Фазовый пеленгатор
PHASE DIRECTION FINDER

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в радиомониторинге при поиске источников радиоизлучения (ИРИ) на ограниченной территории и в помещениях, например, специальных электронных устройств перехвата информации.
Известны различные схемы фазовых пеленгаторов, например, патент США №4383301 МПК G01S 5/02, 7/04, а также радиопеленгатор по заявке №1333546 (Великобритания) МПК G01S 3/48, 3/10.
Классическая схема фазового пеленгатора (аналог) приведена на рисунке 8.1 с. 195 в книге: В.А. Чердынцев «Радиотехнические системы». Минск, «Вышэйшая школа», 1988, 369 с. Недостатком аналога является тот факт, что определение пеленга на источник радиоизлучения производится только в одной плоскости пространственных углов азимутальной или угломестной.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является фазовый пеленгатор, приведенный в патенте РФ №2282872 по заявке №2005107832/09 с приоритетом от 21.03.2005 г., зарегистрированный в ГРИ РФ 27.08.2006 г., авторы: Камашев Б.В., Камашев А.Б., Подлужный В.И., Поддужный А.В., Рюмшин Р.И.
Известный фазовый пеленгатор содержит первую и вторую антенны, разнесенные на определенное расстояние, первый и второй приемные тракты, соединенные входами с первой и второй антеннами соответственно, первый и второй фазовращатели, имеющие фиксированные и взаимно противоположные фазовые сдвиги и связанные входами с выходом первого приемного тракта, фазовый детектор, соединенный одним входом с выходом первого фазовращателя, а вторым входом через третий управляемый фазовращатель с выходом второго приемного тракта, первый и второй ограничители снизу на нулевом уровне, первый сумматор, соединенный первым прямым входом через первый ограничитель снизу на нулевом уровне с выходом фазового детектора, а вторым прямым входом с выходом второго ограничителя снизу на нулевом уровне, второй сумматор, соединенный первым прямым входом с выходом первого ограничителя снизу на нулевом уровне, а вторым инверсным входом с выходом второго ограничителя снизу на нулевом уровне, первое и второе устройства вычисления модуля, соединенные первое входом с выходом первого сумматора, второе входом с выходом второго сумматора, первое вычитающее устройство, соединенное входом уменьшаемого с выходом первого устройства вычисления модуля, а входом вычитаемого с выходом второго устройства вычисления модуля, третий сумматор, соединенный первым и вторым прямыми входами с выходами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, первый усилитель, соединенный входом с выходом первого вычитающего устройства, первый компаратор, соединенный первым входом с выходом первого усилителя, а вторым входом с выходом третьего сумматора, ключевая схема, соединенная первым входом с выходом первого компаратора, генератор управляющего напряжения, соединенный выходом со вторыми входами третьего управляемого фазовращателя и ключевой схемы одновременно. Выход ключевой схемы является первым выходом пеленгатора.
Принцип измерения угловой координаты (пеленга) источника излучения радиоволн в известном пеленгаторе реализуется путем сравнения фаз сигналов, принятых разнесенными в плоскости измерения антеннами. Схема пеленгатора строится в двухканальном варианте, обеспечивающем это сравнение. Особенностью схемы является повышение точности определения пеленга. Решение этой задачи проводится путем совместного применения функциональных процедур пересечения и объединения.
Для этого из двух сдвинутых по угловой координате и пересекающихся на равносигнальном направлении напряжений обеспечивается формирование элементами схемы сигналов «пересечения» и «объединения». Эти напряжения жестко связаны между собой общей точкой, находящейся по углу на равносигнальном направлении, а по уровню, определяемому фазовращателями с фиксированными фазовыми сдвигами. Затем из сигналов «пересечения и «объединения» производится формирование узкой области в окрестностях равносигнального направления, определяющей момент отсчета пеленга и являющейся пеленгационной характеристикой, определяющей точность пеленгации при заданном отношении сигнал шум на входе приемных каналов. При этом за счет перестройки управляемого фазовращателя возможно сканирование равносигнальным направлением в пределах определенного сектора.
К недостаткам известного фазового пеленгатора следует отнести ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в том, что определение пеленга на источник радиоизлучения производится только в одной плоскости пространственных углов азимутальной или угломестной. Это обусловлено анализом и использованием только фазовой информации, заключенной в принимаемых сигналах.
