РАДИОПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2005 года по МПК G01S3/10 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в радиоразведке, радиолокации и радионавигации для определения направления на источник излучения или отражения радиоволн.

Известно большое многообразие схем радиопеленгаторов, например типовая из них (аналог) описана в [1] (см. В.А.Чердынцев. "Радиотехнические системы", "Вышэйшая школа", 1988, 365 с., с.197, рис.8.3).

Известный радиопеленгатор реализует амплитудный суммарно-разностный метод измерения угла и включает в себя две разнесенные на некоторую базу антенны, два приемных канала, блок суммирования, блок вычитания сигналов каналов и блок формирования отношения сигналов.

Недостаток аналога - сравнительно невысокая точность пеленгации.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является амплитудный моноимпульсный радиопеленгатор суммарно-разностного типа с обострением диаграммы направленности (см. [3] П.И.Дудник "Моноимпульсные радиолокационные устройства", с.69, рис.54 в сборнике "Итоги науки и техники", серия "Радиотехника", ТЗ "Радиолокация и радионавигация". - М., 1972, 400 с.).

Известный радиопеленгатор содержит антенную систему в составе зеркала и первого и второго облучателей, смещенных из фокуса, суммарно-разностный преобразователь в составе суммирующего и вычитающего устройств, причем первые входы этих устройств связаны с первым облучателем, а вторые входы со вторым облучателем, последовательно включенные с выходом суммирующего устройства, приемник, детектор огибающей и видеоусилитель суммарного канала обработки, последовательно включенные с выходом вычитающего устройства приемник, детектор огибающей и видеоусилитель разностного канала обработки, схему вычитания, связанную первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов обработки, ограничитель отрицательных сигналов, связанный входом с выходом схемы вычитания, а выход ограничителя является выходом радиопеленгатора.

Принцип измерения угловых координат источников излучения или отражения радиоволн в известном радиопеленгаторе реализуется путем одновременного сравнения огибающих принятых сигналов на две смещенные относительно равносигнального направления на угол α_см диаграммы направленности. Суммарно-разностный преобразователь формирует суммарную и разностную диаграммы направленности и соответствующие сигналы при приеме. Эти сигналы, каждый в своем канале, усиливаются на радиочастоте, детектируются, усиливаются на видеочастоте и подаются на схему вычитания, обеспечивающую уменьшение ширины и обострение результирующей пеленгационной характеристики.

Недостаток прототипа - сравнительно невысокая точность пеленгации. Можно показать и это будет сделано далее, что ширина результирующей пеленгационной характеристики при колокольной аппроксимации диаграммы направленности и уровне пересечения диаграмм, соответствующем 0.8 от максимальной мощности, для известного пеленгатора определяется соотношением

где α_{0,5р пр} - ширина пеленгационной характеристики по уровню половинной мощности;

K₁, К₂ - коэффициенты усиления суммарного и разностного каналов соответственно;

α_0,5р - ширина исходной характеристики направленности антенны по уровню половинной мощности.

Точность пеленгации в общем случае [10] зависит от формы пеленгационной характеристики, ее ширины, отношения сигнал/шум на входе измерителя и характеризуется среднеквадратической погрешностью

где К_{ф пр}=0,3-0,6 - коэффициент, зависящий от формы пеленгационной характеристики. Принимаем К_{ф пр}=0,3;

q - отношение сигнал/шум по мощности.

Как следует из (2), точность измерения помимо ширины исходной диаграммы направленности существенно зависит от отношения и формально значения σ_{α пр} при K₂≫K₁ могут быть сколь угодно малыми.

Однако на самом деле значение К₂ не может существенно превышать K₁, поскольку при вычитании шумы разностного канала начинают компенсировать полезный сигнал, особенно это характерно для относительно слабых сигналов. Поэтому практически K₁˜K₂ и величина среднеквадратической погрешности пеленгации в существенной мере определяются шириной характеристики направленности антенны α_0,5р, которая во многих случаях является значительной, и не может быть уменьшена по конструктивным соображениям, особенно на подвижных средствах пеленгации.

Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в сужении области отсчета параметра при определении пеленга на источник излучения или отражения радиоволн.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности пеленгации.

