ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2003 года по МПК G01S3/00 G01S3/46 

Предлагаемый пеленгатор относится к радиолокации, радионавигации и может быть использован для определения угловой координаты источника излучения фазоманипулированного (ФМН) сигнала.

Известны устройства для пеленгации источников излучения сигналов (авт. свид. СССР 164326, 558584, 1555695, 1591664, 1591665, 1602203, 1679872, 1730924, 1746807, 1832947; патенты РФ 2006872, 2003131, 2012010, 2010258, 2165628. 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. радио, 1979 и другие).

В качестве базового устройства выбран "Фазовый пеленгатор" (патент РФ 2165628, G 01 S 3/00, 2000).

Данный пеленгатор 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.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности пеленгатора при измерении малых фазовых сдвигов Δϕ, определяющих направление на источник излучения ФМН-сигнала.

Поставленная задача решается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, первый перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом первого приемника, первый узкополосный фильтр и первый фазовращатель на 90^o, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, второй перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом второго приемника, второй узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращателя на 90^o, и первый индикатор, последовательно подключенные к выходу второго приемника блок регулируемой задержки, третий перемножитель, 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, введены четыре квадратора, второй фазовращатель на 90^o, масштабирующий перемножитель, вычитатель и сумматор, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены первый квадратор, второй квадратор и сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого индикатора, к выходу фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90^o, третий квадратор, масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора, и вычитатель, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с выходом третьего квадратора, а выход подключен к второму входу сумматора.

Структурная схема предлагаемого фазового пеленгатора представлена на фиг.1. Пеленгационная характеристика изображена на фиг.2. Взаимное расположение приемных антенн и источника излучения ФМН-сигнала представлено на фиг. 3.

Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, первый перемножитель 5, второй вход которого также соединен с выходом первого приемника 3, первый узкополосный фильтр 7, первый фазовращатель 9 на 90^o, последовательно включенные вторую приемную антенну 2, второй приемник 4, второй перемножитель 6, второй вход которого также соединен с выходом второго приемника 4, второй узкополосный фильтр 8, фазовый детектор 10, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращателя 9 на 90^o, и первый индикатор 11, последовательно подключенные к выходу второго приемника 4 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 (к второму выходу которого подключен второй индикатор 16), последовательно подключенные к выходу фазового детектора 10 первый квадратор 19, второй квадратор 20 и сумматор 26 (выход которого соединен с вторым входом первого индикатора 11), последовательно подключенные к выходу фазового детектора 10 второй фазовращатель 21 на 90^o, третий квадратор 22, масштабирующий перемножитель 24 (второй вход которого соединен с выходом первого квадратора 19), и вычитатель 25, второй вход которого через четвертый квадратор 23 соединен с выходом третьего квадратора 22, а выход подключен к второму входу сумматора 26.

Фазовый пеленгатор работает следующим образом.

Принимаемые ФМН-сигналы:
U₁(t) = V₁(t)•cos[Wc·t+ϕ_к(t)+ϕ₁];

где V₁(t),V₂(t-τ),Wc,ϕ₁,ϕ₂,Tc - огибающие, несущая частота, начальные фазы 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_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующей функцией (кодом) M(t), причем ϕк(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 (К=1, 2,...N-1).

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс (Тс=N•τ_э);
с выходов приемных антенн 1 и 2 поступают на входы приемников 3 и 4 соответственно, где они усиливаются и ограничиваются по амплитуде:
U₃(t) = V₀•cos[Wc•t+ϕ_к(t)+ϕ₁],

где V₀ - 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) = V₁•cos[2Wc•t+2ϕ₁],
U₆(t) = V₁•cos[2Wc(t-τ)+2ϕ₂], 0≤t≤Tc,
где V₁ = 1/2K₁•V₀ ²;
K₁ - коэффициент передачи перемножителей, которые представляют собой вторые гармоники канальных напряжений.

Следует отметить, что ширина спектра Δfс принимаемых ФМН-сигналов определяется длительностью τ_э их элементарных посылок
Δfc = 1/τ_э,
тогда как ширина спектра вторых гармоник определяется длительностью Тс сигналов:
Δf₂ = 1/Tc.

Следовательно, при перемножении ФМН-сигналов самих на себя их спектр сворачивается в N раз
Δfc/Δf₂ = N.
Это обстоятельство позволяет выделить гармонические колебания U₅(t) и U₆(t) с помощью узкополосных фильтров 7 и 8, отфильтровав при этом 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 V₂ = 1/2К₂•V₁ ²; Δϕ = ϕ₂-ϕ₁;
К₂ - коэффициент передачи фазового детектора (фазового различителя).

Из приведенного соотношения видно, напряжение на выходе различителя зависит от угла γ, однако вследствие того что косинус - функция четная, знак U'вых(γ) 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 10 определяется выражением
U_вых(γ) = V₂•sin(2π•d/λsinγ) = V₂•sinΔϕ.
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 λ повышают крутизну K_γ, однако при этом возрастает неоднозначность отсчета угла γ.
Крутизна пеленгационной характеристики определяет величину зоны нечувствительности 2γ_min, при заданном значении шумов V_ш (фиг.2).

