Многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс Российский патент 2020 года по МПК G01V3/16 

Предлагаемый комплекс относится к области радиоэлектроники и предназначен для подповерхностного зондирования сельскохозяйственных угодий, обнаружения очагов заражения сельскохозяйственных культур болезнями, лечения депрессивных участков возделываемых угодий, а также для определения местоположения источников радиоизлучений (ИРИ), например, «черных ящиков» с сигнализацией, возникающих при катастрофах самолетов.

Известны устройства и системы подповерхностного зондирования земли и контроля источников радиоизлучений (авт. свид. СССР №№642.575, 1.283.566, 1.657.988, 1.777.014, 1.812.386; патенты РФ №№2.138.037, 2.150.178, 2.275.746, 2.313.911, 2.331.037, 2.419.991, 2.600.333, 2.692.117; патенты США №№3.806.926, 3.891.989, 3.896.439, 4.570.477, 5.038.614, 5.841.872; патенты Великобритании №№1.349.129, 1.587.357; патент Германии №3.346.155; патенты Франции №№2.447.041, 2.498.325; патенты Японии №№59-38.537, 60-24.900, 63-22.531 и другие).

Из известных устройств и систем наиболее близким к предлагаемому является «Вертолетный радиоэлектронный комплекс для мониторинга сельскохозяйственных угодий (патент РФ №2.692.117, G01V 3/16, 2018), который и выбран в качестве прототипа.

Измерительный канал блока 16 определения местоположения ИРИ построен по супергетеродинной схеме, в нем одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω₁ и ω_з, т.е.

Следовательно, если частоту настройки ω₁ принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты на 2ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г гетеродина (фиг. 7). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость измерительного канала блока определения местоположения ИРИ.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

где ω_кi - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность измерительного канала по этим каналам близка к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:

где 2ω_г - вторая гармоника частоты гетеродина.

Кроме того, по основному каналу приема на частоте ω₁ на вход измерительного канала блока 16 определения местоположения ИРИ поступают узкополосные помехи.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, и узкополосных помех, принимаемых по основному каналу, приводит к снижению помехоустойчивости и достоверности определения местоположения источников радиоизлучений.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности определения местоположения источников радиоизлучений путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, и узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

Поставленная задача решается тем, что многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, блок подповерхностного зондирования, блок определения местоположения источника радиоизлучений, три приемные антенны и лазер, при этом блок подповерхностного зондирования состоит из четырех приемопередающих устройств, каждое из которых содержит последовательно подключенные к выходу синхронизатора передатчик, антенный переключатель, второй вход которого соединен с выходом переключателя сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной, приемник, второй вход которого соединен с выходом генератора строб-импульса, и блок обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к соответствующему входу цветного индикатора, пятый вход которого соединен с выходом синхронизатора, а также блок приема, подключенный к выходам антенных переключателей и синхронизатора непосредственно и через тепловизионный и телевизионный датчики соответственно, при этом приемопередающие устройства используют следующие длины волн: λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м соответственно, приемопередающие антенны размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезирования апертуры, а о глубине залегания подповерхностного объекта судят по цвету его изображения на экране индикатора, блок определения местоположения источника радиоизлучений содержит двигатель вертолета, генератор опорного напряжения, один измерительный и четыре пеленгационных каналов, причем выход синхронизатора через лазер подключен к соответствующему входу блока приема, измерительный канал содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные первый перемножитель, первый фильтр нижних частот, второй перемножитель и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, первый пеленгационный канал содержит последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, третий перемножитель, второй узкополосный фильтр и первый фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй пеленгационный канал содержит последовательно включенные третью приемную антенну, третий усилитель высокой частоты, четвертый перемножитель и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выходы первого и второго фазометров через первый блок вычитания и сумматор подключены к первому и второму входам блока регистрации и анализа соответственно, третий пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу первой приемопередающей антенны четвертый усилитель высокой частоты, пятый перемножитель, четвертый узкополосный фильтр, седьмой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход подключен к третьему входу блока регистрации и анализа, четвертый пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу второй приемопередающей антенны, пятый усилитель высокой частоты, шестой перемножитель, пятый узкополосный фильтр, линию задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход подключен к четвертому входу блока регистрации и анализа, первая приемная антенна размещена над втулкой винта вертолета, вторая и третья приемные антенны размещены на фюзеляже и средней части корпуса вертолета соответственно, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и генератором опорного напряжения, отличается от ближайшего аналога тем, что измерительный канал блока определения местоположения источника радиоизлучений снабжен усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором, ключом, восьмым и девятым перемножителями, седьмым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, вторым блоком вычитания и двумя фазоинверторами, причем к выходу смесителя последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к второму входу первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого перемножителей, к выходу ключа последовательно подключены восьмой перемножитель, седьмой узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, девятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выход которого соединен с вторым входом восьмого перемножителя, выходы первого и второго фильтров нижних частот через второй блок вычитания подключены к пятому входу блока регистрации и анализа.

