ФАЗОВЫЙ РАДИОПЕЛЕНГАТОР Российский патент 2007 года по МПК G01S3/48 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для определения угловых координат источника непрерывного гармонического радиосигнала.

Известны фазовые радиопеленгаторы (авт. свид. СССР №№164.326, 558.584, 1.555.695, 1.591.664, 1.591.665, 1.600.203, 1.679.872, 1.730.924, 1.746.807, 1.832.947; патенты РФ №№2.006.872, 2.003.131, 2.012.010, 2.010.258, 2.138.061; патент США №3.633.205; патенты Франции №№2.344.849, 2.569.856; патент Германии №2.710.955; Кинкулькин И.Е. и др. «Фазовый метод определения координат». М.: Сов. радио, 1979 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Фазовый радиопеленгатор» (патент РФ №2.138.061, G01S 3/48, 1998), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный радиопеленгатор обеспечивает однозначное измерение угла прихода плоской электромагнитной волны в пределах -π/2÷π/2, при этом антенны разнесены на расстояние, существенно превышающее рабочую длину волны. В фазовом радиопеленгаторе, содержащем три антенны, три приемника, два фазометра, каждый из которых состоит из фазового детектора и фазовращателя на 90°, для вычисления угла прихода электромагнитной волны используется не длина баз, а разность их длин, для чего в пеленгатор введены два дополнительных фазовых детектора и блок логической обработки сигналов.

Недостатком известного фазового радиопеленгатора является невысокая точность измерения пеленга из-за неидентичности приемных каналов. Это объясняется тем, что реальные приемники и другие элементы, входящие в состав приемных каналов, имеют отличающиеся характеристики.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения пеленга путем устранения неидентичности приемных каналов.

Поставленная задача решается тем, что фазовый радиопеленгатор, содержащий три антенны, три приемника, два фазометра, каждый из которых состоит из последовательно включенных фазовращателя на 90° и фазового детектора, третий и четвертый фазовые детекторы и блок логической обработки, при этом выходы антенн подключены ко входам соответствующих приемников, входы первого фазовращателя на 90° и второго фазового детектора соединены с выходом второго приемника, выход каждого фазового детектора подключен к соответствующему входу блока логической обработки, выход которого является выходом радиопеленгатора, разность длин баз соответствует соотношению

Δb=λ/4Sinα₀,

где λ - длина волны,

α₀ - заданная граница сектора однозначности,

а длина баз ограничена снизу допустимым уровнем взаимного влияния антенн, снабжен калибратором, двумя регулируемыми фазовращателями, тремя узкополосными фильтрами, тремя амплитудными детекторами, двумя вычислителями, двумя фильтрами нижних частот, четырьмя усилителями, пятым и шестым фазовыми детекторами, причем выход калибратора подключен к вторым входам приемников, к выходу первого приемника последовательно подключены первый регулируемый фазовращатель, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый вычитатель, первый фильтр нижних частот и первый усилитель, выход которого соединен с третьим входом первого приемника, к выходу второго приемника последовательно подключены второй узкополосный фильтр и второй амплитудный детектор, первый выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, к выходу третьего приемника последовательно подключены второй регулируемый фазовращатель, третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, второй вычитатель, второй вход которого соединен с вторым выходом второго амплитудного детектора, второй фильтр нижних частот и второй усилитель, выход которого соединен с третьим входом третьего приемника, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый фазовый детектор и третий усилитель, выход которого соединен с вторым входом первого регулируемого фазовращателя, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой фазовый детектор и четвертый усилитель, выход которого соединен с вторым входом второго регулируемого фазовращателя, вторые входы пятого и шестого фазовых детекторов соединены с выходом второго узкополосного фильтра, вторые входы первого и третьего фазовых детекторов соединены с выходом первого регулируемого фазовращателя, вторые входы второго фазовращателя на 90° и четвертого фазового детектора соединены с выходом второго регулируемого фазовращателя.

