ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01S3/46 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источника излучения сложных сигналов.

Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.134.429, 2.155.352, 2.175.770, 2.290.658, 2.311.656; патенты Германии №№2.127.087, 2.710.955; патенты Великобритании №№1.395.599, 1.598.325; 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.130-138, и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ №2.290.658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.

Указанные технические решения устраняют противоречие между требованиями к точности измерения и однозначности отсчета угловой координаты α.

Недостатком известных способов и устройства является низкая чувствительность и точность при измерении малых угловых координат α источников излучения сложных сигналов.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и точности при измерении малых угловых координат источников излучения сложных сигналов.

Поставленная задача решается тем, что фазовый способ пеленгации, основанный в соответствии с ближайшим аналогом 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°, 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 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 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, отличается от ближайшего аналога тем, что напряжение, пропорциональное синусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° напряжение и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени и исходное напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из сдвинутого по фазе на 90° напряжения четвертой степени и суммируют его с исходным напряжением четвертой степени, напряжение, пропорциональное косинусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, исходное напряжение второй степени и сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из исходного напряжения четвертой степени и суммируют его с сдвинутым по фазе на 90° напряжением четвертой степени.

Поставленная задача решается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90° и первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра 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 также индикатор, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен вторым и третьим фазовращателями на 90°, восемью квадраторами, двумя масштабирующими перемножителями, двумя вычитателями и двумя сумматорами, причем к выходу первого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, первый квадратор, второй квадратор, первый вычитатель, второй вход которого через первый масштабирующий перемножитель соединен с выходами первого и третьего квадраторов, и первый сумматор, выход которого соединен с первым входом индикатора, к выходу первого фазового детектора последовательно подключены третий квадратор и четвертый квадратор, выход которого соединен с вторым выходом первого сумматора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены пятый квадратор, шестой квадратор, второй вычитатель, второй вход которого через второй масштабирующий перемножитель соединен с выходами пятого и седьмого квадраторов, и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом индикатора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены третий фазовращатель на 90°, седьмой квадратор и восьмой квадратор, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора.

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 радиоизлучений ИРИ 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, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, первый фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5. 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 5. К выходу первого фазового детектора 9 последовательно подключены второй фазовращатель 21 на 90°, первый квадратор 22, второй квадратор 23, первый вычитатель 27, второй вход которого через первый масштабирующий перемножитель 26 соединен с выходами первого 22 и третьего 24 квадраторов, и первый сумматор 28, выход которого соединен с первым входом индикатора 10. К выходу первого фазового детектора 9 последовательно подключены третий квадратор 24 и четвертый квадратор 25, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 28. К выходу третьего фазового детектора 20 последовательно подключены пятый квадратор 30, шестой квадратор 31, второй вычитатель 35, второй вход которого через второй масштабирующий перемножитель 34 соединен с выходами пятого 30 и седьмого 32 квадраторов, и второй сумматор 36, выход которого соединен с вторым входом индикатора 10. К выходу третьего фазового детектора 20 последовательно подключены третий фазовращатель 29 на 90°, седьмой квадратор 32 и восьмой квадратор 33, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 36.

Предлагаемый фазовый способ пеленгации реализуют следующим образом.

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

U₁(t)=υ_с·Cos[(ω_c±Δω)t+φ_k(t)+φ_c],

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, T_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 T_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).

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≤T_c,

где υ_пр=1/2·υ_c ·υ_г;

ω_пр=ω_с-ω_г - промежуточная 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≤T_c,

где υ₃=1/2·υ_c·υ_пр,

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_r(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение

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

где υ₄=1/2·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·CosΩt.

На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение

U_н1(α)=υ_н1 ·Cosα,

где υ_н1=1/2·υ₄ ·υ₀.

Это напряжение поступает на вход пятого квадратора 30, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение U_н1(α).

На выходе квадратора 30 образуется напряжение

U₅(α)=υ_н1 ² ·Cos²α,

которое поступает на вход шестого квадратора 31. На выходе последнего образуется напряжение

U₆(α)=υ_н1 ⁴ ·Cos⁴α.

Одновременно напряжение U_н1(α) с выхода фазового детектора 20 поступает на вход фазовращателя 29 на 90°, на выходе которого формируется напряжение

U₇(α)=υ_н1 ·Cos(α+90°)=-υ_н1 ·Sinα.

Это напряжение поступает на вход седьмого квадратора 32, на выходе которого образуется напряжение

U₈(α)=υ_н1 ² ·Sin²α.

Это напряжение поступает на вход восьмого квадратора 33, на выходе которого образуется напряжение

U₉(α)=υ_н1 ⁴ ·Sin⁴α.

Напряжения U₅(α) и U₈(α) с выходов квадраторов 30 и 32 поступают на два входа масштабирующего перемножителя 34, масштабирующий коэффициент которого выбирается равным 6 (К_м=6). На выходе масштабирующего перемножителя 34 формируется напряжение

U₁₀(α)=6·U₅(α)·U₈(α)=6·υ_н1 ² ·Cos²α·Sin²α.

Напряжения U₆(α) и U₁₀(α) с выходов квадратора 31 и масштабирующего перемножителя 34 соответственно поступают на два входа вычитателя 35, на выходе которого формируется напряжение

U₁₁(α)=U₆(α)-U₁₀(α)=υ_н1 ⁴ ·Cos⁴α-6·υ_н1 ² ·Cos²α·Sin²α.