Геометрическая схема расположения источника радиоизлучений (ИРИ) и вертолета, а также расположения антенн на вертолете показаны на фиг. 1. Структурная схема блока подповерхностного зондирования представлена на фиг. 2. Структурная схема блока 16 определения местоположения ИРИ изображена на фиг. 3. Принцип формирования измерительных баз косвенным методом на борту вертолета в вертикальной (угломестной) плоскости показан на фиг. 4. Характеристики проникновения радиоволн различных длин в землю изображены на фиг. 5. Значения угловой разрешающей способности при различных длинах волн представлены на фиг. 6. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг. 7.

Блок подповерхностного зондирования состоит из четырех приемопередающих устройств, каждое из которых содержит последовательно подключенные к выходу синхронизатора 1 передатчик 2.1 (2.2, 2.3, 2.4), антенный переключатель 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), второй вход которого соединен с выходом переключателя 7 сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной 4.1 (4.2, 4.3, 4.4), приемник 5.1 (5.2, 5.3, 5.4), второй вход которого соединен с выходом генератора 8 строб-импульсов, и блок 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, а выход подключен к соответствующему входу цветного индикатора 9, пятый вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, а также блок 12 приема, подключенный к выходам антенных переключателей 3.1-3.4 и синхронизатора 1 непосредственно и через лазер 17, тепловизионный 10 и телевизионный 11 датчики соответственно. При этом приемопередающие устройства используют следующие длины волн: λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м соответственно. Приемопередающие антенны размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатываются по алгоритму синтезирования апертуры, а о глубине залегания подповерхностного объекта судят по цвету его изображения на экране индикатора 9.

Блок 16 определения местоположения ИРИ содержит двигатель 50, генератор 51 опорного напряжения, один измерительный и четыре пеленгационных каналов.

Измерительный канал содержит последовательно включенные первую приемную антенну 13, первый усилитель 18 высокой частоты, смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 23, усилитель 53 суммарной частоты, амплитудный детектор 54, ключ 55, второй вход которого через усилитель 25 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя 24, второй перемножитель 28, второй вход которого соединен с выходом первого фильтра 30 нижних частот, первый узкополосный фильтр 29, первый перемножитель 27, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, первый фильтр 30 нижних частот, второй блок 63 вычитания и блок 52 регистрации и анализа. К выходу ключа 55 последовательно подключены восьмой перемножитель 57, седьмой узкополосный фильтр 59, первый фазоинвертор 61, девятый перемножитель 58, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, второй фильтр 60 нижних частот и второй фазоинвертор 62, выход которого соединен с вторым входом восьмого перемножителя 57. Выход второго фильтра 60 нижних частот соединен с вторым входом второго блока 63 вычитания.

Перемножители 27 и 28, узкополосный фильтр 29 и фильтр 30 нижних частот образуют первый демодулятор 26 сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).

Перемножители 57 и 58, узкополосный фильтр 59, фильтр 60 нижних частот, фазоинверторы 61 и 62 образуют второй демодулятор 56 сложных ФМн сигналов.

Первый пеленгационный канал содержит последовательно включенные вторую приемную антенну 14, второй усилитель 19 высокой частоты, третий перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, второй узкополосный фильтр 35 и первый фазометр 39, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 23.

Второй пеленгационный канал содержит последовательно включенные третью приемную антенну 15, третий усилитель 20 высокой частоты, четвертый перемножитель 32, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, и второй фазометр 40, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 23. Выходы первого 39 и второго 40 фазометров через первый блок 41 вычитания и сумматор 42 подключены к второму и третьему входам блока 52 регистрации анализа соответственно.