Структурная схема предлагаемого фазового радиопеленгатора представлена на фиг.1. Структурная схема блока логической обработки изображена на фиг.2.

Фазовый радиопеленгатор содержит последовательно включенные антенну 1, первый приемник 4, первый регулируемый фазовращатель 25, первый узкополосный фильтр 27, первый амплитудный детектор 30, первый вычитатель 33, первый фильтр 35 нижних частот и первый усилитель 37, выход которого соединен с третьим входом приемника 4, последовательно включенные антенну 2, второй приемник 5, второй узкополосный фильтр 28 и второй амплитудный детектор 31, первый вход которого соединен с вторым входом вычитателя 33. последовательно включенные антенну 3, третий приемник 6, второй регулируемый фазовращатель 26, третий узкополосный фильтр 29, третий амплитудный детектор 32, второй вычитатель 34, второй вход которого соединен с вторым выходом амплитудного детектора 31, второй фильтр 36 нижних частот и второй усилитель 38, выход которого соединен с третьим входом приемника 6. Вторые входы приемников 4-6 соединены с выходом калибратора 24. К выходу узкополосного фильтра 27 последовательно подключены пятый фазовый детектор 39 и третий усилитель 41, выход которого соединен с вторым входом регулируемого фазовращателя 25. К выходу узкополосного фильтра 29 последовательно подключены шестой фазовый детектор 40 и четвертый усилитель 42, выход которого соединен с вторым входом регулируемого фазовращателя 26. Вторые входы фазовых детекторов 39 и 40 соединены с выходом узкополосного фильтра 28. К выходу приемника 5 последовательно подключены фазовращатель 11 на 90° и первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с выходом регулируемого фазовращателя 25. К выходу регулируемого фазовращателя 26 последовательно подключены второй фазовращатель 12 на 90° и второй фазовый детектор 10, второй вход которого соединен с выходом приемника 5. К выходу приемника 5 подключен третий 13 (четвертый 14) фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого 25 (второго 26) регулируемого фазовращателя. Выходы фазовых детекторов 9, 10, 13 и 14 подключены к блоку 15 логической обработки. Последовательно включенные первый фазовращатель 11 на 90° и первый фазовый детектор 9 образуют первый фазометр 7. Последовательно включенные второй фазовращатель 12 на 90° и второй фазовый детектор 10 образуют второй фазометр 8.

Блок 15 логической обработки содержит следующие элементы: сумматоры 16 и 17 напряжений, вычитатели 18 и 19 напряжений, компаратор 20 абсолютных величин, управляемые двухпозиционные ключи 21 и 22, делитель 23 напряжений. Первый вход первого сумматора 16 и неинвертирующий вход первого вычитателя 18 объединены и подключены к выходу фазового детектора 13. Второй вход сумматора 16 и инвертирующий вход вычитателя 18 объединены и подключены к выходу фазового детектора 9. Второй вход сумматора 17 и неинвертирующий вход вычитателя 19 объединены и подключены к выходу фазового детектора 10. Выход сумматора 16 подключен к первому входу компаратора 20 и к первому входу 21.1 первого ключа 21. Выход сумматора 17 соединен со вторым входом компаратора 20 и со вторым входом 21.2 ключа 21. Выход компаратора 20 соединен с управляющими входами ключей 21 и 22. Выход вычитателя 19 соединен с первым входом 22.1 второго ключа 22. Выход вычитателя 18 соединен со вторым входом 22.2 ключа 22. Выход каждого из ключей 21, 22 соединен с соответствующим входом делителя 23 напряжений. При этом выход ключа 22 соединен со входом делителя 23, предназначенным для делимого напряжения (x), а выход ключа 21 соединен со входом делителя 23, предназначенным для подачи напряжения, на которое осуществляется деление (y). Таким образом, на выходе делителя 23 получается отношение x/y. Особенностью компаратора 20 является то, что в нем сначала определяются модули поданных на его входы напряжений, а затем производится сравнение этих модулей друг с другом. Сравнение модулей напряжений осуществляется благодаря тому, что на входе схемы сравнения установлен диодный мост. Ключи 21, 22 и компаратор 20 настраиваются так, что в случае, когда модуль выходного напряжения сумматора 16 больше или равен модулю выходного напряжения сумматора 17, с выхода компаратора 20 на управляющие входы ключей 21 и 22 поступает напряжение, при котором выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 1 (соответственно 21.1 и 22.1). В противном случае выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 2 (соответственно 21.2 и 22.2). Принципиальные схемы входящих в блок 15 логической обработки каскадов могут быть реализованы с помощью общеизвестных принципов и технических средств.

