СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ПРИХОДА РАДИОВОЛН Российский патент 2016 года по МПК G01R29/08 G01S3/46 

Изобретение относится к области техники электрических измерений и может быть использовано при изучении распространения радиоволн на открытых трассах.

Известны способы измерения флуктуаций амплитуды радиоволн (см., например, кн. Введенский Б.А. Распространение ультракоротких волн - М: Наука, 1973, 408 с). Однако измерение флуктуаций углов прихода также представляют особый интерес при изучении распространения радиоволн.

Наиболее близкими по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ определения угла прихода радиоволн, основанный на измерении разности фаз между сигналами в двух разнесенных точках пространства (авт.св. СССР № 1718149, опубл. в БИ № 9, 1992, G01R 29/08).

По этому способу определения угла прихода радиоволн первоначально в двух независимых каналах генерируют непрерывные высокочастотные колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами ƒ₁ и ƒ₂. Через две разнесенные в пространстве антенны эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении третьей антенны, где их принимают и вводят в них монотонно нарастающий фазовый сдвиг. Трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами и переизлучают в направлении разнесенных в пространстве антенн первичного излучения, где оба эти вторично излученные колебания антеннами первичного излучения вторично принимают, смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. В том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , а в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , после чего измеряют разность фаз между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими. На основе измеренной разности фаз и известного расстояния между антеннами рассчитывают угол прихода радиоволн по формуле:

где Δφ - измеренная разность фаз; k - волновое число; b - расстояние между приемными антенными (база интерферометра), 2 получается за счет двойного прохождения трасс радиоволнами. На практике углы прихода радиоволн малы, поэтому для увеличения точности определения угла прихода необходимо увеличивать базу интерферометра. Пространственное разнесение между первично излучающими антеннами можно свободно изменять в зависимости от проводимых измерений, так как антенны первичного излучения не связаны между собой фазостабильными фидерами.

Однако приведенный способ измерения углов прихода радиоволн имеет существенный недостаток, заключающийся в присутствии ошибки измерений, зависящей от расстояния между антеннами первичного излучения и первичного приема. Измеренная разность фаз Δφ получается за счет разности набегов фаз высокочастотных колебаний по каждой трассе в отдельности, которая выделяется в каждом канале интерферометра. В первом канале интерферометра получают набег фазы 2k₁d₁ при частоте сигнала ƒ₁, где d₁ - расстояние между антенной первого канала интерферометра и третьей антенной, а во втором канале получают набег фазы 2k₂d₂ при частоте сигнала ƒ₂, где d₂ - расстояние между антенной второго канала интерферометра и третьей антенной, при этом набег фазы во втором канале интерферометра можно представить как . В результате разность фаз будет равна

.

В полученном выражении видно, что при измерении разности фаз сигналов, а, следовательно, и при вычислении угла прихода радиоволн возникает ошибка измерений , которая зависит от расстояния d₂.

В основу изобретения поставлена задача повышения точности определения угла прихода радиоволн. Она решается благодаря тому, что по способу определения углов прихода радиоволн, по которому первоначально в двух независимых каналах интерферометра генерируют непрерывные высокочастотные колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами ƒ₁ и ƒ₂, после чего через две разнесенные в пространстве антенны интерферометра эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении третьей антенны, где их принимают и вводят в них монотонно нарастающий фазовый сдвиг, при этом трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами и переизлучают в направлении разнесенных в пространстве антенн интерферометра, где оба эти вторично излученные колебания антеннами интерферометра вторично принимают, смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, причем в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , а в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , после чего измеряют разность фаз Δφ₁, между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими в обоих каналах интерферометра, отличающийся тем, что эту измеренную разность фаз Δφ₁, запоминают и после этого в том канале интерферометра, где первоначально генерировали колебания с частотой ƒ₁, начинают генерировать колебания с частотой ƒ₂, а в том канале интерферометра, где первоначально генерировали колебания с частотой ƒ₂, начинают генерировать колебания с частотой ƒ₁, после чего повторяют всю процедуру: первично излучают обоими антеннами интерферометра высокочастотные колебания, первично принимают третьей антенной оба высокочастотных колебания, вводят в принятые колебания монотонно нарастающий фазовый сдвиг, вторично излучают трансформированные по частоте высокочастотные колебания, вторично принимают антеннами интерферометра эти трансформированные по частоте высокочастотные колебания, смешивают вторично принятые высокочастотные колебания с исходными высокочастотными колебаниями, выделяют в обоих каналах интерферометра комбинационные низкочастотные составляющие разности и измеряют разность фаз Δφ₂ между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими в обоих каналах интерферометра, после чего измеряют среднеарифметическое значение разности фаз

и на основе измеренной разности фаз и известного расстояния между антеннами рассчитывают угол прихода радиоволн по формуле:

где b - расстояние между антенными интерферометра (база интерферометра), k - волновое число высокочастотных колебаний с частотой ƒ₁, Δk - разница волновых чисел высокочастотных колебаний с частотами ƒ₁ и ƒ₂.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности определения угла прихода радиоволн с более высокой точностью. При этом точность измерений не зависит от расстояния между антеннами интерферометра и третьей антенной. Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе-прототипе погрешность увеличивается с увеличением расстояния между антеннами интерферометра и третьей антенной, а в заявляемом способе эта погрешность постоянна и определяется величиной Δk, которую можно учесть при калибровке и далее не принимать в расчет.