Третий пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу первой приемопередающей антенны 4.1 четвертый усилитель 21 высокой частоты, пятый перемножитель 33, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, четвертый узкополосный фильтр 37, седьмой перемножитель 44, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра 38, шестой узкополосный фильтр 46 и третий фазометр 47, второй вход которого соединен с выходом генератора 51 опорного напряжения, а выход подключен к четвертому входу блока 52 регистрации и анализа.

Четвертый пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу второй приемопередающей антенны 4.2 пятый усилитель 22 высокой частоты, шестой перемножитель 34, второй вход которого соединен с выходом ключа 55, пятый узкополосный фильтр 38, линию задержки 43, фазовый детектор 45, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра 38, и четвертый фазометр 48, второй вход которого соединен с выходом генератора 51 опорного напряжения, а выход подключен к пятому входу блока 52 регистрации и анализа.

Первая приемная антенна 13 размещена над втулкой винта вертолета, вторая 14 и третья 15 приемные антенны размещены на фюзеляже и средней части корпуса вертолета соответственно.

Двигатель 50 кинематически связан с винтом вертолета и генератором 51 опорного напряжения.

Предлагаемый многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс работает следующим образом в трех режимах:

1) в режиме подповерхностного зондирования;

2) в режиме обнаружения очагов заражения сельскохозяйственных культур и лечения депрессивных участков возделываемых угодий;

3) в режиме определения местоположения источников радиоизлучений (ИРИ), например, «черных ящиков» с сигнализацией, возникающих при катастрофах самолетов.

Реализация первого режима

Вырабатываемые в синхронизаторе 1 импульсы запускают четыре передатчика 2.1-2.4 и управляют четырьмя блоками 6.1-6.4 обработки сигналов. Импульсы синхронизатора 1 также управляют работой генератора 8 строб-импульсов, цветного индикатора 9, тепловизионного 10 и телевизионного 11 датчиков, блока 12 приема и лазера 17. Длительность и положение во времени строб-импульса определяют положение и протяженность наблюдаемого элемента земной поверхности по дальности. Этот импульс и подается на блоки 6.1-6.4 обработки.

Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность.

Зондирующие импульсы с передатчиков 2.1-2.4 через антенные переключатели 3.1-3.4 поступают на свои антенны 4.1-4.4, каждая из которых размещена на конце лопасти несущего винта вертолета (фиг. 1).

Каждая антенна, расположенная на конце вращающейся лопасти, подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 7 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде четырех щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который в свою очередь может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждые передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве.

С антенн 4.1-4.4 сигналы излучаются в направлении подстилающей поверхности для обнаружения подповерхностных объектов, в качестве которых могут быть трубопроводы, металлические различные конструкции, мины, боеприпасы и т.п.

Отраженные от подповерхностного объекта сигналы принимаются антеннами 4.1-4.4 и через антенные переключатели 3.1-3.4 подаются на приемники 5.1-5.4, а затем на блоки 6.1-6.4 обработки, в которых осуществляется обработка принятых сигналов по алгоритму синтезирования апертуры. В этих же блоках учитывается эффект изменения дальности от антенны до подповерхностного объекта, вызванный перемещением антенны по окружности в процессе синтезирования. В блоках 6.1-6.4 обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка дальности, положение и протяженность которого определяется стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 7. С блоков 6.1-6.4 обработки сигналы поступают на индикатор 9 с цветным изображением, причем сигналы с каждого блока обработки соответствуют изображению в определенном цвете.

Применение четырех радиолокаторов с λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты подповерхностного объекта, расположенного под подстилающей поверхностью земли, с высокой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения объекта под поверхностью земли.

Если в качестве подповерхностного объекта используется заглубленный трубопровод, то тепловизионный датчик 10 позволяет зафиксировать физический признак утечки газа в виде локального понижения температуры (отрицательного теплового контраста на поверхности покрытия газопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из газопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи, по имеющимся экспериментальным и расчетным данным, составляют до 8-10°С, что существенно превышает пороговые характеристики контрастной чувствительности тепловизионных приемников (0,5-1,0°С) и, соответственно, может быть выявлено измерениями.

Анализ возможностей использования предлагаемого комплекса на существующих вертолетах с длиной лопасти 1-20 м, числом оборотов винта 200 об/мин, позволяет получить следующие значения угловой разрешающей способности на разных глубинах, соответствующих длинам рабочих волн, значения которой при эффективной длине синтезированной апертуры 20 м приведены в таблице 2 (фиг. 6).

Для сравнения в таблице 3 (фиг. 6) приведены значения угловой разрешающей способности при различных длинах волн, которые можно обеспечить без синтезирования при ширине лопасти d=600 мм (α=λ/d).

Совместное рассмотрение таблицы 2 и 3 (фиг. 6) позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый комплекс позволяет повысить угловую разрешающую способность при тех же длинах волн приблизительно в 100 раз.

Реализация второго режима

С помощью телевизионного датчика 11 производят поиск на возделываемых угодьях очагов развития болезней сельскохозяйственных культур, размножения вредителей, депрессивных участков, требующих лечения. Сразу после обнаружения на возделываемых угодьях очагов развития болезней сельскохозяйственных культур, размножения вредителей производят техногенные воздействия с помощью лазерного излучения. При этом используется лазер 17 с «размытым» лучом с углом 4-7°. Для этого вертолет зависает над заданным участком возделываемого угодья на заданной высоте для наблюдения или выполнения технологической операции.

Блок 12 приема обеспечивает сравнение характеристик видеоизображений сельскохозяйственных культур на различных участках возделываемого угодья с базой данных и по наличию отклонений этих характеристик от эталона выявляют участки, на которых находятся очаги развития болезней сельскохозяйственных культур и размножения вредителей.

Одной из причин появления вредителей сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье является наличие их яиц в семенном материале и в почве (колорадский жук и др.). Период от фиксации первых особей вредителей из яиц до их массового распространения крайне мал и может составлять от нескольких часов до нескольких дней. Реализация необходимых воздействий на сельскохозяйственные культуры для уничтожения вредителей оперативно, сразу после обнаружения вредителей сокращает до возможного минимума негативные воздействия на выполняемые технологические процессы, обусловленные деятельностью вредителей. При этом урожайность и качество сельскохозяйственных культур практически не снижаются, а объемы применяемых для уничтожения вредителей технических средств минимальны.

Существующие технологии и устройства оперативного воздействия на технологические процессы возделывания сельскохозяйственных культур требует использования наземных транспортных средств, травмирующих почву и сельскохозяйственные культуры, например, при возделывании пшеницы снижение урожая в отдельных случаях может достигать 0,1%, что при промышленном производстве в денежном выражении существенно. При использовании предлагаемого комплекса эти потери можно свести к минимуму, диагностику и лечение возделываемых угодий осуществляют более точно и оперативно. При этом получение информации и воздействия на технологические процессы осуществляют в автоматическом режиме, без травмирования сельскохозяйственных культур и почвы возделываемых угодий.

Реализация третьего режима

Во время катастрофы вместе с самолетом падает на землю и «черный ящик» и при ударе о землю у него выходят из строя составные части, которые затем с большим трудом восстанавливаются. А если катастрофа самолета произошла над морем, тогда «черный ящик» вместе с самолетом падает в море, который без соответствующей сигнализации в нем весьма трудно отыскать в глубине моря.

Для исключения совместного падения «черного ящика» с самолетом во время его катастрофы разработано техническое решение (патент РФ №2.531.779), в котором при катастрофе самолета «черный ящик» отделяется от него и спускается на парашюте на землю или поверхность моря. Когда «черный ящик» достигает определенной высоты от земли или от поверхности моря, автоматически раскрывается парашют, резиновая камера наполняется воздухом, поступающим из камеры сжатого воздуха, включается приемник GPS-сигналов и излучатель сигнала бедствия. При этом резиновая камера обеспечивает сохранность «черного ящика» с сигнализацией при его падении на землю и служит поплавком при его падении в море.

«Черный ящик» с сигнализацией (ИРИ) излучает сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (сигнал бедствия)

где U_c, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

- манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который содержит информацию о бортовом номере самолета, его принадлежности к стране, фирме и т.д.

Указанный сигнал принимается антеннами 13, 14, 15, 4.1 и 4.2 соответственно блока 16 определения местоположения ИРИ («черного ящика» с сигнализацией):

где ±Δω - нестабильность несущей частоты сигналов, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, в том числе и эффектом Доплера;

R - радиус окружности, на которой размещены антенны 4.1 и 4.2 (длина лопасти несущего винта вертолета);

Ω=2π R - скорость вращения антенн 4.1 и 4.2 вокруг антенны 13 (скорость вращения винта вертолета);

λ - длина волны;

α - пеленг (азимут) на ИРИ.