Конструктивные особенности фазового радиопеленгатора заключаются в следующем.

Антенны 1, 2, 3 устанавливаются на одной линии так, чтобы оси симметрии их диаграмм направленности были перпендикулярны линии установки, при этом базы b₁ и b₂ отличаются на величину

Δb=λ/4Sinα₀,

где λ - длина волны,

α₀ - граничное значение сектора измеряемых углов.

Минимальная длина баз ограничена условием наименьших заданных искажений характеристик антенн и составляет единицы или десятки длин волн, при этом максимальная длина практически не ограничена, так как приходящий волновой фронт можно считать локально плоским. Приемники 4, 5, 6 системой комплексной идентификации делаются идентичными. В качестве фазовых детекторов 9, 10, 13, 14, 39 и 40 могут быть использованы перемножитель напряжений, на выходе которых установлены фильтры нижних частот.

Для устранения неидентичности приемных каналов используется комплексная (амплитудно-фазовая) система идентификации, которая использует гармонический калибровочный сигнал, формируемый калибратором 24, частота ω_k которого отличается от несущей частоты ω_c принимаемых сигналов на некоторую величину Δω(Δω=ω_c-ω_k). При малой величине Δω калибровочный сигнал несет информацию о неидентичности приемных каналов на несущей частоте ω_с в силу корреляции близких значений частотных характеристик.

Если на входы трех приемных каналов подать одинаковые по амплитуде и фазе калибровочные сигналы, то на их выходах из-за разных комплексных коэффициентов передачи сигналы будут отличаться. При этом разность амплитуд выходных калибровочных сигналов используется для управления модулем коэффициента передачи каждого приемника, а разность фаз - для управления фазовым сдвигом в приемных каналах. Причем второй приемный канал используется в качестве опорного канала.

Фазовый радиопеленгатор работает следующим образом.

На вторые входы приемников 4, 5 и 6 с выхода калибратора 24 поступает калибровочный гармонический сигнал на частоте ω_k, которая незначительно отличается от несущей частоты ω_с принимаемых сигналов. С выходов приемников 4, 5 и 6 калибровочные сигналы выделяются узкополосными фильтрами 27, 28 и 29 и после детектирования в амплитудных детекторах 30, 31 и 32 поступают на вычитатели 33 и 34 системы амплитудной идентификации. При неравенстве модулей коэффициентов передачи приемных каналов (K₁≠K₂, K₃≠K₂) на частоте ω_k на выходах вычитателей 33 и 34 появляются напряжения (положительные или отрицательные), которые через фильтры 35 и 36 и усилители 37, 38 воздействуют на третьи (управляющие) входы приемников 4 и 6, изменяя их коэффициенты передачи таким образом, что напряжения на выходах вычитателей 33 и 34 стремятся к нулю. При этом коэффициенты передачи приемников 4 и 6 оказываются практически одинаковыми и равными коэффициенту передачи второго (опорного) приемника 5 на частоте ω_k калибровочного сигнала (K₁=K₃=K₂=K).

