ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР
PHASE DIRECTION FINDER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство обнаружения сигналов и измерения направления на источник излучения этих сигналов.
Известно построение фазового пеленгатора (ФП) в котором фазовый метод пеленгации реализуется многоканальным супергетеродинным приемником с двумя преобразованиями по частоте. (Фазовый пеленгатор. RU2543065).
Приемник этого ФП обладает повышенной помехоустойчивостью на зеркальной и комбинационных частотах в большом динамическом диапазоне входных сигналов, а благодаря коррекции фазовых ошибок в частотном диапазоне с запоминанием их при настройке и с помощью контрольного генератора, имеет высокую точность пеленгации в различных условиях эксплуатации. Для обеспечения высокой точности пеленгации ФП строится многоканальным, поэтому в ФП используется один из методов устранения фазовой неоднозначности. Все эти методы допускают определенные фазовые ошибки между каналами (базами), и эти ошибки подвержены коррекции при настройке и в процессе эксплуатации, но существуют ошибки, например, поляризационные, ошибки переотражения при взаимодействии антенной системы с обтекателем, которые невозможно корректировать и компенсировать, т.к. они определяются неизмеряемыми (неподконтрольными) параметрами сигнала, например, поляризацией. Они зависят от направления прихода излучаемого сигнала (ошибка из-за переотражения), при отсутствии возможности "хорошего" расположения антенной системы ФП на объекте или при больших фазовых ошибках из-за взаимодействия электромагнитной волны с обтекателем и антенной системой.
Целью изобретения является повышение точности пеленгации в широком частотном диапазоне и в широком диапазоне углов передней полусферы.
Поставленная цель достигается тем, что в фазовый пеленгатор содержащий N+1 антенну, N+1 смесителей высокой частоты (СмВЧ), N+1 усилителей промежуточной частоты (ПУПЧ), N+1 полоснопропуекающих фильтров первой промежуточной частоты (ППФПЧ1), усилитель высокой частоты (УВЧ), направленный ответвитель (НО), полоснопропускающий фильтр высокой частоты (ППФВЧ), N смесителей промежуточной частоты (СмПЧ), N полоснопропускающих фильтров второй промежуточной частоты (ППФПЧ2), причем последовательно соединенные первые антенна, СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2 образуют первый фазовый приемный канал, последовательно соединенные вторые антенна, СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2 образуют второй фазовый приемный канал, последовательно соединенные N-e антенна, СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2 образуют N-ый фазовый приемный канал, последовательно соединенные (N+1)-я антенна, НО, УВЧ, ППФВЧ, (N+1)-e СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1 образуют опорный приемный канал. Фазовый пеленгатор содержит два перестраиваемых гетеродина (ПГ), блок управления частотой гетеродина (БУЧГ), контрольный генератор (КГ), два усилителя промежуточной частоты с логарифмическим видеовыходом (УПЧЛ), аналоговый сумматор, формирователь напряжения смещения (ФНСм), три пороговых устройства (ПУ), аналоговый компаратор, (N+2)-й ППФПЧ1, (N+1)-й ППФПЧ2, два амплитудных детектора (АД), частотный дискриминатор (ЧД), два блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП), вычислитель промежуточной частоты (ПЧ), четырехвходовую схему совпадений, электронно-программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ), формирователь отсчетов АЦП, вычислитель разностей фаз, блок коррекции. Выходы ППФПЧ2 каждого из N фазовых приемных каналов через N входов и N выходов 1-го блока АЦП, формирователя отсчетов АЦП, вычислителя разности фаз соединены с N входами блока коррекции. Выход первого ПГ соединен с вторыми входами СмВЧ каждого фазового канала. Первый выход БУЧГ соединен с входом первого ПГ. Второй выход БУЧГ через второй ПГ соединен с вторым входом (N+1)-го СмВЧ опорного канала. Третий выход БУЧГ через КГ соединен с вторым входом НО. Выход N-го ППФПЧ2 через УПЧЛ, (N+1)-ый ППФПЧ2, первый АД, первое ПУ соединен с первым входом ЭППЗУ. (N+1)-ый выход вычислителя разности фаз соединен с вторым входом ЭППЗУ. Четвертый выход БУГЧ соединен с третьим входом ЭППЗУ. Выход вычислителя ПЧ соединен с четвертым входом ЭППЗУ. Второй выход первого УПЧЛ через аналоговый сумматор соединен с первым входом аналогового компаратора. Выход ФНСм соединен с вторым входом аналогового сумматора. Выход (N+1)-го ППФПЧ1 через второй УПЧЛ, (N-2)-ый ППФПЧ1, второй АД, второй ПУ соединен с первым входом четырехвходовой схемы совпадений. Выход (N+2)-го ППФПЧ1 соединен дополнительно с вторыми входами каждого из N СмПЧ. Второй выход второго УПЧ-Л соединен с вторым входом аналогового компаратора и входом третьего ПУ, выходы которых соединены соответственно с вторым и третьим входами четырехвходовой схемы совпадений. Второй выход первого ПУ соединен с четвертым входом четырехвходовой схемы совпадений, выход которой соединен с третьим входом второго блока АЦП и (N+1)-ым входом формирователя отсчетов разностей фаз. Выход ЭППЗУ соединен с (N+1)-ым входом блока коррекции. Первый выход второго УПЧ-Л соединен дополнительно с входом ЧД, два выхода которого, через два входа и два выхода второго блока АЦП соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя ПЧ. В фазовый пеленгатор дополнительно введены вычислитель несущей частоты (ВНЧ), формирователь отсчетов грубого пеленга (ФОГП), вычислитель точного пеленга (ВТП), вычислитель угловой ошибки (ВУО), вычислитель пеленга по минимальной ошибке (ВПМО), многоканальный коммутатор, два выхода которого являются выходами устройства. При этом первый вход ВНЧ соединен дополнительно с выходом вычислителя ПЧ. Второй вход ВНЧ соединен дополнительно с четвертым выходом БУЧГ. N выходов блока коррекции соединены с N входами ФОГП, N входами ВТП и N входами ВПМО. Выход ВНЧ соединен с (№-1)-ыми входами ФОГП и ВТП. Два выхода ФОГП соединены соответственно с первым, вторым входами ВУО и (№-1)-ым, (Ы+2)-ым входами ВПМО. Первый и второй выходы ВТП соединены соответственно с третьим и четвертым входами ВУО и первым и вторым входами многоканального коммутатора. Первый и второй выходы ВПМО соединены соответственно с третьим и четвертым входами многоканального коммутатора. Пятый вход, которого соединен с выходом ВУО. Два выхода многоканального коммутатора являются выходами устройства.
На рис. 1 приведена структурная схема пеленгатора.
1
2
N
1
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Фазовый пеленгатор содержит N+1 антенн 1, 1, …, 1, 10, расположенных в одной плоскости, N из которых (1, …1) образуют фазовую решетку, а антенна 10 расположена в центре всей антенной системы, N+1 СмВЧ 2, 2, …, 2, 15, N+1 ПУПЧ 3, 3, …, 3, 16, N+2 ППФПЧ1 4, 4, …, 4, 18, 27, N СмПЧ 5, 5, …, 5, N+1 ППФПЧ2 6, 6, …, 6, 26, два перестраиваемых гетеродина 7, 14, БУЧГ 8, КГ 9, НО 11, УВЧ 12, ППФВЧ 13, два УПЧЛ 20, 23, ФНСм 17, аналоговый сумматор 21, аналоговый компаратор 22, три ПУ 25, 31, 37, два АД 30, 32, ЧД 28, два блока АЦП 19, 33, вычислитель ПЧ 38, четырехвходовую схему совпадений 36, ЭППЗУ 35, формирователь отсчетов АЦП 24, вычислитель разностей фаз 29, блок коррекции 34, вычислитель несущей частоты (ВНЧ) 39, формирователь отсчетов грубого пеленга (ФОГП) 40, вычислитель точного пеленга (ВТП) 41, вычислитель угловой ошибки (ВУО) 42, вычислитель пеленга по минимальной ошибке (ВПМО) 43, многоканальный коммутатор 44.
1
2
N
1
2
N
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
N
N
N
N
N
1
2
N
1
2
N
N
1
2
N
Выход каждой из антенн 1, 1, …, 1 соединен соответственно с первыми входами каждого СмВЧ 2, 2, …, 2. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют первый приемный фазовый канал. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют второй приемный фазовый канал. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют N-й приемный фазовый канал. Выход антенны 10 через НО 11 соединен с входом УВЧ 12. Последовательно соединенные УВЧ 12, ППФВЧ 13, СмВЧ 15, ПУПЧ 16, ППФПЧ1 18 образуют опорный приемный канал. Выход первого ПГ 7 соединен с вторыми входами каждого из СмВЧ 2, 2, …, 2, входящих в N фазовых приемных каналов, выход второго ПГ 14 соединен с вторым входом СмВЧ 15 опорного канала. Первый, второй, третий и четвертый выходы БУЧГ 8 соединены соответственно с входами первого ПГ 7, с входом ПГ 14, через КГ 9 с вторым входом НО 11, с третьим входом ЭППЗУ 35 и дополнительно с вторым входом ВНЧ 39. Выход каждого из N ППФПЧ2 6, 6, …, 6 соответственно через N входов и N выходов первого блока АЦП 19, N входов и N выходов формирователя отсчетов АЦП 24, N входов и N выходов вычислителя разности фаз 29, N входов и N выходов блока коррекции 34, соединены с N входами ФОГП 40. Выход ППФПЧ2 6 N-го фазового канала соединен дополнительно с входом первого УПЧЛ 20, первый выход которого через (N+1)-ый ППФПЧ2 26, первый АД 30, первое ПУ 31 соединен с четвертым входом четырехвходовой схемы совпадений 36. Выход ФНСм 17 через аналоговый сумматор 21, аналоговый компаратор 22 соединен с вторым входом схемы совпадений 36. Второй выход второго УПЧЛ 23 соединен с вторым входом компаратора 22 и через второй ПУ 25 соединен с третьим входом схемы совпадений 36. Первый выход второго УПЧЛ 23 соединен с входом (N+2)-го ППФПЧ1 27 и с входом ЧД 28. Выход (N+2)-ro ППФПЧ1 27 соединен с вторыми входами СмПЧ 5, 5, …, 5 и через второй АД 32 и третий ПУ 37 с первым входом четырехвходовой схемы совпадений 36. Два выхода ЧД 28 соединены соответственно через второй блок АЦП 33 с двумя входами вычислителя ПЧ 38, выход которого соединен с четвертым входом ЭППЗУ 35 и с первым входом ВНЧ 39. Выход схемы совпадений 36 соединен с (N+1)-ым входом формирователя отсчетов АЦП 24 и с третьим входом второго блока АЦП 33.
N выходов блока коррекции 34 дополнительно соединены с N входами ВТП 41, N входами ВПМО 43, выход ВНЧ 39 соединен с (N+1)-ым входом ФОГП 40 и (N+1)-ым входом ВТП 41, два выхода ФОГП 40 соединены соответственно с первым и вторым входами ВУО 42 и (N+1)-ым и (N+2)-ым входами ВПМО 43, два выхода ВТП 41 соединены соответственно с первым и вторым входами многоканального коммутатора 44 и третьим и четвертым входами ВУО 42. Два выхода ВПМО 43 соединены соответственно с третьим и четвертым входами многоканального коммутатора 44, пятый вход которого соединен с выходом ВУО 42. Два выхода многоканального коммутатора являются выходами ФП.
В основе работы пеленгатора заложен фазовый метод пеленгации, когда плоско падающая радиоволна 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 электромагнитного излучения.
Антенна опорного канала устанавливается в центре, остальные - по периметру с целочисленным соотношением проекций баз на азимутальную и угломестную оси координат.
В качестве приемного устройства в составе пеленгатора используется супергетеродинный приемник с двумя преобразованиями по частоте с двумя гетеродинами, разнесенными по частоте на величину второй промежуточной частоты с запретом приема на зеркальной частоте.
При настройке пеленгатора запоминаются значения корректирующих кодов по каждой базе по сигналу источника излучения, установленного в равнофазном направлении и по сигналу с контрольного генератора. В штатном режиме осуществляется коррекция фазовых ошибок.
гр
гр
Также при настройке пеленгатора заполняются ячейки памяти ФОГП. При этом, источник излучения в рабочем месте устанавливается точно в определенное угловое положение и устанавливается с определенным дискретом определенная несущая частота сигнала. Запоминаются с определенным дискретом по фазе и несущей частоте все фазовые состояния по всем базам пеленгатора, и устанавливается соответствие грубым выходным пеленгам. Таким образом, формируется полная таблица, в которой всевозможным фазовым и частотным состояниям соответствуют грубые пеленги α, β в обеих плоскостях (азимут α и угол места β) передней полусферы.
1
N
Фазовый пеленгатор работает следующим образом. Электромагнитная волна преобразуется входными антеннами 1-1 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты с разностями фаз по парциальным базам, определяемым выражением (1). На выходе антенны 10 образуется сигнал с произвольной фазой.
i
i
i
i
i
В каждом из N фазовых каналов сигнал преобразуется в СмВЧ 2 на первую ПЧ, усиливается ПУПЧ 3, фильтруется ППФПЧ 4, преобразуется в СмПЧ 5 на вторую ПЧ и фильтруется ППФПЧ2 6 с узкой полосой пропускания на второй ПЧ.
i
N
С выхода антенны 10 сигнал через НО 11 поступает на вход опорного канала, где усиливается УВЧ 12, фильтруется ППФВЧ 13 на высокой частоте, преобразуется СмВЧ 15 на первую ПЧ опорного канала, отличающуюся от первой ПЧ фазового канала на величину второй ПЧ. Затем сигнал в опорном канале усиливается ПУПЧ 16, фильтруется ППФВЧ 18, усиливается УПЧЛ 23 и дополнительно фильтруется ППФПЧ1 27. С выхода ППФПЧ1 27 сигнал поступает на вторые входы СмПЧ2 5 каждого из N фазовых каналов. В БУЧГ 8 устанавливается необходимая частота первого ПГ 7 и второго ПГ 14, которые сдвинуты друг относительно друга на величину второй ПЧ. С третьего выхода БУЧГ 8 управляет режимами и частотой КГ 9. С третьего его выхода поступает цифровой код, соответствующий коду частоты второго ПГ 14 на второй вход ВНЧ 39 и на третий вход ЭППЗУ 35. С первого выхода второго УПЧЛ 23 ПЧ сигнал поступает также на вход ЧД 28. В нем осуществляется в квадратурах вычисление разности фаз прямого и задержанного сигнала и формируются напряжения, пропорциональные Sinϖτ и Cosϖτ. Во втором блоке АЦП 33 эти напряжения преобразуются в цифровой двоичный код, а в вычислителе ПЧ 38 вычисляется ϖτ по формуле  Величина задержки τ выбирается такой, чтобы однозначно измерить величину ПЧ во всей мгновенной полосе пропускания приемного устройства. С выхода вычислителя ПЧ 38 двоичный код, пропорциональный величине ПЧ поступает на четвертый вход ЭППЗУ 35 и на первый вход ВНЧ 39. Таким образом, устанавливается соответствие между частотой сигнала, частотой ПГ 14 и измеренной величиной ПЧ, что необходимо для