Сложный ФМн сигнал u₁(t) с выхода первой приемной антенны 13 через усилитель 18 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 23

На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 25 и 53 выделяются напряжения промежуточной (разностной) и суммарной частот соответственно:

где

- промежуточная (разностная) частота;

- суммарная частота;

Частота настройки ω_н1 усилителя 25 промежуточной частоты выбрана равной промежуточной частоте ω_пр (ω_н1=ω_пр), а частота настройки ω_н2 усилителя 53 суммарной частоты выбрана равной суммарной частоте ω_Σ(ω_н2=ω_Σ).

Поэтому напряжения u_пр(t) и u_Σ(t) выделяются усилителями 25 и 53 соответственно.

Напряжение u_Σ(t) поступает на вход амплитудного детектора 54. Продетектированное напряжение поступает на управляющий вход ключа 55 и открывает его. В исходном состоянии ключ 55 всегда закрыт.

При этом напряжение u_пр(t) с выхода усилителя 25 промежуточной частоты через открытый ключ 55 поступает на первые входы перемножителей 27, 28, 57 и 58 двух демодуляторов 26 и 56 сложных ФМн сигналов. На вторые входы перемножителей 27 и 58 с выходов узкополосного фильтра 29 и фазоинвертора 61 подаются опорные напряжения соответственно:

В результате перемножения указанных сигналов образуются результирующие колебания:

где

Аналоги модулирующего кода:

выделяются фильтрами 30 и 60 нижних частот и подаются на два входа блока 63 вычитания. Вычитая одно из другого указанные низкочастотные напряжения с учетом их противоположной полярности, на выходе блока 63 вычитания можно получить удвоенное (суммарное) низкочастотное напряжение

где U_н = 2U₁,

т.е. получается сложение по абсолютной величине напряжений u_н1(t) и u_н2(t). Это напряжение поступает на первый вход блока 52 регистрации и анализа.

При этом аддитивные узкополосные помехи проходят через два демодулятора 26 и 56 одинаково, изменяя амплитуды выходных продетектированных напряжений в одну и ту же сторону. Но в блоке 63 вычитания они вычитаются, оставаясь однополярными, т.е. подавляются, взаимно компенсируются.

Низкочастотное напряжение u_н2(t) с выхода фильтра 60 нижних частот поступает на вход фазоинвертора 62, на выходе которого образуется низкочастотное напряжение

Низкочастотные напряжения u_н1(t) и u_н3(t) с выхода фильтра 30 нижних частот и фазоинвертора 62 поступают на второй вход перемножителей 28 и 57 соответственно, на выходе которых образуются гармонические напряжения:

где

Данные напряжения выделяются узкополосными фильтрами 29 и 59 соответственно. Напряжение u_о1(t) с выхода узкополосного фильтра 29 подается на второй вход перемножителя 27. Напряжение u_о3(t) выделяется узкополосным фильтром 59 и поступает на вход фазоинвертора 61, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

которое подается на второй вход перемножителя 58.

Сложные ФМн сигналы u₂(t), u₃(t), u₄(t) и u₅(t) с выходов антенн 14, 15, 4.1 и 4.2 через усилители 19, 20, 21 и 22 высокой частоты поступают на первые входы перемножителей 31, 32, 33 и 34, на вторые входы которых подается напряжение u_пр(t) промежуточной частоты с выхода усилителя 25 промежуточной частоты через открытый ключ 55. На выходе перемножителей 31-34 образуются следующие напряжения:

где

d₁, d₂ - измерительные базы (фиг. 4), которые выделяются узкополосными фильтрами 35-38.

Знаки «+» и «-» перед величиной соответствуют диаметрально противоположным расположениям приемных антенн 4.1 и 4.2 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 13, размещенной над втулкой винта вертолета.

Следовательно, полезная информация об азимуте α и угле места β переносится на стабильную частоту ω_г гетеродина 23.

Поэтому нестабильность несущей частоты ±Δω, вызванная различными дестабилизирующими факторами, и вид модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов ИРИ не влияют на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения ИРИ («черного ящика» с сигнализацией). Фазометры 39 и 40 измеряют фазовые сдвиги Δϕ₁ и Δϕ₂ соответственно, которые поступают на два входа блока 41 вычитания и сумматора 42.