С выходов узкополосных фильтров 27, 28 и 29 калибровочные сигналы поступают на систему фазовой идентификации, состоящую из фазовых детекторов 39, 40, усилителей 41, 42 и регулируемых фазовращателей 25, 26. При наличии фазовой неидентичности приемных каналов на выходах фазовых детекторов 39, 40 образуются напряжения (положительные или отрицательные), которые через усилители 41, 42 соответственно воздействуют на вторые (управляющие) входы регулируемых фазовращателей 25, 26, изменяя фазовые сдвиги калибровочных сигналов таким образом, что выходные напряжения фазовых детекторов 39, 40 стремятся к нулю. Так достигается фазовая идентификация приемных каналов.

Наличие сильной корреляции между модулями коэффициентов передачи и между их аргументами на частотах информационного ω_с и калибровочного ω_k сигналов позволяет утверждать практическое равенство модулей коэффициентов передачи и равенство их аргументов на несущей частоте.

При действии на антенны 1, 2, 3 плоской электромагнитной волны, приходящей под углом α к нормам относительно линии расположения антенн, на выходах фазовых детекторов 9, 10 образуются следующие напряжения:

υ₉=υ·Sin[2πb₁Sinα/λ];

υ₁₀=υ·Sin[2πb₂Sinα/λ],

a на выходах фазовых детекторов 13, 14 образуются следующие напряжения:

υ₁₃=υ·Cos[2πb₁Sinα/λ];

υ₁₄=υ·Cos[2πb₂Sinα/λ].

Так как каналы приема идентичны за счет действия комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации, напряжение υ в записанных формулах одно и то же. Базы b₂ и b₁ выполнены неоднозначными, при этом одна из баз, например b₂, больше, чем b₁ (фиг.1).

Требуемая однозначная пеленгационная характеристика F(α) может быть получена, если использовать следующие алгоритмы обработки напряжений υ₉, υ₁₀, υ₁₃, υ₁₄:

F₁(α)=υ₁₀-υ₉/υ₁₃+υ₁₄;

F₂(α)=υ₁₃-υ₁₄/υ₉+υ₁₀;

причем в силу тригонометрических соотношений

F₁(α)≡F₂(α).

В блоке 15 логической обработки в сумматоре 16 вычисляется знаменатель первого алгоритма, а в сумматоре 17 - знаменатель второго алгоритма. Числитель первого алгоритма определяется в вычитателе 19, а числитель второго алгоритма - в вычитателе 18. В компараторе 20 блока 15 логической обработки определяются и сравниваются между собой модули выходных напряжений сумматоров 16 и 17, то есть сравниваются между собой модули знаменателей первого и второго алгоритмов.

Если модуль знаменателя первого алгоритма больше или равен модулю знаменателя второго алгоритма, то с выхода компаратора 20 на управляющие входы ключей 21 и 22 поступает напряжение, при котором выходы ключей соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 1. При этом в делителе 23 напряжений рассчитывается пеленгационная характеристика по первому алгоритму.

Если же модуль знаменателя первого алгоритма меньше модуля знаменателя второго алгоритма, то выходы ключей 21 и 22 по управляющему сигналу компаратора 20 соединяются с соответствующими клеммами, имеющими индекс 2. В этом случае пеленгационная характеристика в делителе 23 напряжений рассчитывается в соответствии со вторым алгоритмом.

Таким образом удается избавиться от неоднозначности измерений, которая могла возникнуть из-за использования измерительных баз, размеры которых превышают рабочую длину волны, а также исключена неопределенность вида 0/0, возникающая при использовании только одного первого или одного второго алгоритма.

В итоге на выходе делителя 23 напряжений согласно алгоритму

формируется пеленгационная характеристика

F(α)=tq[π(b₂-b₁)·Sinα/λ].

Разность измерительных баз (b₂-b₁) определяется величиной сектора измеряемых углов

Δb=b₂-b₁=λ/4Sinα₀.

Если выбрать Δb=λ/4, то шкала пеленгатора будет однозначной в пределах - π/2<α<π/2.

Таким образом, несмотря на то, что измерительные базы неоднозначны, на выходе блока 15 логической обработки формируется однозначная шкала в широком секторе углов.

Следовательно, предлагаемый фазовый радиопеленгатор по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения пеленга. Это достигается устранением неидентичности приемных каналов за счет применения комплексной (амплитудно-фазовой) системы идентификации.

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для определения угловых координат источника непрерывного гармонического радиосигнала. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности измерения пеленга путем устранения неидентичности приемных каналов. Фазовый радиопеленгатор содержит антенны, приемники, фазометры, фазовые детекторы, фазовращатели на 90°, блок логической обработки для формирования пеленгационной характеристики и однозначной шкалы измерения пеленга, калибратор, регулируемые фазовращатели, узкополосные фильтры, амплитудные детекторы, вычитатели, фильтры нижних частот, усилители, соединенные определенным образом. При этом указанный блок логической обработки содержит сумматоры, вычитатели напряжений, компаратор, ключи, делитель напряжений, также соединенные определенным образом. 2 ил.

Фазовый радиопеленгатор, содержащий три антенны, три приемника, два фазометра, каждый из которых состоит из последовательно включенных фазовращателя на 90° и фазового детектора, третий и четвертый фазовые детекторы и блок логической обработки для формирования пеленгационной характеристики и однозначной шкалы измерения пеленга, при этом выходы антенн подключены ко входам соответствующих приемников, входы первого фазовращателя на 90° и второго фазового детектора соединены с выходом второго приемника, к выходу второго приемника подключены первые входы третьего и четвертого фазовых детекторов, выход каждого фазового детектора подключен к соответствующему входу блока логической обработки для формирования пеленгационной характеристики и однозначной шкалы измерения пеленга, выход которого является выходом радиопеленгатора, разность длин баз соответствует соотношению

Δb=λ/4Sinα₀,

где λ - длина волны,

α₀ - заданная граница сектора однозначности измеряемых углов,

а минимальная длина баз ограничена допустимым уровнем взаимного влияния антенн, отличающийся тем, что он снабжен калибратором, двумя регулируемыми фазовращателями, тремя узкополосными фильтрами, тремя амплитудными детекторами, двумя вычитателями, двумя фильтрами нижних частот, четырьмя усилителями, пятым и шестым фазовыми детекторами, причем выход калибратора подключен к вторым входам приемников с возможностью обеспечения на выходах приемников сигналов с частотой Δω=(ω_с-ω_k), где ω_с - частота несущего сигнала, ω_k - частота калибровочного сигнала, к выходу первого приемника последовательно подключены первый регулируемый фазовращатель, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый вычитатель, первый фильтр нижних частот и первый усилитель, выход которого соединен с третьим входом первого приемника с возможностью изменения коэффициента передачи первого приемника, к выходу второго приемника последовательно подключены второй узкополосный фильтр и второй амплитудный детектор, первый выход которого соединен с вторым входом первого вычитателя, к выходу третьего приемника последовательно подключены второй регулируемый фазовращатель, третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, второй вычитатель, второй вход которого соединен с вторым выходом второго амплитудного детектора, второй фильтр нижних частот и второй усилитель, выход которого соединен с третьим управляющим входом третьего приемника с возможностью изменения коэффициента передачи третьего приемника, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый фазовый детектор и третий усилитель, выход которого соединен с вторым входом первого регулируемого фазовращателя, к выходу третьего узкополосного фильтра последовательно подключены шестой фазовый детектор и четвертый усилитель, выход которого соединен с вторым входом второго регулируемого фазовращателя, вторые входы пятого и шестого фазовых детекторов соединены с выходом второго узкополосного фильтра, вторые входы первого и третьего фазовых детекторов соединены с выходом первого регулируемого фазовращателя, вторые входы второго фазовращателя на 90° и четвертого фазового детектора соединены с выходом второго регулируемого фазовращателя.