Указанный способ определения угла прихода радиоволн можно реализовать с помощью устройства, приведенного на рисунке.

Устройство для определения угла прихода радиоволн содержит управляемые генераторы высокочастотных колебаний 1 и 2, Y-циркуляторы 3 и 4, антенны первичного излучения и вторичного приема интерферометра 5 и 6, смесители 7 и 8, фазометр 9, антенну первичного приема и вторичного излучения 10, управляемый фазовращатель отражательного типа 11, генератор низкочастотных 12.

При этом выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с первым входом Y-циркулятора 3, второй вывод которого соединен с антенной первичного излучения и вторичного приема интерферометра 5, а третий вывод Y-циркулятора 3 соединен с входом смесителя 7, выход которого соединен с первым входом фазометра 9, при этом выход генератора высокочастотных колебаний 2 соединен с первым выводом Y-циркулятора 4, второй вывод которого соединен с антенной первичного излучения и вторичного приема интерферометра 6, а третий вывод Y-циркулятора 4 соединен с входом смесителя 8, выход которого соединен со вторым входом фазометра 9, при этом антенна первичного приема и вторичного излучения 10 соединена с сигнальным выводом управляемого фазовращателя отражательного типа 11, вход управления которого соединен с выходом генератора низкочастотных колебаний 12.

Работает устройство, реализующее способ повышения точности определения угла прихода радиоволн, следующим способом. Первоначально задают частоту генератора высокочастотных колебаний 1, равную ƒ₁. При этом высокочастотные колебания с начальной амплитудой U₀₁, частотой fx и начальной фазой φ₁

с выхода генератора высокочастотных колебаний 1 через Y-циркулятор 3 подают в антенну первичного излучения интерферометра 5. При этом в направлении антенны первичного приема 10 излучают электромагнитную волну. Одновременно с этим задают частоту генератора высокочастотных колебаний 2, равную f₂. При этом высокочастотные колебания с начальной амплитудой U02, частотой /2 и начальной фазой φ₂

с выхода генератора высокочастотных колебаний 2 через Y-циркулятор 4 подают в антенну первичного излучения интерферометра 6. При этом также в направлении антенны первичного приема 10 излучают электромагнитную волну.

Антенной первичного приема 10 обе высокочастотные электромагнитные волны улавливают и далее высокочастотные колебания с частотами ƒ₁ и ƒ₂ подают на управляемый фазовращатель отражательного типа 11. Управляемый фазовращатель 11 реализует монотонное изменение фазы высокочастотных колебаний. При этом, если за период Τ низкочастотного управляющего сигнала, поступающего с выхода генератора низкочастотных колебаний 12, реализуется в управляемом фазовращателе 11 сдвиг фаз от 0 до 2π, то можно говорить о смещении спектра обоих высокочастотных колебаний на так называемую частоту Доплера:

Трансформированные по частоте высокочастотные колебания, поступающие на антенну вторичного излучения 10, имеют вид

где k₁, k₂ - волновые числа:

d₁, d₂ - расстояния между антеннами 5 и 10, а также 6 и 10 соответственно, φ₀ - начальная фаза низкочастотных колебаний на выходе генератора 12, и - амплитуды высокочастотных колебаний с учетом затухания на трассе распространения радиоволн.

Антенной вторичного излучения 10 (она же антенна первичного приема) эти трансформированные высокочастотные колебания излучают в направлении антенн вторичного приема интерферометра 5 и 6 (они же антенны первичного излучения). При этом принятые трансформированные высокочастотные колебания через третьи выводы Y-циркуляторов 3 и 4 поступают в смесители 7 и 8, где выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. При этом в том канале, где были генерированы высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний с частотой и исходных с частотой ƒ₁

.

В другом канале также выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний с частотой и исходных, с частотой ƒ₂

.

Таким образом, на выходе смесителей 7 и 8 будем иметь два низкочастотных колебания с одинаковыми частотами F и полными фазами, определяемыми следующими соотношениями

где - волновые числа:

Как видно из приведенных формул, в выражениях для полной фазы выделенных комбинационных составляющих отсутствуют значения начальной фазы и частоты высокочастотных колебаний, поскольку они взаимно вычитаются.

Частоту Доплера F выбирают много меньше частоты исходных высокочастотных колебаний ƒ₁ и ƒ₂. По этой причине . В этом случае для полных фаз низкочастотных колебаний на выходе смесителей 7 и 8 можно записать

Тогда разность фаз низкочастотных колебаний на выходе фазометра 9 будет равна

Это значение измеренной разности фаз Δφ₁, запоминают.