Вместе с тем в настоящее время при поиске ИРИ актуальной является задача определения его угловых положений одновременно в двух ортогональных плоскостях. Анализ показывает, что это возможно путем использования не только фазовой, но и амплитудной информации в принимаемых сигналах ИРИ.
Задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в формировании узкой области отсчета пеленга на основе амплитудной информации в принимаемых сигналах ИРИ и применения процедур пересечения и объединения при обработке этой информации.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в обеспечении возможности определения пеленгатором углового положения ИРИ одновременно в двух ортогональных плоскостях.
Технический результат достигается тем, что в известный фазовый пеленгатор, содержащий первую и вторую антенны, разнесенные на определенное расстояние, первый и второй приемные тракты, соединенные входами с первой и второй антеннами соответственно, первый и второй фазовращатели, имеющие фиксированные и взаимно противоположные фазовые сдвиги и связанные входами с выходом первого приемного тракта, фазовый детектор, соединенный одним входом с выходом первого фазовращателя, а вторым входом через третий управляемый фазовращатель с выходом второго приемного тракта, первый и второй ограничители снизу на нулевом уровне, первый сумматор, соединенный первым прямым входом через первый ограничитель снизу на нулевом уровне с выходом фазового детектора, а вторым прямым входом с выходом второго ограничителя снизу на нулевом уровне, второй сумматор, соединенный первым прямым входом с выходом первого ограничителя снизу на нулевом уровне, а вторым инверсным входом с выходом второго ограничителя снизу на нулевом уровне, первое и второе устройства вычисления модуля, соединенные первое входом с выходом первого сумматора, второе входом с выходом второго сумматора, первое вычитающее устройство, соединенное входом уменьшаемого с выходом первого устройства вычисления модуля, а входом вычитаемого с выходом второго устройства вычисления модуля, третий сумматор, соединенный первым и вторым прямыми входами с выходами первого и второго устройств вычисления модуля соответственно, первый усилитель, соединенный входом с выходом первого вычитающего устройства, первый компаратор, соединенный первым входом с выходом первого усилителя, а вторым входом с выходом третьего сумматора, ключевая схема, соединенная первым входом с выходом первого компаратора, генератор управляющего напряжения, соединенный выходом со вторыми входами третьего управляемого фазовращателя и ключевой схемы одновременно, а выход ключевой схемы является первым выходом пеленгатора, введены четвертый сумматор, соединенный первым прямым входом с выходом второго фазовращателя, а вторым прямым входом с выходом третьего управляемого фазовращателя, пятый сумматор, связанный первым прямым входом с выходом второго фазовращателя, а вторым инверсным входом с выходом третьего управляемого фазовращателя, второе вычитающее устройство, соединенное входом уменьшаемого через третье устройство вычисления модуля с выходом четвертого сумматора, а входом вычитаемого через четвертое устройство вычисления модуля с выходом пятого сумматора, шестой сумматор, связанный первым и вторым прямыми входами с выходами третьего и четвертого устройств вычисления модуля соответственно, второй усилитель, соединенный входом с выходом второго вычитающего устройства и входом второго ограничителя снизу на нулевом уровне одновременно, второй компаратор, связанный первым входом с выходом шестого сумматора, а вторым входом с выходом второго усилителя, выход второго компаратора являются вторым выходом фазового пеленгатора.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурная схема фазового пеленгатора. На фиг. 2…7 показаны зависимости, рассчитанные теоретически. На фиг. 8…15, 18 представлены сигналы в различных точках схемы по результатам моделирования. На фиг. 16, 17, 19…24 представлены результаты статистической оценки эффективности предлагаемого пеленгатора.
Фазовый пеленгатор (фиг. 1) содержит первую 1 и вторую 2 антенны, разнесенные на определенное расстояние d, первый 3 и второй 4 приемные тракты, первый 5 и второй 6 фазовращатели, имеющие фиксированные и взаимно противоположные фазовые сдвиги, третий управляемый фазовращатель 7, фазовый детектор 8, первый 15 и второй 16 ограничители снизу на нулевом уровне, первый 17, второй 18, третий 24, четвертый 9, пятый 10 и шестой 14 сумматоры, первое 19, второе 20, третье 11 и четвертое 12 устройства вычисления модуля, первое 21 и второе 13 вычитающие устройства, первый 25 и второй 23 усилители, первый 26 и второй 22 компараторы, ключевую схему 27, генератор управляющего напряжения 28.
Перед пояснением назначения элементов и принципа работы схемы обоснуем общий подход к построению пеленгатора.
При построении пеленгаторов для радиомониторинга, особенно ручных, стремятся обеспечить сочетание таких противоречивых требований, как компактность аппаратуры, оперативность обзора пространства и высокая точность определения угловых положений ИРИ.
Реализация этих требований возможна путем использования принципа построения комплексных моноимпульсных систем [Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.], электронного сканирования исследуемого пространства хотя бы в одной плоскости и специальных мер по уменьшению ошибок пеленгации. В качестве этих мер возможно совместное применение функциональных процедур пересечения и объединения [Гордиенко В.И., Дубровский С.Е., Рюмшин Р.И., Фенев Д.В. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации. / Радиоэлектроника / Изв. ВУЗов, №3, 1998, - с 13-17], позволяющих получить узкие результирующие пеленгационные характеристики (ПХ). Предлагаемая схема пеленгатора, совмещает указанные требования.
см
Чтобы обойтись при пеленговании в двух плоскостях только двумя взаимосвязанными каналами, антенны 1 и 2 в диапазоне СВЧ могут являться облучателями одного зеркала, представляющего собой вырезку из параболического цилиндра. Для этого облучатели, обеспечивающие формирование двух лучей I и II, в горизонтальной плоскости наклонены друг к другу на угол 2ε, а в вертикальной плоскости разнесены на расстояние d. Это обеспечивает пеленгование ИРИ в горизонтальной плоскости амплитудным методом при механическом перемещении антенн, а в вертикальной - фазовым методом при электронном сканировании.
Для создания наклона лучей относительно друг друга в горизонтальной плоскости (фиг. 2, а) облучатели располагаются вблизи, но по разные стороны от фокальной плоскости (один слева, другой - справа).
В формировании лучей в вертикальной плоскости участвуют антенны, разнесенные на расстояние d, и верхняя и нижняя половины параболического цилиндра. Поскольку в этой плоскости используется фазовый метод, эти лучи можно рассматривать как один, что условно показано на фиг. 2, б.
Аналогичным образом возможно формирование соответствующих диаграмм направленности в более длинноволновой части УКВ диапазона без помощи зеркала, например, с помощью антенн типа вибратор-рефлектор или рупорных антенн.
Первый 3 и второй 4 приемные тракты осуществляют стандартные операции обработки на высокой и промежуточной частоте.
Фазовращатели 5 и 6 с фиксированными и противоположными фазовыми сдвигами ±β формируют из сигнала первой антенны два сдвинутых по фазе напряжения для угломестного канала, угловые зависимости которых пересекаются на постоянном и высоком уровне на равносигнальном направлении (РСН), обеспечивая в дальнейшем получение этого направления.
Генератор управляющего напряжения 28 и третий управляемый фазовращатель 7 обеспечивают сканирование равносигнальным направлением в угломестной плоскости в заданном секторе за счет изменения фазы опорного напряжения, формируемого из сигнала, поступающего со второй антенны.
Фазовый детектор 8 формирует первую ПХ угломестного канала, сдвинутую на угол β относительно РСН.
Четвертый 9, пятый 10 и шестой 14 сумматоры, третье 11 и четвертое 12 устройства вычисления модуля и второе вычитающее устройство 13 формируют сигналы пересечения (с выхода вычитающего устройства 13) и объединения (с выхода сумматора 14). При этом сигнал пересечения для угломестной плоскости эквивалентен сигналу с выхода фазового детектора 8, но сдвинутому на угол - β относительно РСН, то есть это вторая ПХ угломестного канала, используемая далее для получения РСН и результирующей ПХ этого канала. Таким образом, с фазового детектора 8 и второго вычитающего устройства 13 снимается фазовая информация относительно пеленга в угломестной плоскости.
Далее сигналы первой и второй ПХ проходят ограничители снизу на нулевом уровне 15 и 16, которые исключают отрицательные ветви сдвинутых пеленгационных характеристик угломестного канала, устраняя ложные пеленги в этом канале.