Напряжения U₉(α) и U₁₁(α) с выходов квадратора 33 и вычитателя 35 соответственно поступают на два входа сумматора 36, на выходе которого формируется напряжение

U₁₂(α)=υ_н1 ⁴ ·Cos⁴α-6·υ_н1 ² ·Cos²α·Sin²α+υ_н1 ⁴ ·Sin²α=υ_н1 ⁴ ·Cosα.

Это напряжение поступает на второй вход индикатора 10. Так формируется точная, но неоднозначная шкала отсчета угловой координаты α.

Одновременно 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 mφ=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 ·CosΩt.

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 задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины

mφ₁=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

U₁₃(t)=υ₁₃ ·Cos(Ωt-α), 0≤t≤T_c,

где υ₁₃=1/2·υ₃ ²,

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

U_н2(α)=υ_н2 ·Sinα,

где υ_н2=1/2·υ₁₃ ·υ₀,

которое поступает на вход второго фазовращателя 21 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

U₁₄(α)=υ_н2 ·Sin(α+90°)=υ_н2 ·Cosα.

Это напряжение поступает на вход первого квадратора 22, на выходе которого образуется напряжение

U₁₅(α)=υ_н2 ² ·Cos²α.

Это напряжение поступает на вход второго квадратора 23, на выходе которого образуется напряжение

U₁₆(α)=υ_н2 ⁴ ·Cos⁴α.

Одновременно напряжение U_н2(α) c выхода фазового детектора 9 поступает на вход третьего квадратора 24, на выходе которого образуется напряжение

U₁₇(α)=υ_н2 ²·Sin²α.

Это напряжение поступает на вход четвертого квадратора 25, на выходе которого образуется напряжение

U₁₈(α)=υ_н2 ⁴·Sin⁴α.

Напряжения U₁₅(α) и U₁₇(α) с выходов квадраторов 22 и 24 соответственно поступают на два входа масштабирующего перемножителя 26, масштабирующий коэффициент К_м которого выбирается равным 6 (К_м=6). На выходе масштабирующего перемножителя 26 формируется напряжение

U₁₉(α)=6·U₁₅(α)·U₁₇(α)=6·υ_н2 ² ·Cos²α·Sin²α.

Напряжения U₁₆(α) и U₁₉(α) с выходов квадратора 23 и масштабирующего перемножителя 26 соответственно поступают на два входа вычитателя 27, на выходе которого формируется напряжение

U₂₀(α)=U₁₆(α)-U₁₉(α)=υ_н2 ⁴ ·Cos⁴α-6·υ_н2 ² ·Cos²α·Sin²α.

Напряжения U₁₈(α) и U₂₀(α) с выходов квадратора 25 и вычитателя 27 соответственно поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого формируется напряжение

U₂₁(α)=υ_н2 ⁴ ·Cos⁴α-6·υ_н2 ² ·Cos²α·Sin²α+υ_н2 ⁴ ·Sin⁴α=υ_н2 ⁴ ·Cos⁴α.

Это напряжение поступает на первый вход индикатора 10. Так формируется грубая, но однозначная шкала отсчета угловой координаты α.

Повышение точности пеленгации источника излучения сложных сигналов обеспечивается увеличением измерительной базы d. A 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 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 инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, ввиду их модуляции (манипуляции) и ширины спектра, а точное 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.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение чувствительности и точности при измерении малых угловых координат источников излучения сложных сигналов. Это достигается «усилением» малых угловых координат в четыре раза.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источника излучения сложных сигналов. Достигаемый технический результат - повышение чувствительности и точности при измерении малых угловых координат источников излучения сложных сигналов. Фазовый пеленгатор, реализующий предлагаемый фазовый способ пеленгации, содержит приемные антенны, два приемника, опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, три фазовращателя на 90°, три фазовых детектора, индикатор, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, два перемножителя, два полосовых фильтра, линию задержки, восемь квадраторов, два масштабирующих перемножителя, два вычитателя, два сумматора, определенным образом соединенные между собой. 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°, 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 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 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, отличающийся тем, что напряжение, пропорциональное синусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° напряжение и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени и исходное напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из сдвинутого по фазе на 90° напряжения четвертой степени и суммируют его с исходным напряжением четвертой степени, напряжение, пропорциональное косинусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, исходное напряжение второй степени и сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из исходного напряжения четвертой степени и суммируют его со сдвинутым по фазе на 90° напряжением четвертой степени.

2. Фазовый пеленгатор, содержащий последовательно включенные первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90° и первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра 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 также индикатор, отличающийся тем, что он снабжен вторым и третьим фазовращателями на 90°, восемью квадраторами, двумя масштабирующими перемножителями, двумя вычитателями и двумя сумматорами, причем к выходу первого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, первый квадратор, второй квадратор, первый вычитатель, второй вход которого через первый масштабирующий перемножитель соединен с выходами первого и третьего квадраторов, и первый сумматор, выход которого соединен с первым входом индикатора, к выходу первого фазового детектора последовательно подключены третий квадратор и четвертый квадратор, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены пятый квадратор, шестой квадратор, второй вычитатель, второй вход которого через второй масштабирующий перемножитель соединен с выходами пятого и седьмого квадраторов, и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом индикатора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены третий фазовращатель на 90°, седьмой квадратор и восьмой квадратор, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора.