ВСЕНАПРАВЛЕННЫЙ РАДИОПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2003 года по МПК G01S3/54 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля, а также 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 дискретно-сканирующих антенных систем или не менее трех всенаправленных антенн [1, 2].

Известный радиопеленгатор [1] содержит несколько антенн, которые установлены по окружности на заданных интервалах друг от друга, коммутатор, последовательно переключающий антенны, два приемника, два ограничителя, фазовый детектор, генератор синусного и косинусного сигналов, две схемы умножения выходного сигнала на сигналы генератора, 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 не обеспечивает моноимпульсное пеленгование коротких радиосигналов (длительностью от десятых долей мкс до единиц мкс).

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа всенаправленный радиопеленгатор [2], содержащий три антенны, установленные по окружности на равном расстоянии друг от друга, три коммутатора, три приемника с общим гетеродином, генератор сигналов постоянной частоты, три ограничителя напряжений, блок формирования строба, три фазовращателя, девять фазовых детекторов, девять аналого-цифровых преобразователей, цифровое вычислительное устройство. Блок формирования строба содержит три компаратора напряжений, элемент И, одновибратор.

Основным недостатком этого пеленгатора является недостаточно высокая точность пеленгования - 0,6-0,7 ^o, что обусловлено низким (не более трех единиц) значением крутизны пеленгационной характеристики, определяемой как отношение изменения угла на выходе устройства при изменении направления прихода сигнала на 1^o. Для увеличения крутизны пеленгационной характеристики необходимо увеличить расстояние d между антеннами свыше половины минимальной длины волны пеленгуемых сигналов λ_mjn/2, что приведет к неоднозначности отсчета пеленга.

Техническая задача предлагаемого всенаправленного пеленгатора заключается в повышении точности пеленгования воздушных объектов за счет увеличения крутизны пеленгационной характеристики, что достигается увеличением расстояния между антеннами d до значения d = λ_mjn и устранением неоднозначности пеленгования в результате дополнительного определения направления приема сигналов в двух секторах от 0 до +180^o и от 90 до +90^o, измерения инструментальной ошибки пеленгования и применения алгоритма расчета, обеспечивающего однозначность и компенсацию инструментальной ошибки пеленгования.

Указанная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее три всенаправленные антенны, три приемника, имеющие общий гетеродин, вход каждого приемника соединен с соответствующей всенаправленной антенной, генератор сигналов постоянной частоты, преобразователь частоты, первый вход которого соединен с гетеродином, второй - с генератором сигналов постоянной частоты, три ограничителя напряжений, входы которых соединены с выходами сигналов промежуточной частоты приемников соответственно, блок формирования строба, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов первого, второго и третьего приемников соответственно, фазовращатель, вход которого соединен с выходом второго ограничителя напряжений, четыре фазовых детектора, первый вход первого фазового детектора соединен с выходом первого ограничителя напряжений, семь аналого-цифровых преобразователей напряжений, первый вход каждого из первых четырех аналого-цифровых преобразователей соединен с выходом соответствующего фазового детектора, вторые входы аналого-цифровых преобразователей соединены между собой и с выходом блока формирования строба, согласно изобретению дополнительно введены четвертая всенаправленная антенна, первые три из всенаправленных антенн геометрически расположены в углах равнобедренного треугольника, четвертая - в средине гипотенузы, выход видеосигнала второго приемника соединен с первым входом пятого аналого-цифрового преобразователя сигналов, электронный ключ, первый вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, управляющий вход - с входом Uупр устройства, выход - с четвертой всенаправленной антенной, две направленные в секторе от 0 до 180^o и от -90 до 90^o антенны, четвертый и пятый приемники, соединенные с общим гетеродином, входы четвертого и пятого приемников соединены с первой и второй направленными в секторе от 0 до 180^o и от -90 до 90^o антеннами соответственно, их выходы - с первым входом шестого и первым входом седьмого аналого-цифровых преобразователей соответственно, первый вход первого фазового детектора соединен с первым входом второго фазового детектора, первые входы третьего и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом третьего ограничителя напряжений, вторые входы первого и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом фазовращателя, вторые входы второго и третьего фазовых детекторов соединены с выходом второго ограничителя напряжений, программно-вычислительное устройство, обеспечивающее однозначность отсчета пеленга и компенсацию инструментальной ошибки пеленгования, каждый из семи входов программно-вычислительного устройства соединен с выходом каждого из семи аналого-цифровых преобразователей соответственно, вход управления - с управляющим входом устройства, выход программно-вычислительного устройства является выходом заявляемого устройства.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых элементов - четвертой всенаправленной антенны, двух направленных в секторе от 0 до 180 и от -90 до 90^o антенн, двух приемников, электронного ключа, программно-вычислительного устройства с соответствующими связями, новым алгоритмом работы программно-вычислительного устройства 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 взаимодействуют таким образом, что после настройки всенаправленного радиопеленгатора на требуемую частоту определяются значения разностей фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй, третьей и второй всенаправленными антеннами. Значения разностей фаз сигналов, принимаемых антеннами в секторе 360^o, изменяется в пределах ±2πd/λ, где отношение d/λ определяет крутизну пеленгационной характеристики, при этом значения разностей фаз, измеряемые всенаправленным радиопеленгатором, не превышают значения ±π, т.е. при d/λ>0,5 возникают области неоднозначности пеленгования. Устранение неоднозначности производится за счет одновременного пеленгования сигналов дополнительно в двух секторах от 0 до 180^o и от -90 до +90^o, затем по измеренным значениям разностей фаз в пределах ±π и факту наличия источника излучений в одном из указанных секторов в программно-вычислительном устройстве по специально разработанному алгоритму восстанавливаются исходные значения разностей фаз сигналов в пределах ±2πd/λ. При расчете значения пеленга источника излучений производится компенсация инструментальных ошибок пеленгования, которые измеряются в результате приема сигнала, излучаемого четвертой антенной перед началом и в эпизодически в ходе работы устройства.