Технический результат достигается тем, что в известный радиопеленгатор, содержащий антенную систему в составе зеркала и первого и второго облучателей, смещенных из фокуса, суммарно-разностный преобразователь в составе суммирующего и вычитающего устройств, причем первые входы этих устройств связаны с первым облучателем, а вторые входы со вторым облучателем, последовательно включенные с выходом суммирующего устройства приемник, детектор огибающей и видеоусилитель суммарного канала обработки, последовательно включенные с выходом вычитающего устройства приемник, детектор огибающей и видеоусилитель разностного канала обработки, схему вычитания, связанную первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов обработки, ограничитель отрицательных сигналов, связанный входом с выходом схемы вычитания, согласно изобретению введены усилитель, связанный входом с выходом ограничителя отрицательных сигналов, схема суммирования, связанная первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов соответственно, и устройство сравнения, связанное первым и вторым входами с выходом усилителя и схемы суммирования соответственно, а выход устройства сравнения является выходом радиопеленгатора.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в получении узкой области отсчета параметра из сигналов пересечения и объединения, которые формируются из входных сигналов и жестко связаны этой областью.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами графического материала. На фиг.1 представлена структурная схема радиопеленгатора. На фиг.2, 3, 4, 5 показаны зависимости амплитуд сигналов от угла отклонения источника пеленгации от равносигнального направления для различных точек схемы. На фиг.6, 7 изображены аналогичные зависимости в условиях действия шума, полученные в результате моделирования на ПЭВМ работы заявляемого устройства.

Радиопеленгатор (фиг.1) содержит антенную систему 1 в составе зеркала и первого и второго облучателей, смещенных из фокуса, суммарно-разностный преобразователь 2 в составе суммирующего 3 и вычитающего устройств 4, причем первые входы этих устройств связаны с первым облучателем, а вторые входы со вторым облучателем, последовательно включенные с выходом суммирующего устройства приемник 5, детектор огибающей 6 и видеоусилитель 7 суммарного канала обработки 8, последовательно включенные с выходом вычитающего устройства приемник 9, детектор огибающей 10 и видеоусилитель 11 разностного канала обработки 12, схему вычитания 13, связанную первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов обработки соответственно, ограничитель отрицательных сигналов 14, связанный входом с выходом схемы вычитания, усилитель 15, связанный входом с выходом ограничителя отрицательных сигналов, схему суммирования 16, связанную первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов соответственно, и устройство сравнения 17, связанное первым и вторым входами с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и схемы суммирования соответственно. Выход устройства сравнения является выходом пеленгатора.

Принцип действия предлагаемого изобретения заключается в следующем. Антенная система 1 формирует две диаграммы направленности за счет смещения облучателей из фокуса F₁(α) и F₂(α) фиг.2. Диаграммы пересекаются на равносигнальном направлении (РСН). Угол смещения каждой из диаграмм относительно РСН определяется соотношением

Значение коэффициента К_см выбирается из условия пересечения диаграмм на определенном уровне мощности. Для более эффективного использования энергии сигнала этот уровень следует выбрать равным 0,8-0,9 от уровня максимальной мощности. Тогда для колокольной аппроксимации диаграммы направленности этому будет соответствовать

Принимаемые от источника излучения сигналы на выходах облучателей антенной системы будут

где U_m - амплитуда сигнала;

Δα - угловое смещение источника пеленгации относительно РСН;

ω₀ - угловая частота.

Полагаем, что диаграммы одинаковы F₁(α)=F₂(α)=F(α).

В суммарно-разностном преобразователе 2 производится суммирование в устройстве 3 и вычитание в устройстве 4 поступивших сигналов. После преобразователя суммарный сигнал на входе приемника 5 суммарного канала 8 имеет вид

Разностный сигнал на входе приемника 9 разностного канала 12 соответственно будет

На выходе приемника (после смесителя и усилителя промежуточной частоты (УПЧ)) сигналы преобразуются к виду

где ω_пр - частота настройки УПЧ.

После детектирования и усиления сигналы на выходе видеоусилителей 7, 11 суммарного 8 и разностного каналов 12 соответственно будут

где К_УПЧ1, К_УПЧ2 K_q1, K_q2, К_ВУС1, К_ВУС2 - коэффициенты усиления (передачи) УПЧ, детекторов и видеоусилителей каналов.

Перепишем (11) и (12), объединив коэффициенты усиления

где K₁ и K₂ - коэффициенты усиления суммарного и разностного каналов соответственно.

Зависимости амплитуд сигналов от углового отклонения относительно РСН при К₁=К₂, U_m=1 (или суммарная F_∑(α) и разностная FΔ(α) диаграммы) на выходе каналов приведены на фиг.3. Далее огибающие сигналов поступают одновременно на схемы вычитания 13 и суммирования 16. Следует заметить, как показано в [9], что реализация операции суммирования над продетектированным суммарным и разностным сигналами эквивалентна взятию математической операции объединения. Обозначим ее знаком "∪", а вычитания над этими же сигналами - операции пересечения двух процессов - "∩".

На выходе схем суммирования 16 и вычитания 13 соответственно будем иметь

При получении (15) и (16) приняли U_m=1.

Характер зависимостей амплитуд сигналов на выходе указанных схем от величины углового смещения относительно РСН или при K₁=К₂=1 диаграммы пересечения F_∩(α) и объединения F_∪(α) показаны на фиг.4. Как видно из чертежа эти диаграммы совпадают только в одной точке, точке соответствующей экстремумам диаграмм (на равносигнальном направлении). Для всей остальной области углов α диаграммы объединения и пересечения существенно отличаются (см. фиг.4). Именно это принципиально присущее такой обработке свойство независимо от амплитуды принимаемого сигнала позволяет использовать его для достижения существенного выигрыша в точности пеленгации по сравнению с известными устройствами. Для дальнейшего анализа разложим функцию F(α_см±Δα) в ряд Тейлора и отбросим члены, порядок малости которых два и выше. После преобразований получим

где F'(α) - первая производная функции F(α) в точке α≈α_см.

Ограничитель отрицательных сигналов 14 обеспечивает, как и в известном устройстве, исключение боковых лепестков пеленгационной характеристики. После прохождения сигнала u_∩(Δα) через усилитель 15 получим

где С≥1 - значение коэффициента усиления усилителя. Наконец, в устройстве сравнения производится сравнение сигналов (19) и (17) (пересечения и объединения) с фиксацией момента их равенства u_∩c(α)≥u_∪(α). Выходной сигнал устройства сравнения и будет представлять собой результирующую пеленгационную характеристику радиопеленгатора

или

Заметим, что выходной сигнал в известном пеленгаторе характеризует выражение (18) в заявляемом (21). Определим в общем виде ширину пеленгационной характеристики на уровне половинной мощности в обоих случаях.

Для этого примем u_∩(Δα)=0,, тогда Δα≈α_{0,5р пр}. Получим для известного радиопеленгатора

Для заявляемого пеленгатора из выражения (21) найдем Δα и, удвоив его, определим ширину пеленгационной характеристики в виде

Оценим выигрыш в ширине пеленгационной характеристики, который обеспечивается заявляемым устройством по сравнению с прототипом. Для этого найдем отношение значений ширины пеленгационных характеристик

Как видно из (24) выигрыш определяется значением коэффициента усиления С усилителя 15. Например, с учетом практической реализации при С=1,2 η≥5, а для С=1,1 η≥10, т.е. ширина пеленгационной характеристики заявляемого устройства может быть уже, чем известного примерно на порядок.

Из (23) следует, что при С→1 пеленгационная характеристика вырождается в прямую линию (α_0,5рз→0). Выбор рабочего значения коэффициента усиления усилителя С определяется уровнем собственных шумов или помех и связан также с требуемыми значениями помехоустойчивости и точности пеленгации.

При С>1 экстремумы F_∩c(α) и F_∪(α) перекрываются. Степень перекрытия определяется значением С, а результирующая пеленгационная характеристика F_p(α) на выходе устройства сравнения 17 имеет прямоугольную форму с треугольной вершиной, фиг.5. Здесь показаны: F_∩c(α) - диаграмма пересечения на выходе усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (первом входе устройства сравнения), F_∪(α) - диаграмма объединения на втором входе устройства сравнения и F_p(a) - результирующая пеленгационная характеристика на выходе устройства сравнения 17.

Точность измерения пеленга заявляемого радиопеленгатора, характеризуемая среднеквадратической погрешностью в соответствии с (2) с учетом (23), имеет вид

где К_фз<1 - коэффициент, учитывающий форму пеленгационной характеристики заявляемого радиопеленгатора.

Соответственно для известного пеленгатора (прототипа) получим

Для получения сравнительной оценки можно принять, что К_фз=К_фпр. Тогда из сопоставления (26) и (25) можно сделать вывод о том, что предлагаемый радиопеленгатор обеспечивает выигрыш точности пеленгации в соответствии с (24) примерно на порядок.

Оценим на конкретном примере возможности предлагаемого пеленгатора. Для этого зададимся колокольной диаграммой направленности антенны по мощности, как наиболее часто используемой на практике, в виде

Тогда первая производная от F(α) имеет вид

В дальнейшем используется модульное значение F'(α). Примем уровень пересечения диаграмм для формирования РСН 0,8 от уровня максимальной мощности, тогда, исходя из (4), α_см=0,28 α_0,5p. Положим также одинаковыми усиления каналов K₁=К₂ и совпадающими коэффициенты формы К_фз=К_фпр=0,3. Подставив (27) и (28) в (22), (23), (25), (26), получим

а) для заявляемого радиопеленгатора

б) для известного радиопеленгатора

Примем значение коэффициента усиления С=1, 2, тогда

Сравнение (33), (34) с (31), (32) подтверждает полученное ранее значение выигрыша в точности измерения угла заявляемого устройства по сравнению с известным.

Для проверки работоспособности заявляемого радиопеленгатора и полученных оценок было проведено математическое моделирование на ПЭВМ. В качестве аппроксимирующей диаграмму направленности функции использовалось выражение (27). Ширина характеристики по уровню половинной мощности принята α_0,5р=11,4°; уровень пересечения диаграмм 0,8; С=1, 2.

Получены следующие значения ширины пеленгационной характеристики:

для заявляемого пеленгатора α_0,5рз=1,4°;

для известного пеленгатора α_{0,5р пр}=6,7°.

Теоретическая оценка в соответствии с (33) и (31) дает α_0,5рз=1,3°, α_{0,5р пр}=7,3°. Оценка выигрыша по результатам моделирования в ширине пеленгационной характеристики и, соответственно, точности измерения заявляемого пеленгатора по сравнению с известным составляет для принятых условий 4,8 раза, что вполне согласуется с теоретической оценкой (5,6 раза). По сравнению с исходной характеристикой этот выигрыш в обоих случаях более чем в 8 раз. Таким образом, решение с такой совокупностью признаков, как у заявляемого, а именно введение новых элементов и связей: усилителя, связанного входом с выходом ограничителя отрицательных сигналов, схемы суммирования, связанной первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов обработки соответственно, и устройства сравнения, связанного первым и вторым входами с выходами усилителя и схемы суммирования соответственно, является новым неизвестным в существующих радиопеленгаторах, обеспечивает достижение положительного эффекта, заключающегося в существенном улучшении точности измерения угла и поэтому удовлетворяет критерию "изобретательская новизна".

Подчеркнем в связи с этим, что в предлагаемом радиопеленгаторе имеет место новый путь решения задачи улучшения характеристик по сравнению с известными, который заключается в реализации формирования и сравнения результатов "пересечения" и "объединения" двух процессов. Сигналы "пересечения" и "объединения" жестко связаны между собой некоторой общей областью, ширина которой определяет потенциальную точность измерения. Эта область остается узкой даже при существенной деформации исходных характеристик. На фиг.6 и 7 приведены диаграммы пересечения F_∪(α), объединения F_∩с(α) и результирующая характеристика F_p(α) в условиях действия стационарного шума. Причем результаты моделирования, представленные на фиг.7, иллюстрируют практическое отсутствие изменений результирующей характеристики при существенной деформации сигнала в одном из каналов.

Анализ известных технических решений показывает, что заявленное изобретение благодаря признакам, определившим путь достижения технического результата, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и соответствует требованию изобретательского уровня.

Приведем примеры, доказывающие возможность практической реализации предлагаемого радиопеленгатора, поскольку схема строится на типовых, известных и технологически отработанных элементах.

Антенная система 1 может быть выполнена в виде зеркальной параболической антенны со смещенными из фокуса облучателями по типу описанной в [4] (с.14, рис.2.1).

Суммарно-разностный преобразователь 2 может быть реализован в виде четырехплечевого кольцевого суммарно-разностного моста по типу описанного в [4] (с.44, рис.3.8).

Суммарный 8 и разностный 12 каналы в составе приемника 5 (9), детектора огибающей 6 (10), видеоусилителя 7 (11) могут быть выполнены по стандартной схеме радиолокационного приемника простых сигналов, описанной в [5] (с.405, рис.14.1), с общим гетеродином для обоих каналов.

