные к выходу первого усилителя промежуточной частоты умножитель частоты на два, второй усилитель и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом полосового фильтра, а выход подключен к первому гетеродину, последовательно подключенные к выходу второго усилителя промежуточной частоты блок задержки, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, фильтр нижних частот, третий пороговый блок и второй ключ, второй вход которого через первый усилитель соединен с выходом перемножителя, а выход подключен к второму входу первого фазового детектора, отличающийся тем, что в него введены фазовращатель на 90^o, четыре квадратора, масштабирующий перемножитель, вычитатель, сумматор и регистратор, причем к выходу первого фазового детектора последовательно подключены фазовращатель на 90^o, первый квадратор, масштабирующий перемножитель, второй вход которого через второй квадратор соединен с выходом первого фазового детектора, вычитатель, второй вход которого через третий квадратор соединен с выходом второго квадратора, сумматор, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с вторым выходом первого квадратора, и регистратор.