однозначного соответствия каждому сигналу кода коррекции в ЭППЗУ 35 и в блоке коррекции 34. С выхода ППФПЧ1 27 ПЧ сигнал поступает также на вход АД 32 и после детектирования - на вход ПУ 37, а затем на первый вход схемы совпадений 36. Таким образом, наличие сигнала на выходе третьего ПУ 37 формирует мгновенную полосу пропускания приемника во всем динамическом диапазоне входных сигналов. С второго выхода второго УПЧЛ 23 видеосигнал поступает на второй вход аналогового компаратора 22 и на вход второго ПУ 25, а с их выходов соответственно на второй и третий входы схемы совпадений 36. С выхода ППФПЧ2 6 N-го фазового канала ПЧ сигнал поступает дополнительно на вход УПЧЛ 20. С ПЧ выхода УПЧЛ 20 сигнал фильтруется ППФПЧ2 26, затем детектируется АД 30 и сравнивается с порогом в первом ПУ 31. Таким образом, формируется наличие сигнала в полосе пропускания после второго преобразования по частоте. С выхода первого ПУ 31 логический сигнал поступает на четвертый вход схемы совпадений 36. Видеосигнал с второго выхода УПЧЛ 20 поступает на первый вход аналогового сумматора 21, на второй вход которого приходит напряжение с выхода ФНСм 17. С выхода сумматора 21 сумма сигналов поступает на первый вход компаратора 22, а с его выхода - на второй вход схемы совпадений 36. Компаратор 22 разрешает работу приемного устройства на основной частоте приема. На зеркальной частоте напряжение на выходе компаратора 22 будет соответствовать логическому нулю и обнаружение сигнала не произойдет.
c
Г2
ПЧ
c
Г2
ПЧ
ПЧ сигналы с выхода каждого из N ППФПЧ2 6i поступают на N входов первого блока АЦП 19. В блоке непрерывно с высокой тактовой частотой осуществляется преобразование аналоговых ПЧ сигналов в двоичные коды, которые поступают, соответственно, на входы формирователя отсчетов АЦП 24. По импульсу обнаружения, сформированному на выходе четырехвходовой схемы совпадений 36 при переходе выходов первого, второго, третьего ПУ 25, 31, 37 и аналогового компаратора 22 в состояние логической единицы (при обнаружении сигнала) в формирователе отсчетов 24 по принципу скользящего временного окна запоминается на время обработки определенное количество двоичных чисел. В вычислителе разности фаз 29 вычисляются разности фаз по парциальным базам по принципу комплексного быстрого преобразования Фурье (БПФ) или по квадратурам. Далее в блоке коррекции 34 по каждой парциальной базе осуществляется коррекция фазовых ошибок по кодам, взятым из памяти ЭППЗУ 35 в соответствии с установленной частотой второго гетеродина 14 и измеренной вычислителем ПЧ 38 промежуточной частотой (f=f+f, где f - вычисляемая или задаваемая при настройке или в КГ 9 частота сигнала, f - частота второго гетеродина, f - измеренная ПЧ). В случае если измеренная или задаваемая частоты не совпадают, используется метод интерполяции или берется значение кода коррекции, ближайшее по частоте.
1
N
При настройке пеленгатора по источнику излучения, установленному в равнофазном направлении, через (N+1)-й выход вычислителя разности фаз 29 и второй вход ЭППЗУ 35 заполняется ЭППЗУ 35 по всему частотному диапазону. Затем включается КГ 9 и последовательно в частотном диапазоне заполняется ЭППЗУ 35 в режиме КГ. При этом сигнал с выхода КГ 9 через НО 11 и антенну 10 распространяется в виде электромагнитной волны на фазовые антенны 1…1 фазовых каналов и, далее, по приемным фазовым каналам с формированием кодов коррекции в режиме КГ.
Обнаружение сигналов и формирование отсчетов пеленгов в рабочем режиме осуществляется следующим образом. Поочередно происходит установка ПГ 7 и связанного с ним второго ПГ 14 по частоте. В случае если частота сигнала после преобразования по частоте попадает в полосу пропускания приемника и, если при этом мощности сигнала достаточно для срабатывания первого, второго, третьего ПУ 31, 25, 37 и, если частота будет соответствовать основной (не зеркальной) частоте приема, сработает четырехвходовая схема совпадений 36 и произойдет обнаружение сигнала. В случае если при установленных значениях частоты первого и второго ПГ 7 и 14 частота сигнала близка к зеркальной частоте опорного канала (см. фиг. 2), обнаружение не произойдет, так как при выбранных значениях полос пропускания фазового и опорного каналов, величины второй ПЧ, АЧХ этих каналов не пересекаются. В динамическом диапазоне входных сигналов, когда из-за конечной избирательности полоснопропускающих фильтров возможно срабатывание ПУ 25, 31 и 37, не сработает аналоговый компаратор 22, так как амплитуда видеосигнала с выхода 2 УПЧЛ 20 будет существенно меньше амплитуды с второго выхода УПЧЛ 23. Этим обеспечивается повышенная помехозащищенность пеленгатора в динамическом диапазоне входных сигналов.
Формирование пеленгов в пеленгаторе осуществляется следующим образом. Периодически включается КГ 9, осуществляется контроль работоспособности пеленгатора (встроенный контроль) и производится запись текущих корректирующих кодов в ЭППЗУ 35. При обнаружении сигнала в формирователе отсчетов АЦП 24 по принципу скользящего временного окна фиксируется по всем N каналам блока АЦП 19 некоторое количество временных отсчетов (выборок), по которым вычисляется в вычислителе 29 значения разности фаз по парциальным базам. В соответствии с вычисленной несущей частотой сигнала из памяти ЭППЗУ 35 выбирается для каждой базы код коррекции, сформированный при настройке пеленгатора по источнику излучения в равнофазном направлении, и осуществляется коррекция отсчетов разностей фаз. Затем из ЭППЗУ 35 выбираются ближайшие по частоте и по времени значения корректирующих кодов для каждой базы как разница текущих значений разностей фаз и, записанных в режиме КГ при настройке пеленгатора. Таким образом, в пеленгаторе обеспечивается повышенная точность пеленгации в условиях его эксплуатации и полная его проверка в режиме встроенного контроля.
Высокая точность пеленгации в случае измерения пеленгов с грубой (аномальной) ошибкой обеспечивается следующим образом.
т
т
гр
гр
По описанной выше процедуре вычисляются пеленги излучения точным (ВТП) пеленгатором 41 и формируются пеленги α, β. Из таблицы формирователя отсчетов грубого пеленга 40 по подвергнувшимся коррекции фазовым отчетам формируются грубые пеленги α, β. Грубыми они называются потому, что вычисляются таблично по старшим разрядам фазовых отсчетов и, следовательно, не могут быть такими точными, как в ВТП, в котором используются все разряды фазовых отсчетов. Затем в ВУО вычисляется разность пеленгов (грубого и точного) по обеим координатам азимут и угол места и принимается решение:
т
т
1) если разница по каждой координате не велика, т.е. не превышает некий порог, соответствующий отсутствию аномальной ошибки в точном пеленгаторе, то вычисленные точным пеленгатором 41 пеленги α, β коммутируются многоканальным коммутатором 44 на выходы;
2) если разница превышает порог хотя бы по одной координате в некоторой окрестности пеленгов, сформированных в ВОГП 41 по грубому пеленгатору, вычисляются в ВПМО 43 точные пеленги с учетом дополнительной коррекции, внесенной грубым пеленгатором 40.
Таким образом, будет достигнута точность пеленгации несколько хуже, чем в ВТО при первоначальном вычислении.
Это подтверждено математическим моделированием и является достижимым техническим результатом: повышение точности пеленгации в условиях расположения антенной системы пеленгатора, когда классические методы устранения фазовой неоднозначности не реализуются во всех рабочих пространственных углах передней полусферы.