Таким образом, изобретение для специалистов не следует явным образом из уровня техники и соответствует критерию "Изобретательский уровень".

Изобретение может использоваться в различных отраслях народного хозяйства и соответствует критерию "Промышленная применимость".

На фиг. 1 представлена структурная схема всенаправленного радиопеленгатора; на фиг.2 - чертеж геометрического расположения всенаправленных антенн на плоскости; на фиг.3 - зависимость измеряемых всенаправленным радиопеленгатором разностей фаз между сигналами, принимаемыми первой и второй, третьей и второй всенаправленными антеннами для значений λ, при которых d/λ=0,5 (фиг.3,а), и d/λ = 1 (фиг.3,б), на фиг.4 - алгоритм расчета пеленга программно-вычислительным устройством.

Устройство фиг.1 содержит четыре всенаправленные антенны 1-4, первые три из которых геометрически расположены в углах равнобедренного прямоугольного треугольника, четвертая - в середине гипотенузы, две направленные в секторе от 0^o до 180^o и от -90^o до 90^o антенны 5, 6 соответственно, пять приемников 7-11, имеющие общий гетеродин 12, вход каждого из приемников соединен с антеннами 1-6 соответственно, блок формирования строба 13, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов первого, второго и третьего приемников соответственно, три ограничителя напряжений 14-16, вход каждого из которых соединен с выходом сигналов промежуточной частоты приемников 7-9 соответственно, фазовращатель 17, четыре фазовых детектора 18-21, выход первого 14 ограничителя напряжений соединен с первыми входами первого 18 и второго 19 фазовых детекторов, выход третьего 16 ограничителя напряжений соединен с первыми входами третьего 20 и четвертого 21 фазовых детекторов, выход второго 15 ограничителя напряжений соединен с входом фазовращателя 17, вторыми входами второго и третьего фазовых детекторов, выход фазовращателя 17 соединен со вторыми входами первого 18 и четвертого 21 фазовых детекторов, семь аналого-цифровых преобразователей 22-28, первый вход каждого из первых четырех аналого-цифровых преобразователей 22-25 соединен с выходом соответствующего фазового детектора 18-21, каждый из первых входов аналого-цифровых преобразователей 26-28 соединен с выходом видеосигналов приемников 8, 10, 11 соответственно, вторые входы всех аналого-цифровых преобразователей 22-28 соединены между собой и с выходом блока формирования стробов 13, генератор сигналов постоянной частоты 29, преобразователь частоты 30, электронный ключ 31, выход которого соединен с четвертой всенаправленной антенной, первый вход - с выходом преобразователя частоты 30, первый вход которого соединен с гетеродином 12, второй - с генератором сигналов постоянной частоты 29, управляющий вход электронного ключа соединен с входом Uупр устройства, программно-вычислительное устройство 32, обеспечивающее однозначность и компенсацию инструментальных ошибок пеленгования, каждый из семи входов программно-вычислительного устройства соединен с выходом каждого из семи 22-28 аналого-цифровых преобразователей соответственно, восьмой вход - со входом управления устройства, выход программно-вычислительного устройства является выходом заявляемого устройства.

В качестве всенаправленных антенн могут быть использованы полуволновые вибраторы, рассчитанные на максимальную частоту приема, направленные в секторе от 0 до 180^o и от -90 до 90^o антенны могут быть реализованы на базе многолучевых антенных решеток [3]. Приемники являются известными устройствами и могут быть созданы согласно рекомендациям, высокочастотную их часть целесообразно выполнять на арсенид-галлиевых полевых транзисторах [4].В качестве гетеродина и преобразователя частоты могут быть использованы устройства согласно [5, 6]. Ограничители напряжений и генератор сигналов постоянной частоты могут быть выполнены на интегральных микросхемах 171УВ3, δКO347, 198-04ТУ и 174ГФ2 δКO374, 175-14ТУ [8] соответственно. Блок формирования строба выполнен, как указано в [2]. В качестве фазовращателя используется RC-цепочка. Фазовые детекторы выполняются на умножителях напряжений - интегральных микросхемах 525ПС3, 525ПС4, аналого-цифровые преобразователи - на элементах 11078ПВ1, 1107ПВ2 согласно рекомендациям [7]; программно-вычислительное устройство - на элементах микропроцессорной техники серии 1810 или с использованием ПЭВМ [9]. Рекомендации по использованию логических интегральных схем и элементов микропроцессорной техники даны в [7, 8]. Электронный ключ может быть выполнен на диодах 2 А 516, 2 А530 и др. [10].

Всенаправленный радиопеленгатор работает следующим образом. Определение направления прихода сигналов осуществляется в диапазоне частот от f_min до f_max в азимутальной плоскости в секторе 360^o фазовым методом по разностям фаз сигналов, принимаемых антеннами 1-3 (фиг.2). При этом второй радиоканал всенаправленного радиопеленгатора (всенаправленная антенна 2 - приемник 8 - ограничитель напряжений 15) является опорным, относительно которого измеряется разность фаз сигналов ϕ_j2, принимаемых антеннами 1 и 3 - 3 - ϕ₁₂, ϕ₃₂ соответственно. Значение ϕ_j2 зависит от направления прихода сигналов β относительно перпендикуляра, восстановленного к базе антенн 1, 2 (прямой, соединяющей эти антенны), углом между двумя перпендикулярами, восстановленными к базам антенн 1, 2 и 2, 3, который в заявляемом устройстве равен 90^o (фиг. 2), а также значений d, λ и угла места источника излучений γ, и может быть записано в виде:

Изменением частоты гетеродина 12 осуществляется настройка приемников 7-11 на пеленгуемые источники излучений. В приемниках 7-9 сигналы преобразуются по частоте, нормируются по амплитуде элементами 14-16 и поступают на фазовые детекторы 18-21 непосредственно. Для получения квадратурных составляющих разностей фаз сигналов ϕ₁₂ и ϕ₃₂ сигнал с выхода ограничителя напряжений 16 сдвигается по фазе на 90^o и подается на вторые входы фазовых детекторов 18, 21. На выходах фазовых детекторов 18-21 формируются низкочастотные напряжения U₁₈-U₂₁ вида:

где А - амплитуда напряжений с выхода фазовых детекторов, которая при отладке устройства устанавливается равной за счет подбора коэффициента передачи фазовых детекторов;
Δϕ₁₂, Δϕ₃₂ - паразитный набег фаз в первом и третьем каналах пеленгатора относительно второго соответственно.

Если в процессе расчета пеленга не учитывать значения Δϕ₁₂, Δϕ₃₂, то это приведет к возникновению инструментальной ошибки пеленгования.

Для ее устранения производится измерение значений Δϕ₁₂, Δϕ₃₂ следующим образом. По импульсному сигналу, поступающему по входу U_упк, устанавливается режим измерения инструментальной ошибки пеленгования, в котором открывается электронный ключ 31, и в пространство через антенну 4 излучится импульсное электромагнитное колебание на частоте f_и=f₁₂+f₂₉,
где f₁₂ - частота гетеродина 12;
f₂₉ - частота генератора 29, которая устанавливается постоянной и равной промежуточной частоте приемников 7-9.

В этом случае частота излучения f_и равна частоте пеленгуемого сигнала.

Так как антенна 4 равноудалена на расстояние от антенн 1, 3, то на них поступают синфазные сигналы. При этом напряжения U₁₈-U₂₁ на выходах фазовых детекторов примут вид U₁₈*-U₂₁*:

Цифровое значение этих напряжений с выходов аналого-цифровых преобразователей 18-21, формируемое по окончанию перепада напряжения на выходе блока формирования строба 13, поступает на программно-вычислительное устройство 32, в котором согласно алгоритму (фиг.4) в режиме измерения инструментальной ошибки пеленгования (блоки 1, 2) производится расчет значений Δϕ_j2 в пределах главного аргумента Δϕ*j2

(блок 3):

Определяется значение Δϕ_j2 в диапазоне от-π до π (блок 4) по формулам:

По окончанию импульса U_упк электронный ключ 31 запирается и всенаправленный радиопеленгатор переходит в рабочий режим, где в программно-вычислительном устройстве согласно алгоритму (блоки 5, 6) находятся значения (ϕ_j2+Δϕ_j2)^* и (ϕ_j2+Δϕ_j2) (по аналогии с Δϕ*j2 и Δϕ_j2 по формулам 4, 5), затем значение ϕ_j2к, в котором инструментальная ошибка пеленгования компенсирована в диапазоне от -π до π до (блок 7):

Полученные значения ϕ_j2к связаны со входной разностью фаз ϕ_j2 (1) следующими соотношениями:
ϕ_j2к = ϕ_j2, при |ϕ_j2|≤π; (7)
ϕ_j2к = ϕ_j2-2π, при |ϕ_j2|>π; (8)
ϕ_j2к = ϕ_j2+2π, при |ϕ_j2|<π. (9)
При значениях однозначность отсчета пеленга может быть достигнута в результате определения положения источника радиоизлучений в пределах градусной четверти по знакам зависимостей ϕ_12к(β) и ϕ_32к(β) (фиг.3,а).

Для случаев, когда определить четверть по выражениям 7 невозможно (см. фиг. 3,б). Поэтому для расчета β при априорно неизвестных значениях определение четверти производится на основе сравнения амплитуд сигналов, принимаемых антеннами 2, 5, 6, затем в пределах найденной четверти по знаку ϕ_j2к(β)(ϕ_j2к(β)>0 или ϕ_j2к(β)<0) выбирается одно из выражений 7-9, по которому на основе обратного преобразования по формулам (10-11) соответственно восстанавливается исходное значение зависимости ϕ_j2(β) (блок 8):
ϕ_j2 = ϕ_j2к; (10)
ϕ_j2 = ϕ_j2к+2π; (11)
ϕ_j2 = ϕ_j2к-2π; (12)
Сравнение значений амплитуд сигналов, поступающих на аналого-цифровые преобразователи 26-28 с каналов всенаправленного радиопеленгатора: вторая всенаправленная антенна 2 - приемник 8; направленная в секторе от 0 до 180^o антенна 5 - приемник 10; направленная в секторе от -90 до 90^o антенна 6 - приемник 11, производится в программно-вычислительном устройстве по условиям:




Превышение значений U₂₇, U₂₈ над уровнем U₂₆ при приеме сигналов в секторах от 0 до 180^o и от -90 до 90^o обусловлено направленными свойствами антенн 5 и 6 и выставляется в ходе настройки всенаправленного радиопеленгатора таким образом, что при приеме сигналов по главным лепесткам диаграмм направленности (ДН) антенн 5, 6 с направления 0^o U₂₇=U₂₆, с направления 90^o U₂₈=U₂₆; с направления 180^o U₂₇=U₂₆; с направления -90^o U₂₈=U₂₆. Пороговый уровень 5 для принятия решения об отсутствии сигнала зависит от уровня боковых и задних лепестков ДН U_min и задается как: Чтобы устранить "грубые" ошибки пеленгования в результате неправильного определения четверти в области 0 , 90, -90, ±180 ^o, если |ϕ₁₂(β)|<π/9 и ϕ₃₂(β)|<π/9, дополнительно устанавливается факт приема сигналов на границах четвертей по условиям:




Восстановление значений зависимостей ϕ_j2(β) производится согласно алгоритму в блоке 9 при выполнении условий 17-20 по формулам, представленным в таблице 1:
Если |ϕ₁₂|≥π/9 и |ϕ₃₂|≥π/9, восстановление значения зависимостей ϕ_j2(β) производится при выполнении условий 17-20 по формулам, представленным в таблице 2.

Окончательный расчет значений β по функциям ϕ_j2(β) производится в следующем порядке.

Рассчитывается значение β (блок 10) в пределах главного аргумента β_гл:

Определяется значение β в диапазоне от 0 до 360^o:

Предложенный алгоритм расчета не требует данных о значениях несущей частоты сигналов и положения источников излучений в угломестной плоскости.

Таким образом, сформулированная задача повышения точности пеленгования в два раза за счет увеличения крутизны пеленгационной характеристики решается с помощью предлагаемого устройства.

Источники информации
1. Радиопеленгатор, заявка 3-15991, МКИ G 01 S 3/54, Япония, опубл. 4.03.51, 6-400.

2. Всенаправленный радиопеленгатор, патент 2126978, МКИ G 01 S 3/54, RU, опубл. 27.02.99. Бюл. 6.

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

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

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

6. Балансный смеситель, а.с. 964967, МКИ H 03 D 7/1, опубл. 01.10.82, бюл. 37.

7. Б.Г. Федорков и др. Микроэлектронные цифроаналоговые преобразователи. М.: Радио и связь, 1984, с. 15-17, 77-83.

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

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

10. Переключатель СВЧ. АС 1596404, H 01 P 1/15, 07.05.88.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиотехнического контроля, а также в моноимпульсных радиолокационных станциях для определения азимута воздушных, надводных (наземных) объектов. Всенаправленный радиопеленгатор содержит четыре всенаправленные антенны 1-4, две направленные в секторе 0 - 180^o и от (-90) до (+90)^o антенны 5 и 6 соответственно, пять приемников 7-11, имеющие общий гетеродин 12, блок формирования строба 13, три ограничителя напряжений 14-16, фазовращатель 17, четыре фазовых детектора 18-21, семь аналого-цифровых преобразователей 22-28, генератор сигналов постоянной частоты 29, преобразователь частоты 30, электронный ключ 31, программно-вычислительное устройство 32. Достигаемым техническим результатом изобретения является увеличение точности пеленгования воздушных объектов. 2 табл., 4 ил.

Всенаправленный радиопеленгатор, содержащий три всенаправленные антенны, три приемника, имеющие общий гетеродин, вход каждого приемника соединен с соответствующей всенаправленной антенной, генератор сигналов постоянной частоты, преобразователь частоты, первый вход которого соединен с гетеродином, второй - с генератором сигналов постоянной частоты, три ограничителя напряжений, входы которых соединены с выходами сигналов промежуточной частоты приемников соответственно, блок формирования строба, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами видеосигналов первого, второго и третьего приемников соответственно, фазовращатель, вход которого соединен с выходом второго ограничителя напряжений, четыре фазовых детектора, первый вход первого фазового детектора соединен с выходом первого ограничителя напряжений, семь аналого-цифровых преобразователей напряжений, первый вход каждого из первых четырех аналого-цифровых преобразователей соединен с выходом соответствующего фазового детектора, вторые входы аналого-цифровых преобразователей соединены между собой и с выходом блока формирования строба, отличающийся тем, что в него введены четвертая всенаправленная антенна, первые три из всенаправленных антенн геометрически расположены в углах равнобедренного прямоугольного треугольника, четвертая - в середине гипотенузы, выход видеосигнала второго приемника соединен с первым входом пятого аналого-цифрового преобразователя сигналов, электронный ключ, первый вход которого соединен с выходом преобразователя частоты, управляющий вход - с управляющим входом устройства, выход - с четвертой всенаправленной антенной, две направленные в секторе 0-180^o и (-90)-(+90)^o антенны, четвертый и пятый приемники, соединенные с общим гетеродином, входы четвертого и пятого приемников соединены с первой и второй направленными в секторе 0-180^o и (-90)-(+90)^o антеннами соответственно, их выходы - с первым входом шестого и первым входом седьмого аналого-цифровых преобразователей соответственно, первый вход первого фазового детектора соединен с первым входом второго фазового детектора, первые входы третьего и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом третьего ограничителя напряжений, вторые входы первого и четвертого фазовых детекторов соединены с выходом фазовращателя, вторые входы второго и третьего фазовых детекторов соединены с выходом второго ограничителя напряжений, программно-вычислительное устройство, обеспечивающее однозначность отсчета пеленга и компенсацию инструментальной ошибки пеленгования, каждый из семи входов программно-вычислительного устройства соединен с выходом каждого из семи аналого-цифровых преобразователей соответственно, вход управления - с управляющим входом устройства, выход программно-вычислительного устройства является выходом заявляемого устройства.