Схема вычитания 13 и схема суммирования 16 могут быть выполнены по обычной схеме усилителей на два входа или с прямым и инверсным входами по типу описанных в [6] (с.77, рис.3.2).

Ограничитель отрицательных сигналов 14 может быть реализован по схеме диодного ограничителя, см., например, [5] (с.207, рис.8.5).

Усилитель 15 может представлять собой обычный резистивно-емкостный видеоусилитель с регулировкой коэффициента усиления в цепи коллектора, см., например, [5] (с.270, рис.10.1).

Устройство сравнения 17 может быть реализовано различными способами. Например, как устройство деления совместно с пороговой схемой на основе умножителя компенсационного типа на операционных усилителях (см. [7] (с.134, рис.5.10), либо в цифровом виде после соответствующего аналого-цифрового преобразования на основе комбинационного устройства сравнения цифровых слов (см. [8] (с.228, рис.2.14 б, в).

Литература

1. В.А.Чердынцев. Радиотехнические системы. - Минск, "Вышэйшая школа", 1988, 365 с.

2. Н.М.Царьков. Многоканальные радиолокационные измерители. - М., Сов. радио, 1980, 192 с.

3. П.И.Дудник. Моноимпульсные радиолокационные устройства. В сб. "Итоги науки и техники", серия Радиотехника. Т.3. - М., 1972, 400 с. (прототип).

4. А.И.Леонов, К.И.Фомичев. Моноимпульсная радиолокация. - М., Радио и связь, 1984, 311 с.

5. М.К.Белкин, В.Г.Белинский, Ю.А.Мазор, P.M.Терещук. Справочник по учебному проектированию приемо-усилительных устройств. - К., Выща школа, 1988, 472 с.

6. А.Г.Алексеенко. Применение прецезионных аналоговых интегральных микросхем. - М., Радио и связь, 1981, 354 с.

7. А.П.Голубков, А.Д.Далматов, А.П.Лукошкин, Ю.В.Мазин и др. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Уч. пос. для радиотехн. спец. вузов. - М., Высш. шк., 1984, 335 с.

8. В.И.Корнейчук, В.П.Тарасенко, Ю.Н.Мишинский. Вычислительные устройства на микросхемах. Справочник. - К., Техника, 1986, 252 с.

9. В.И.Гордиенко, С.Е.Дубровский, Р.И.Рюмшин, Д.В.Фенев. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации. Радиоэлектроника (известия вузов), 1998, № 3, с.12-20.

10. Д.Бартон, Г.Вард. Справочник по радиолокационным измерениям. Пер. с англ. под ред. М.М.Вейсбейна, - М., Сов. радио, 1976, 392 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиоразведки, радиолокации и радионавигации для определения направления на источник излучения или отражения радиоволн. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности пеленгации. Указанный результат достигается за счет введения усилителя, связанного входом с выходом ограничителя отрицательных сигналов, схемы суммирования, связанной первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов и устройства сравнения, связанного первым и вторым входами с выходом усилителя. Сущность изобретения заключается в формировании сигналов «пересечения» и «объединения», жестко связанных общей областью, определяющей момент отсчета измеряемого параметра. 7 ил.

Радиопеленгатор, содержащий антенную систему в составе зеркала и первого и второго облучателей, смещенных из фокуса, суммарно-разностный преобразователь в составе суммирующего и вычитающего устройств, причем первые входы этих устройств связаны с первым облучателем, а вторые входы со вторым облучателем, последовательно включенные с выходом суммирующего устройства приемник, детектор огибающей и видеоусилитель суммарного канала обработки, последовательно включенные с выходом вычитающего устройства приемник, детектор огибающей и видеоусилитель разностного канала обработки, схему вычитания, связанную первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов обработки соответственно, ограничитель отрицательных сигналов, связанный входом с выходом схемы вычитания, отличающийся тем, что в него введены усилитель, связанный входом с выходом ограничителя отрицательных сигналов, схема суммирования, связанная первым и вторым входами с выходами видеоусилителей суммарного и разностного каналов соответственно, и устройство сравнения, связанное первым и вторым входами с выходом усилителя и схемы суммирования соответственно, а выход устройства сравнения является выходом радиопеленгатора.