Число зон неоднозначности, т.е. областей, где разность фаз Δϕ изменяется на величину, равную 2π, определяется соотношением
n = 2d/λ.
Для однозначного отсчета необходимо выбрать n=1, т.е. выбрать измерительную базу d исходя из условия
d<λ/2.
Так формируется фазовая шкала отсчета угловой координаты γ, точная, но неоднозначная. Результаты измерений фиксируются индикатором 11.

Для повышения чувствительности пеленгатора при измерении малых значений фазового сдвига Δϕ используется принцип его "усиления", который основан на технической реализации алгоритма
cos⁴Δϕ-6cos²Δϕ•sin²Δϕ+sin⁴Δϕ = cos⁴Δϕ.
Напряжения U_вых(γ) = U₂•sinΔϕ с выхода фазового детектора 10 поступает на вход первого квадратора 19, на выходе которого образуется напряжение
U₇(t) = V22

•sin²Δϕ.
Это напряжение поступает на вход второго квадратора 20, на выходе которого формируется напряжение
U₈(t) = V42•sin⁴Δϕ.
Одновременно напряжение U_вых(γ) с выхода фазового детектора 10 поступает на вход фазовращателя 21 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
U₉(t) = V₂•sin(Δϕ+90^°) = U₂•cosΔϕ,
которое подается на вход третьего квадратора 22. На выходе последнего формируется напряжение
U₁₀(t) = V22•cos²Δϕ.
Это напряжение поступает на вход четвертого квадратора 23, на выходе которого формируется напряжение
U₁₁(t) = V42•cos⁴Δϕ.
Напряжения U₇(t) и U₁₀(t) с выходов квадраторов 19 и 22 соответственно поступают на два входа масштабирующего перемножителя 24, на выходе которого формируется напряжение
U₁₂(t) = 6•U₇(t)•U₁₀(t) = 6V42•sin²Δϕ•cos²Δϕ.
Напряжения U₁₁(t)и U₁₂(t) поступают на два входа вычитателя 25, на выходе которого формируется напряжение

Напряжения U₈(t)и U₁₃(t) поступают на два входа сумматора 26, на выходе которого формируется напряжение

Это напряжение фиксируется на втором входе первого индикатора 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
τ₀ = t₂-t₁,
где t₁, t₂ - время прохождения сигналом расстояний R₁ и R₂ от источника излучения до первой 1 и второй 2 приемных антенн.

Максимальное значение R(τ₀) корреляционной функции 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 τ₀ - введенная во второй канал задержка сигнала, соответствующая максимуму корреляционной функции R(τ₀).
Значение угловой координаты γ фиксируется вторым индикатором 16.

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

По существу измерительными шкалами измеряется полная разность фаз
ΔФ₁ = m+Δϕ,
где m - количество полных циклов измеряемой разности фаз, определяемое временной шкалой;
Δϕ - разность фаз, измеряемая фазовой шкалой (0≤Δϕ≤2π).
Таким образом, измеряемый фазовый сдвиг Δϕ, определяющий направление на источник излучения ФМН-сигнала, в 4 раза больше, чем исходный фазовый сдвиг. Тем самым в предлагаемом фазовом пеленгаторе по сравнению с прототипом и другими известными устройствами обеспечивается повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих направлению на источник излучения ФМН-сигналов.

Предлагаемый пеленгатор относится к радиолокации, радионавигации и может быть использован для определения угловой координаты источника излучения фазоманипулированного (ФМН) сигнала. Фазовый радиопеленгатор содержит первую 1 и вторую 2 приемные антенны, первый 3 и второй 4 приемники, первый 5, второй 6 и третий 14 перемножители, первый 7 и второй 8 узкополосные фильтры, первый 9 и второй 21 фазовращатели на 90^o, фазовый детектор 10, первый 11 и второй 16 индикаторы, коррелятор 12, блок 13 регулируемой задержки, фильтр 15 нижних частот, экстремальный регулятор 17, измерительный прибор 18, первый 19, второй 20, третий 22 и четвертый 23 квадраторы, масштабирующий перемножитель 24, вычитатель 25 и сумматор 26. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение чувствительности пеленгатора при измерении малых фазовых сдвигов, определяющих направление на источнике излучения ФМН-сигнала. 3 ил.

Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, первый перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом первого приемника, первый узкополосный фильтр и первый фазовращатель на 90^o, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй приемник, второй перемножитель, второй вход которого также соединен с выходом второго приемника, второй узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого фазовращателя на 90^o, и первый индикатор, последовательно подключенные к выходу второго приемника 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, отличающийся тем, что в него введены четыре квадратора, второй фазовращатель на 90^o, масштабирующий перемножитель, вычитатель и сумматор, причем к выходу фазового детектора последовательно подключены первый квадратор, второй квадратор и сумматор, выход которого соединен с вторым входом первого индикатора, к выходу фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90^o, третий квадратор, масштабирующий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого квадратора, и вычитатель, второй вход которого через четвертый квадратор соединен с выходом третьего квадратора, а выход подключен к второму входу сумматора.