Блок 41 вычитания определяет разность разностей фаз:

эквивалентную измерению фазового сдвига на измерительной базе, длина которой определяется следующей разностью (фиг. 4)

Сумматор 42 определяет сумму разностей фаз

эквивалентную измерению фазового сдвига на измерительной базе, длина которой определяется следующей суммой

Следовательно, в вертикальной (угломестной) плоскости для определения угла места β ИРИ («черного ящика» с сигнализацией) используются три приемные антенны 13, 14 и 15 с измерительными базами d₁ и d₂. Вследствие конструктивных особенностей вертолета грубая, но однозначная шкала отсчета угла места β и точная, но неоднозначная шкала отсчета угла места β ИРИ формируются косвенным методом. Между сформированными шкалами и измерительными базами d₃ и d₄ устанавливается следующее неравенство:

Причем величина, входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающимися антеннами 4.1 и 4.2 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 13.

Пеленгаторное устройство тем чувствительнее к изменению угла α, чем больше относительный размер измерительной базы R/λ. Однако с ростом R/λ, уменьшается значение угловой координаты α, при которой разность фаз превосходит значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета угла α.

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

Для повышения точности пеленгации ИРИ («черного ящика» с сигнализацией) в горизонтальной (азимутальной) плоскости приемные антенны 4.1 и 4.2 размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета. Смешение сигналов от двух диаметрально противоположных антенн 4.1 и 4.2, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, получаемую с помощью одной приемной антенны, вращающейся по кругу, радиус R₁ которого в два раза больше R (R₁=2R).

Действительно, на выходе перемножителя 44 образуется гармоническое напряжение

где

с индексом фазовой модуляции

которое выделяется узкополосным фильтром 46 и поступает на первый вход фазометра 47, на второй вход которого подается напряжение генератора 51

Фазометр 47 обеспечивает точное, но неоднозначное измерение угловой координаты α.

Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета угла α необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения отношения R/λ. Это достигается использованием автокоррелятора, состоящего из линии задержки 43 и фазового детектора 45, что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины

где d₁ < R.

На выходе автокоррелятора образуется напряжение

с индексом фазовой модуляции Δϕ_m2, которое поступает на первый вход фазометра 48, на второй вход которого подается напряжение u_o(t) генератора 51 опорного напряжения. Фазометр 48 обеспечивает грубое, но однозначное измерение угловой координаты α.

Значения угловой координаты α с выходов фазометров 47 и 48 фиксируются на четвертом и пятом входах блока 52 регистрации и анализа.

Измерив угловые координаты α, β и зная высоту полета h вертолета, можно точно и однозначно определить местоположение ИРИ («черного ящика» с сигнализацией).

Описанная выше работа блока 16 определения местоположения ИРИ соответствует случаю приема полезных ФМн сигналов по основному каналу на частоте ω₁ (фиг. 7).

Если ложный сигнал (помеха) поступает по зеркальному каналу на частоте ω_з

то на выходе смесителя 24 образуются следующие напряжения:

где

- промежуточная (разностная) частота;

- первая суммарная частота,

Напряжение u_пр1(t) выделяется усилителем 25 промежуточной частоты. Напряжение u_Σ1(t) не попадает в полосу пропускания усилителя 53 суммарной частоты. Это объясняется тем, что первая суммарная частота ω_Σ1 отличается от частоты настройки ω_н2 усилителя 53 суммарной частоты на удвоенное значение промежуточной частоты (фиг. 7)

Ключ 55 в этом случае не открывается и ложный сигнал (помеха), поступающий по зеркальному каналу на частоте ω_з, подавляется. По аналогичный причине подавляются и ложные сигналы (помехи), поступающие по другим дополнительным (первому комбинационному каналу на частоте ω_к1, второму комбинационному каналу на частоте ω_к2) каналам.

Предлагаемый комплекс обеспечивает повышение оперативности поиска «черного ящика» с сигнализацией. Это достигается излучением сложных сигналов с фазовой манипуляцией, отображающих идентификационные данные самолета, потерпевшего катастрофу, и место его катастрофы.

Сложные ФМн сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность указанных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Сложные ФМн сигналы открывают большие возможности в технике передачи сигналов бедствия «черными ящиками» с сигнализацией самолетов, потерпевших катастрофу. Они позволяют применять на вертолете структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Таким образом, предлагаемый многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности определения местоположения источников радиоизлучений. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, и узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

Подавление ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, основано на использовании метода суммарной частоты. Любой смеситель при работе на линейном участке вольт-амперной характеристики представляет собой перемножитель, реализующий следующий алгоритм

Обычно используется только составляющая разностной частоты - напряжение промежуточной (разностной) частоты.

В предлагаемом комплексе используется и составляющая суммарной частоты для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Использование двух демодуляторов ФМн сигналов обеспечивает подавление узкополосных помех, принимаемых по основному каналу.

Предлагаемый комплекс относится к области радиоэлектроники и предназначен для подповерхностного зондирования с летательного аппарата. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и достоверности определения местоположения источников радиоизлучений. Многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс содержит блок подповерхностного зондирования и блок определения местоположения источника радиоизлучений (ИРИ). Блок подповерхностного зондирования содержит синхронизатор, передатчики, антенные переключатели, приемопередающие антенны, приемники, блоки обработки, переключатель сектора обзора, генератор строб-импульса, цветной индикатор, тепловизионный датчик, телевизионный датчик, блок приема, лазер. 7 ил.

Многофункциональный вертолетный радиоэлектронный комплекс, содержащий блок подповерхностного зондирования, блок определения местоположения источника радиоизлучений, три приемные антенны и лазер, при этом блок подповерхностного зондирования состоит из четырех приемопередающих устройств, каждое из которых содержит последовательно подключенные к выходу синхронизатора передатчик, антенный переключатель, второй вход которого соединен с выходом переключателя сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной, приемник, второй вход которого соединен с выходом генератора строб-импульса, и блок обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к соответствующему входу цветного индикатора, пятый вход которого соединен с выходом синхронизатора, а также блок приема, подключенный к выходам антенных переключателей и синхронизатора непосредственно и через тепловизионный и телевизионный датчики соответственно, при этом приемопередающие устройства используют следующие длины волн: λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м и λ₄=0,003 м соответственно, приемопередающие антенны размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезирования апертуры, а о глубине залегания подповерхностного объекта судят по цвету его изображения на экране индикатора, блок определения местоположения источника радиоизлучений содержит двигатель вертолета, генератор опорного напряжения, один измерительный и четыре пеленгационных канала, причем выход синхронизатора через лазер подключен к соответствующему входу блока приема, измерительный канал содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные первый перемножитель, первый фильтр нижних частот, второй перемножитель и первый узкополосный фильтр, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, первый пеленгационный канал содержит последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, третий перемножитель, второй узкополосный фильтр и первый фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй пеленгационный канал содержит последовательно включенные третью приемную антенну, третий усилитель высокой частоты, четвертый перемножитель и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выходы первого и второго фазометров через первый блок вычитания и сумматор подключены к первому и второму входам блока регистрации и анализа соответственно, третий пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу первой приемопередающей антенны четвертый усилитель высокой частоты, пятый перемножитель, четвертый узкополосный фильтр, седьмой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход подключен к третьему входу блока регистрации и анализа, четвертый пеленгационный канал содержит последовательно подключенные к выходу второй приемопередающей антенны пятый усилитель высокой частоты, шестой перемножитель, пятый узкополосный фильтр, линию задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход подключен к четвертому входу блока регистрации и анализа, первая приемная антенна размещена над втулкой винта вертолета, вторая и третья приемные антенны размещены на фюзеляже и средней части корпуса вертолета соответственно, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и генератором опорного напряжения, отличающийся тем, что измерительный канал блока определения местоположения источника радиоизлучений снабжен усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором, ключом, восьмым и девятым перемножителями, седьмым узкополосным фильтром, вторым фильтром нижних частот, вторым блоком вычитания и двумя фазоинверторами, причем к выходу смесителя последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен ко второму входу первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого перемножителей, к выходу ключа последовательно подключены восьмой перемножитель, седьмой узкополосный фильтр, первый фазоинвертор, девятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, второй фильтр нижних частот и второй фазоинвертор, выход которого соединен со вторым входом восьмого перемножителя, выходы первого и второго фильтров нижних частот через второй блок вычитания подключены к пятому входу блока регистрации и анализа.