ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01S3/46 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения местоположения источников излучения сложных сигналов.

Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2003131, 2006872, 2010258, 2012010, 2134429, 2155352, 2175770; Кинкулькин И.Е. и др. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. Радио, 1979; Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова. М.: Сов. радио, 1967, с.134-138, рис.2.3.9 и другие).

Из известных технических решений наиболее близкими к предлагаемым являются фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления (Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова. М.: Сов. радио, 1967, с.134-138, рис.2.3.9), которые и выбраны в качестве прототипов.

При фазовом способе пеленгации разность фаз Δϕ сигналов, принимаемых двумя разнесенными в пространстве антеннами, определяется выражением

Δϕ=2π·d/λ·Sinα,

где d - расстояние между разнесенными антеннами (измерительная база);

λ - длина волны;

α - угол прихода радиоволн относительно нормали к базе.

Однако известному фазовому способу пеленгации и фазовому пеленгатору для его осуществления свойственно противоречие между требованиями к точности измерений и однозначности отсчета угла α. Действительно, согласно вышеуказанной формуле, фазовый способ и фазовый пеленгатор тем чувствительнее к изменению угла α, чем больше относительный размер базы d/λ. Но с ростом d/λ уменьшается значение угловой координаты α, при котором разность фаз Δϕ превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета.

Технической задачей изобретения является устранение противоречия между требованиями к точности измерения и однозначности отсчета угла при фазовом способе пеленгации источников излучения сложных сигналов.

Поставленная задача решается тем, что согласно фазовому способу пеленгации, основанному на приеме сигналов на две антенны, удаленные друг от друга на расстоянии d, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Ω, сигнал, принимаемый неподвижной антенной, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала.

Поставленная задача решается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну и первый приемник, второй приемник, вторую приемную антенну, последовательно включенные фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор и индикатор, снабжен опорным генератором, генератором импульсов, электронным коммутатором, n приемными антеннами, размещенными по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, двумя перемножителями, двумя полосовыми фильтрами, линией задержки, вторым и третьим фазовыми детекторами, причем к первому выходу опорного генератора последовательно подключены генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n антенн, размещенных на окружности, второй приемник, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линия задержки и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход подключен к фазовращателю на 90°, а второй вход первого фазового детектора соединен с вторым выходом опорного генератора, к выходу первого приемника последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, к выходу первого полосового фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора.

Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый фазовый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1, 2.i (i=1, 2, ..., n) и источника излучения сигнала N показано на фиг.2.

Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, смеситель 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилитель 13 промежуточной частоты, первый перемножитель 14, первый полосовой фильтр 15, линию задержки 16, второй фазовый детектор 17, фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5, и индикатор 10. К первому выходу опорного генератора 5 последовательно подключены генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i (i=1, 2, ..., n), размещенных на окружности радиусом d, и второй приемник 4, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя 14. К выходу первого полосового фильтра 15 последовательно подключены второй перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен к второму входу индикатора 10.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Принимаемые сложные сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн):

U₁(t)=υ_c·Cos[(ω_с±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_с],

U₂(t)=υ_c·Cos[(ω_c±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_c+2π·d/λ·Cos( Ωt-α)], 0≤t≤T_c,

где υ_c, ω_с, ϕ_c, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами;

ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, причем ϕ_k(t)=const при k·τ_э<t<(k+1)·τ_э и может изменяться скачком при t=k·τ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, ..., N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_c (Т_с=N·τ_э);

d - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 2.i (i=1, 2, ..., n), (измерительная база);

Ω - скорость электронного вращения приемных антенн 2.i (i=1, 2, ..., n) вокруг приемной антенны 1;

α - пеленг (азимут) на источник излучения сигнала;

с выходов приемных антенн 1, 2.i (i=1, 2, ..., n) непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3 и 4, а затем на первые входы смесителя 12 и перемножителя 14 соответственно. На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение

U_г(t)=υ_г·Cos (ω_гt+ϕ_г),

где υ_г, ω_г, ϕ_г - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

U_пр(t)=υ_пр·Cos[(ω_пр±Δω)t+ϕ_k(t)+ϕ_пр], 0≤t≤Т_с,

где υ_пр=1/2K₁·υ_с·υ_г;

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр=ω_с-ω_г - промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_г,

которое подается на второй вход перемножителя 14. На выходе перемножителя 14 образуется фазомодулированное (ФМ) колебание на частоте ω_г гетеродина 11

U₃(t)=υ₃·Cos[ω_гt+ϕ_г+2π·d/λ·Cos( Ωt-α)], 0≤t≤Т_с,

где υ₃=1/2К₂·υ_c·υ_пр;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется полосовым фильтром 15 и поступает на первые входы фазового детектора 17, линии задержки 16 и перемножителя 18. На второй вход последнего подается напряжение U_г(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение

U₄(t)=υ₄·Cos[2π·d/λ·Cos( Ωt-α)], 0≤t≤Т_с,

где υ₄=1/2К₂·υ₃·υ_г,

которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20. На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение

U₀(t)=υ₀·Cos Ωt

На выходе фазового детектора 20 образуется постоянное напряжение

U_н1(α)=υ_н1·Cosα,

где υ_н1=1/2К₃·υ₄·υ₀;

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора,

которое фиксируется индикатором 10. Так формируется шкала пеленгации, которая является точной, но неоднозначной шкалой.

Одновременное фазомодулированное колебание U₃(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии задержки 16 и фазового детектора 17.

В фазомодулированном напряжении U₃(t) величина m_ϕ=2π·d/λ, называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы от нулевого значения, происходящего при электронном вращении приемных антенн 2.i (i=1, 2, ..., n) вокруг приемной антенны 1 (фиг.2).

Приемные антенны 2.i (i=1, 2, ..., n) поочередно с частотой Ω коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазным генератором 6 импульсов. Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5

U₀(t)=υ₀·Cos Ωt

Однако при d/λ>1/2 наступает неоднозначность отсчета угла α. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазового пеленгатора. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения d/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.

В связи с изложенным соображением возникает задача уменьшения индекса фазовой модуляции без уменьшения относительного размера измерительной базы d/λ. Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U₃(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки τ линии 16 задержки выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины

m_ϕ1=2π·d₁/λ,

где d₁<d,

при которой справедливо неравенство

d₁/λ<1/2,

обеспечивающее однозначную пеленгацию источника излучения сигнала. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоническое напряжение

U₅(t)=υ₅·Cos( Ωt-α), 0≤t≤Т_c,

где υ₅=1/2К₃·υ₃ ²,

которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение U₀(t). На выходе фазового детектора 9 образуется постоянное напряжения

U_н2(α)=υ_н2·Sinα,

где υ_н2=1/2К₃·υ₅·υ₀,

которое фиксируется индикатором 10.

Так формируется шкала пеленгации, которая является грубой, но однозначной шкалой.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают повышение точности пеленгации источника излучения сложных сигналов. Это достигается увеличением измерительной базы d. А возникающая при этом неоднозначность отсчета угловой координаты α устраняется применением n приемных антенн 2.i (i=1, 2, ..., n), которые устанавливаются в азимутальной плоскости по окружности с радиусом d (измерительная база) с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и автокорреляционной обработкой принимаемых сложных сигналов.

Причем предлагаемые технические решения инварианты к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов ввиду их модуляции (манипуляции) и ширине спектра, а полное и однозначное измерение угловой координаты α осуществляется на частоте Ω опорного генератора.

За счет свертки спектра сложного ФМн-сигнала он преобразуется в узкополосное фазомодулированное (ФМ) напряжение, что дает возможность выделить его с помощью полосового фильтра, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность частотно-фазового пеленгатора при сравнительно низком отношении сигнал/шум.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения местоположения источников излучения сложных сигналов. Технической задачей изобретения является устранение противоречия между требованиями к точности измерения и однозначности отсчета угла при фазовом способе пеленгации источников излучения сложных сигналов. Фазовый пеленгатор, реализующий предлагаемый фазовый способ пеленгации, содержит приемные антенны, приемники и опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, фазовращатель на 90°, фазовые детекторы и индикатор, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, перемножители и полосовые фильтры и линию задержки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фазовый способ пеленгации, основанный на приеме сигналов, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, отличающийся тем, что устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Q вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Q, сигнал, принимаемый антенной, размещенной в центре окружности, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Q и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Q, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала.2. Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну и первый приемник, второй приемник, последовательно включенные фазовращатель на 90°, первый фазовый детектор и индикатор, отличающийся тем, что он снабжен опорным генератором, генератором импульсов, электронным коммутатором, n приемными антеннами, размещенными по окружности радиусом d с возможностью вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, двумя перемножителями, двумя полосовыми фильтрами, линией задержки, вторым и третьим фазовыми детекторами, причем к первому выходу опорного генератора последовательно подключены генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с n выходами антенн, размещенных по окружности, второй приемник, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линия задержки и второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход подключен к фазовращателю на 90°, второй вход первого фазового детектора соединен со вторым выходом опорного генератора, к выходу первого приемника последовательно подключены смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого соединен со вторым входом первого перемножителя, к выходу первого полосового фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а выход подключен ко второму входу индикатора.