Затем задают частоту генератора высокочастотных колебаний 1, равную ƒ₂, а частоту генератора высокочастотных колебаний 2, равную ƒ₁, с теми же амплитудами и начальными фазами и излучают оба эти колебания через те же антенны интерферометра 5 и 6 в направлении антенны 10, где эти высокочастотные колебания снова первично принимают, трансформируют по частоте и переизлучают обратно в направлении антенн интерферометра 5 и 6, где эти высокочастотные колебания вторично принимают и смешивают с исходными высокочастотными колебаниями. Нетрудно показать, что на выходе смесителей 7 и 8 получим низкочастотные колебания, полные фазы которых можно описать как

Тогда разность фаз низкочастотных колебаний на выходе фазометра 9 будет равна

Новизна заявляемого способа заключается в том, что при расчете и обработке разностей фаз волновые числа k₁ и k₂ считаем принципиально различными величинами. При этом полагаем, что . Примем k₁=k. Тогда

После этого берем среднеарифметическое значение этих двух измеренных разностей фаз

Тогда угол прихода радиоволн определим по формуле

где b - база интерферометра.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности определения угла прихода радиоволн с более высокой точностью, не зависящей от длины измерительной трассы.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с тем, что на практике углы прихода радиоволн малы, поэтому для повышения точности определения угла прихода необходимо увеличивать базу интерферометра. Пространственное разнесение между антеннами первичного излучения можно произвольно изменять в зависимости от производимых измерений, потому что антенны первичного излучения не связаны между собой фазостабильными фидерами.

Способ повышения точности определения угла прихода радиоволн относится к области техники электрических измерений и может быть использован при исследовании распространения радиоволн на открытых трассах.

Цель изобретения - достижение высокой точности измерений угла прихода радиоволн.

Новым в способе повышения точности определения угла прихода радиоволн является первоначальное генерирование высокочастотных колебаний с первой частотой в первом канале интерферометра и колебаний со второй частотой во втором канале интерферометра. Высокочастотные колебания излучают через антенны интерферометра в направлении третьей антенны, где их принимают, трансформируют по частоте и переизлучают в обратном направлении. В каналах интерферометра эти высокочастотные колебания вторично принимают и смешивают с исходными колебаниями. При этом измеряют разность фаз комбинационных низкочастотных составляющих и запоминают ее. На втором этапе в первом канале интерферометра генерируют высокочастотные колебания со второй частотой, а во втором канале интерферометра генерируют колебания с первой частотой. Вновь измеряют разность фаз комбинационных низкочастотных составляющих и берут среднее арифметическое текущей измеренной разности фаз и запомненной ранее. По полученной среднеарифметической разности фаз определяют угол прихода радиоволн с высокой точностью.

Способ повышения точности определения угла прихода радиоволн, по которому первоначально в двух независимых каналах интерферометра генерируют непрерывные высокочастотные колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами ƒ₁ и ƒ₂, после чего через две разнесенные в пространстве антенны интерферометра эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении третьей антенны, где их принимают и вводят в них монотонно нарастающий фазовый сдвиг, при этом трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами и переизлучают в направлении разнесенных в пространстве антенн интерферометра, где оба эти вторично излученные колебания антеннами интерферометра вторично принимают, смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, причем в том канапе, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₁, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , а в том канале, где генерируют высокочастотные колебания с частотой ƒ₂, выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой , после чего измеряют разность фаз Δφ₁, между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими в обоих каналах интерферометра, отличающийся тем, что эту измеренную разность фаз Δφ₁, запоминают и после этого в том канале интерферометра, где первоначально генерировали колебания с частотой ƒ₁, начинают генерировать колебания с частотой ƒ₂, а в том канале интерферометра, где первоначально генерировали колебания с частотой ƒ₂, начинают генерировать колебания с частотой ƒ₁, после чего повторяют всю процедуру: первично излучают обоими антеннами интерферометра высокочастотные колебания, первично принимают третьей антенной оба высокочастотных колебания, вводят в принятые колебания монотонно нарастающий фазовый сдвиг, вторично излучают трансформированные по частоте высокочастотные колебания, вторично принимают антеннами интерферометра эти трансформированные по частоте высокочастотные колебания, смешивают вторично принятые высокочастотные колебания с исходными высокочастотными колебаниями, выделяют в обоих каналах интерферометра комбинационные низкочастотные составляющие разности и измеряют разность фаз Δφ₂ между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими в обоих каналах интерферометра, после чего измеряют среднеарифметическое значение разности фаз
,
и на основе измеренной разности фаз и известного расстояния между антеннами рассчитывают угол прихода радиоволн по формуле:

где b - расстояние между антенными интерферометра (база интерферометра), k - волновое число высокочастотных колебаний с частотой ƒ₁, Δk - разница волновых чисел высокочастотных колебаний с частотами ƒ₁ и ƒ₂.