ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР
PHASE-BASED DIRECTION-FINDER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения и пеленгации источников излучения сигналов.
Известно устройство для пеленгации источников излучения сигналов [1], содержащее первую и вторую приемные антенны, первый и второй приемники, первый, второй и третий перемножители, первый и второй узкополосные фильтры, фазовращатель на 90°, фазовый детектор, первый и второй индикаторы, коррелятор, блок регулируемой задержки, фильтр нижних частот, экстремальный регулятор и измерительный прибор.
Недостатком устройства-аналога является невозможность одновременной пеленгации нескольких источников излучения, а также низкая чувствительность и помехозащищенность.
В качестве устройства-прототипа выбран фазовый пеленгатор, в котором используются две антенны, два приемных устройства и фазометр [2].
Указанный пеленгатор использует фазовый принцип пеленгации, когда радиоволна с плоским фронтом образует на выходах антенн когерентные сигналы, разность фаз Δφ между которыми зависит от направления а на пеленгуемый источник излучения:
где d - расстояние между антеннами (база), λ - длина волны.
Недостатками такого построения являются низкая помехозащищенность и ограниченные функциональные возможности.
Задача изобретения - повышение помехозащищенности, расширение функциональных возможностей и увеличение чувствительности пеленгатора.
Поставленная задача решается тем, что в фазовый пеленгатор, содержащий две антенны и два приемных устройства, согласно изобретению дополнительно введены четыре преобразователя частоты, четыре полосовых фильтра высокой частоты, четыре фильтра промежуточной частоты, два режекторных фильтра на второй промежуточной частоте, два блока фильтров, блок фазометров, шесть усилителей радиочастоты и вычислительное устройство, при этом последовательно соединенные первый полосовой фильтр высокой частоты, первое приемное устройство, представляющее собой малошумящий усилитель радиочастоты, и второй полосовой фильтр высокой частоты образуют первый усилитель высокой частоты, последовательно соединенные третий полосовой фильтр высокой частоты, второе приемное устройство, также представляющее собой малошумящий усилитель радиочастоты, и четвертый полосовой фильтр высокой частоты образуют второй усилитель высокой частоты, последовательно соединенные первый полосовой фильтр промежуточной частоты, первый усилитель радиочастоты и второй полосовой фильтр промежуточной частоты образуют первый усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные третий полосовой фильтр промежуточной частоты, второй усилитель радиочастоты и четвертый полосовой фильтр промежуточной частоты образуют второй усилитель промежуточной частоты, последовательно соединенные первый режекторный фильтр второй промежуточной частоты, третий усилитель радиочастоты образуют третий усилитель второй промежуточной частоты, последовательно соединенные второй режекторный фильтр второй промежуточной частоты, четвертый усилитель радиочастоты образуют четвертый усилитель второй промежуточной частоты, при этом вход первого усилителя высокой частоты соединен с первой антенной, а выход - с первым входом первого преобразователя частоты, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, вход второго усилителя высокой частоты соединен с второй антенной, а выход - с первым входом второго преобразователя частоты, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя, вход которого соединен с выходом гетеродина, вход первого усилителя промежуточной частоты соединен с выходом второго преобразователя частоты, а выход - с первым входом третьего преобразователя частоты, вход второго усилителя промежуточной частоты соединен с выходом первого преобразователя частоты, а выход - с первым входом четвертого преобразователя частоты, вход пятого усилителя радиочастоты соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, а выход - с вторым входом третьего преобразователя частоты, вход шестого усилителя радиочастоты соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, а выход - с вторым входом четвертого преобразователя частоты, вход третьего усилителя второй промежуточной частоты соединен с выходом третьего преобразователя частоты, а выход - с входом первого блока фильтров, вход четвертого усилителя второй промежуточной частоты соединен с выходом четвертого преобразователя частоты, а выход - с входом второго блока фильтров, выход каждого фильтра первого блока фильтров соединен с первыми входами фазометров блока фазометров, а выход каждого фильтра второго блока фильтров - с вторыми входами соответствующих фазометров блока фазометров, а выходы фазометров блока фазометров соединены с вычислительным устройством, осуществляющим вычисление угловых координат источника излучения.
Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, увеличение разрешающей способности по частоте при одновременном приеме радиосигналов нескольких источников радиоизлучения, повышение надежности и точности определения пеленга на источники сигналов.
Заявленный фазовый пеленгатор содержит две антенны, два приемных устройства, четыре преобразователя частоты, четыре полосовых фильтра высокой частоты, четыре фильтра промежуточной частоты, два режекторных фильтра на второй промежуточной частоте, два блока фильтров, блок фазометров, шесть усилителей радиочастоты и вычислительное устройство, определенным образом соединенные между собой. Отличительной особенностью построения пеленгатора является то, что используется фазовая информация об угловых координатах источников на отдельных комбинационных частотах на промежуточной частоте, а не на частоте подстановки, так как именно на частоте подстановки налагаются сигналы всех источников, что приводит к ложному пеленгу. Поэтому в предлагаемой схеме именно сигналы на частоте подстановки режектируются, а сигналы на комбинационных частотах выделяются.
Комбинационные составляющие, возникающие при взаимодействии на нелинейных элементах сигналов, принятых на разнесенные антенны от одного и того же источника излучения, определим как собственные комбинационные компоненты. Комбинационные составляющие, образуемые взаимодействием на нелинейных элементах сигналов от различных излучателей, определим как взаимные комбинационные компоненты.
Для обеспечения мгновенного обзора по частоте предлагается реализация фазового пеленгатора с подстановкой частоты гетеродина. При обычном подходе применение такой схемы, сводящей все сигналы из полосы обзора на частоту подстановки, препятствует обеспечению условий разрешения. То есть требования мгновенного обзора широкой полосы частот и разрешения сигналов в принципе являются противоречивыми. Задача становится особенно сложной, если учесть, что при применении подстановки частоты гетеродина число комбинационных частот на выходе фазового дискриминатора перемножающего типа растет пропорционально четвертой степени от числа пеленгуемых источников. Комбинационные частоты содержат все сочетания начальных фаз сигналов, их производящих, и поэтому результирующая пеленгационная характеристика может оказаться существенно деформированной. В этом случае задача определения угловых координат каждого источника излучения в многоцелевой ситуации становится еще более трудно разрешимой [3, 4].
Решение предполагается исходя из рассмотрения фазовой структуры сигнала на выходах фазовых каналов. Новый подход предполагает обзор по взаимным комбинационным частотам на промежуточной частоте. Граница полосы определяется максимальным значением комбинационных частот. Наиболее простой вариант, обеспечивающий мгновенный обзор по промежуточной частоте имеем на основе фильтрового метода, при котором сохраняются информативные комбинационные составляющие и режектируются остальные. При этом введением дополнительно помехи большой интенсивности обеспечивается повышение чувствительности фазового пеленгатора, в то время как в обычных радиоприемных устройствах наличие мощной помехи приводит к большим искажениям и даже потере полезной информации.
На фиг.1 представлена схема пеленгатора, содержащая первый 1 и второй 2 антенные входы, первый 3, второй 4, третий 7 и четвертый 8 входные полосовые фильтры высокой частоты, первый 5 и второй 6 приемные устройства, гетеродин 11, фазовращатель 12, первый 9, второй 10, третий 19 и четвертый 20 преобразователи частоты, первый 13, второй 17, третий 14 и четвертый 18 фильтры промежуточной частоты, первый 15, второй 16, третий 25, четвертый 26, пятый 21 и шестой 22 усилители радиочастоты, первый 23 и второй 24 режекторные фильтры второй промежуточной частоты, первый 27 и второй 28 блоки фильтров, блок фазометров 29 и вычислительное устройство 30.
