фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления

Формула изобретения

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 вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой , 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 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 , 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.

Описание изобретения к патенту

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 .

Недостатком известных способов и устройства является низкая чувствительность и точность при измерении малых угловых координат 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 вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой , 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 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 , 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)= _с·Cos[( _c± )t+ _k(t)+ _c],

U₂(t)= _c·Cos[( _c± )t+ _k(t)+ _c+2 ·d/ ·Cos( t- )], 0 t T_c,

где _c, _с, _c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

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

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

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

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

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

- 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)= _г·Cos( _гt+ _г).

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

U_пр (t)= _пр·Cos[( _пр± )t+ _k(t)+ _пр], 0 t T_c,

где _пр=1/2· _c· _г;

_пр= _с- _г - промежуточная частота;

_пр= _с- _г,

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

U₃ (t)= ₃·Cos [ _гt+ _г+2 ·d/ ·Cos( t- )], 0 t T_c,

где ₃=1/2· _c· _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)= ₄·Cos[2 ·d/ ·Cos( t- )], 0 t T_c,

где ₄=1/2· ₃· _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

U ₀(t)= ₀·Cos t.

На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение

U_н1( )= _н1·Cos ,

где _н1=1/2· ₄· ₀.

Это напряжение поступает на вход пятого квадратора 30, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение U _н1( ).

На выходе квадратора 30 образуется напряжение

U₅( )= _н1 ²·Cos² ,

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

U₆( )= _н1 ⁴·Cos⁴ .

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

U₇( )= _н1·Cos( +90°)=- _н1·Sin .

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

U₈( )= _н1 ²·Sin² .

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

U₉( )= _н1 ⁴·Sin⁴ .

Напряжения U₅( ) и U₈( ) 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

U ₁₀( )=6·U₅( )·U₈( )=6· _н1 ²·Cos² ·Sin² .

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

U₁₁ ( )=U₆( )-U₁₀( )= _н1 ⁴·Cos⁴ -6· _н1 ²·Cos² ·Sin² .

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

U₁₂( )= _н1 ⁴·Cos⁴ -6· _н1 ²·Cos² ·Sin² + _н1 ⁴·Sin² = _н1 ⁴·Cos .

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

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 m =2 ·d/ , 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 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)= ₀·Cos t.

Однако при d/ >1/2 наступает неоднозначность отсчета угла . Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/ 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/ 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/ . Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U₃(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки линии задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины

m ₁=2 ·d₁/ ,

где d₁<d,

при которой справедливо неравенство

d₁ / <1/2,

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

U₁₃ (t)= ₁₃·Cos( t- ), 0 t T_c,

где ₁₃=1/2· ₃ 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 ( )= _н2·Sin ,

где _н2=1/2· ₁₃· ₀,

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

U₁₄( )= _н2·Sin( +90°)= _н2·Cos .

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

U₁₅( )= _н2 ²·Cos² .

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

U₁₆( )= _н2 ⁴·Cos⁴ .

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

U₁₇( )= _н2 ²·Sin² .

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

U₁₈( )= _н2 ⁴·Sin⁴ .

Напряжения U₁₅( ) и U₁₇( ) 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( )=6·U₁₅( )·U₁₇( )=6· _н2 ²·Cos² ·Sin² .

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

U₂₀ ( )=U₁₆( )-U₁₉( )= _н2 ⁴·Cos⁴ -6· _н2 ²·Cos² ·Sin² .

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

U₂₁( )= _н2 ⁴·Cos⁴ -6· _н2 ²·Cos² ·Sin² + _н2 ⁴·Sin⁴ = _н2 ⁴·Cos⁴ .

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

Повышение точности пеленгации источника излучения сложных сигналов обеспечивается увеличением измерительной базы d. A возникающая при этом неоднозначность отсчета угловой координаты 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 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 осуществляется на частоте 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.