Поясним работу устройства. Сигналы, принятые антеннами 1 и 2, усиленные УВЧ1 и УВЧ2 и поступающие на входы преобразователей частоты 9 и 10, определим соответственно в виде:
,
,
<mrow><msubsup><mi>Ф</mi><mi>ν</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi></mrow></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mi>ν</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mrow><mi>a</mi><mo>,</mo><mi>b</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mtext> </mtext><mi>ν</mi></mrow><mi>a</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>m</mi><mtext> </mtext><mi>ν</mi></mrow><mi>b</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>a</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>b</mi></msubsup></mrow>
ν
где
,
- амплитуда сигнала, принятого от ν-го источника на антенну 1,
- амплитуда сигнала, принятого от ν-го источника на антенну 2, ω - частота v-того источника излучения,
и
- начальные фазы для v-того сигнала, принятого разнесенными антеннами 1 и 2 фазового радиопеленгатора.
Запишем сигнал гетеродина 11 в форме
Г
mГ
Г
U(t)=Usin[Ф(t)],
Г
Г
Г
где Ф(t)=ωt+ψ.
Разность фаз для ν-го источника определяется выражением
.
A1
Г
Сигнал, выделяемый первым усилителем промежуточной частоты, при перемножении сигналов U и U в преобразователе частоты 9 определим как
.
Г
На преобразователь частоты 10 сигнал U с гетеродина 11 поступает через фазовращатель 12, смещающий фазу сигнала на π/2 и, следовательно, можем для сигнала на выходе фазовращателя 12 записать:
Ф
mГ
Г
U(t)=Ucos[Ф(t)].
A2
Г
Сигнал, выделяемый вторым усилителем промежуточной частоты, при перемножении сигналов U и U в преобразователе частоты 10 определим как
.
A2
2
Сигнал на выходе третьего преобразователя частоты 19 при перемножении сигналов U и U определим как
.
A2
1
Сигнал на выходе четвертого преобразователя частоты 20 при перемножении сигналов U и U определим как
.
k1
k2
ν
Г
k1
k2
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>Г</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Ω</mi><mrow><mi>ν</mi><mi>λ</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>a</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>b</mi></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ω</mi><mi>Г</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Ω</mi><mrow><mi>ν</mi><mi>λ</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>b</mi></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>ν</mi><mi>a</mi></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>Г</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>ν</mi><mo>,</mo><mi>λ</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
2
Из вида сигналов U и U видно, что n составляющих двойной суммы при совпадении индексов λ=ν (собственные комбинационные компоненты) содержат начальные фазы Δφ+ψ,
на одной частоте - частоте гетеродина, что вызовет существенные искажения пеленгационной характеристики. Поэтому целесообразно осуществлять режектирование смеси сигналов на частоте гетеродина. Остальные n-n слагаемых, которые являются взаимными комбинационными составляющими, содержат фазы в виде
для U и
для U,
, ν≠λ.
νλ
νλ
ν
λ
νλ
λν
Выделение взаимных комбинационных составляющих на частотах Ω с помощью блоков фильтров 27 и 28 для обоих фазовых каналов и измерение для каждой пары разностей фаз на каждой комбинационной частоте с помощью блока фазометров 29 дает Δφ=Δφ+Δφ. При этом Δφ=Δφ. Следовательно, для однозначного разрешения получаемой системы уравнений достаточно использовать половину из всех возможных комбинационных составляющих, лежащих либо выше, либо ниже частоты гетеродина. В таком случае число уравнений будет равно n(n-1)/2, а число неизвестных - n. Таким образом, при n≥3 полученная система линейных уравнений имеет однозначное решение, которое позволяет получить раздельный пеленг для каждого источника излучения.
m1
m2
Г
m2
m1
Г
2
2
4
2
2
2
2
Рассмотрим теперь влияние преобразований в схеме предлагаемого фазового пеленгатора на относительные уровни комбинационных компонент с тем, чтобы оценить повышение чувствительности предлагаемой схемы фазового пеленгатора. Предположим, что U>U. Относительные уровни взаимных комбинационных компонент на выходах фазовых каналов для n=2 показаны на фиг.2, из которого следует, что на частоте подстановки ω имеем уровни для сигналов 1-го и 2-го излучателей, равные 1 и k соответственно, где k=U/U. Здесь под 1-м номером обозначен источник более сильного сигнала, относительно уровня которого производится нормировка (при этом соотношение уровней сигналов различных источников на входе пеленгатора равно k, где k<1). Поскольку на частоте ω имеем уровни сигналов 1 и k, то слабый сигнал на входе фазового канала ослабляется после преобразований в измерительном тракте еще больше, «сильный давит слабого»). Соответственно относительный уровень слабого сигнала на выходе фазового дискриминатора составит k относительно единицы для уровня сильного сигнала. Таким образом, после преобразования в фазовом дискриминаторе слабый сигнал будет ослабляться еще больше. Относительный уровень взаимных комбинационных компонент на выходах фазовых каналах составляет величину, равную k, а соответствующие составляющие на выходе фазового дискриминатора имеют относительный уровень, равный k против уровня, равного единице, для сильного (нормирующего) сигнала и против уровня для слабого сигнала. Отсюда можно сделать важный вывод: уровень взаимной комбинационной компоненты на выходе фазового канала в 1/k раз меньше сильного сигнала и в 1/k раз больше слабого сигнала; в соответствии с этим и на выходе фазового дискриминатора имеем взаимные комбинационные компоненты (используемые для раздельного измерения разностей фаз), уровень которых в 1/k раз меньше уровня сильного сигнала и в 1/k раз больше уровня слабого сигнала. Следовательно, при использовании взаимных комбинационных компонент для измерения разностей фаз между сигналами каждого из излучателей по сравнению с работой фазового пеленгатора в одноцелевом режиме по собственным комбинационным компонентам уровень сильного сигнала ослабляется в 1/k раз на выходе фазового дискриминатора, а уровень слабого сигнала возрастает во столько же раз. При этом происходит выравнивание уровней взаимных комбинационных компонент для сигналов разных источников излучения (при n=2 обе взаимные комбинационные компоненты для сильного и слабого сигналов оказываются равными). Таким образом, применение фазового пеленгатора с подстановкой частоты за счет использования для пеленгации источников взаимных комбинационных компонент не только позволяет решить проблему одновременного обзора широкой полосы частот радиолокационного диапазона с мгновенным разрешением сигналов, но также улучшает условия измерений для слабых сигналов по сравнению с одноцелевым фазовым пеленгатором, работающим по эквивалентному источнику с меньшим относительным уровнем сигнала.
νλ
mλ
mν
Приведенные выше рассуждения могут быть распространены и на случай, когда число источников излучения n>2. В этом случае относительный уровень сигналов на входе можно определить формулой k=U/U, где за ν-тый выбран источник, от которого сигнал, принимаемый радиоприемным устройством фазового пеленгатора, наиболее интенсивный.
Следовательно, в случае многоцелевой ситуации (n>2) происходит сглаживание величин относительных интенсивностей, измеренных по уровням взаимных комбинационных компонент, относительно уровней собственных комбинационных компонент для этих же источников, определяющих режим измерителя при одноцелевой ситуации.
Таким образом, как показало проведенное выше рассмотрение, работа фазового пеленгатора по взаимным комбинационным компонентам не ухудшает, а даже, напротив, улучшает энергетику радиолинии относительно более трудного случая слабых сигналов. Введением помехи большой интенсивности достигается повышение уровня слабого сигнала, и, следовательно, повышение чувствительности фазового пеленгатора.
Источники информации
1. Патент РФ 2165628, G01S 3/00, G01S 3/46, опубл. 20.04.2001.
2. Денисов В.П., Дубинин Д.В. Фазовые пеленгаторы. Томск, 2002, с.8.
3. Золотарев И.Д., Березовский В.А. Фазовый пеленгатор со схемой подстановки частоты гетеродина при работе по множественной цели, Омск: ОмГТУ, Омский научный вестник, 2009 г, №3 (83) - С.260-264.
4. Zolotarev I.D., Berezovskiy V.A., Privalov D.D. Signal Analysis at the Phase Discriminator Output of the Phase Direction Finder Circuit with the Frequency Substitution. - International Conference on Actual Problems of Electronic instrument Engineering Proceedings, APEIE-2010. - Novosibirsk: NSTU, September 22-24, 2010, V.1. - P.18-22.