Первый 17, второй 18 и третий 24 сумматоры, первое 19 и второе 20 устройства вычисления модуля и первое вычитающее устройство 21 формируют из сигналов первой и второй ПХ сигналы пересечения (с выхода первого вычитающего устройства 21) и объединения (с выхода сумматора 24). Эти сигналы имеют совпадающие экстремумы на равносигнальном направлении и используются для получения узкой области отсчета пеленга или результирующей пеленгационной характеристики угломестного канала, которая формируется на выходе первого компаратора 26 после сравнения усиленного в первом усилителе 25 сигнала пересечения и сигнала объединения с выхода третьего сумматора 24.
Далее ключевая схема 27 обеспечивает прохождение на первый выход предлагаемого пеленгатора напряжения результирующей ПХ с выхода компаратора 26 в момент действия разрешающего напряжения с генератора управляющего напряжения 28, определяющего положение угломестного пеленга.
Использование амплитудной информации о пеленге ИРИ в азимутальной плоскости реализуется при медленном (по равнению с электронным в угломестной плоскости и одновременно с ним) механическом (например, ручном) сканировании антенной системой в этой плоскости. Это обеспечивается за счет введенных в известный пеленгатор элементов и связей. Разница в скорости сканирования позволяет рассматривать процессы в угломестном и азимутальном каналах независимо друг от друга. Кроме того, угломестный поиск может быть включен после осуществления азимутального.
Сигнал пересечения с выхода второго вычитающего устройства 13 помимо фазовой содержит амплитудную информацию о положении ИРИ в азимутальной плоскости. Эта информация заключена в огибающих I и II (фиг. 2, а), сдвинутых по углу в азимутальной плоскости и пересекающихся на равносигнальном направлении диаграммах направленности антенн 1 и 2, модулирующих принимаемые сигналы. То же касается и сигнала объединения, получаемого с выхода шестого сумматора 14. Объясняется это тем, что сигналы пересечения и объединения формируются блоками 9, 10, 11, 12, 13 и 14 из сигналов приемных каналов, содержащих эту модуляцию. Сигналы пересечения и объединения строятся на основе выделения и специфического преобразования модуляции огибающими. Так же, как и в угломестном канале, экстремумы сигналов пересечения и объединения находятся на равносигнальном по азимуту направлении и жестко связаны между собой. Они используются для получения узкой области отсчета пеленга или результирующей пеленгационной характеристики азимутального канала, которая формируется на выходе второго компаратора 22 после сравнения усиленного во втором усилителе 23 сигнала пересечения и сигнала объединения с выхода шестого сумматора 14. Так достигается технический результат изобретения.
1
1
1
На качественном уровне принцип формирования пеленгационных характеристик в азимутальном и угломестном каналах показан на фиг. 3, 4, 5. Здесь на фиг. 3 представлены характерные сигналы угломестного канала: сигнал пересечения ∩ на выходе первого вычитающего устройства 21; сигнал пересечения на выходе первого усилителя 25, представляющий собой произведение коэффициента усиления С≥1 и пересечения С⋅∩; сигнал объединения ∪ на выходе третьего сумматора 24; пеленгационная характеристика угломестного канала на выходе первого компаратора 26 как результат выполнения неравенства С⋅∩≥∪.
2
2
2
На фиг. 4 представлены характерные сигналы азимутального канала: сигнал пересечения ∩ на выходе второго вычитающего устройства 13; сигнал пересечения на выходе второго усилителя 23, как результат произведения коэффициента усиления С≥1 и пересечения С⋅∩; сигнал объединения ∪ на выходе шестого сумматора 14; пеленгационная характеристика азимутального канала на выходе второго компаратора 22 как результат выполнения неравенства С⋅∩≥∪.
Наконец, на фиг. 5 изображена результирующая пеленгационная характеристика предлагаемого пеленгатора в трехмерном представлении, если, например, выходы каналов подключить к соответствующему индикатору.
Поясним принцип действия заявляемого устройства, используя аналитические соотношения, описывающие физические процессы в элементах схемы, и результаты имитационного моделирования.
1
2
Пусть ИРИ находится под углом ε относительно нормали к плоскости раскрыва антенны в азимутальной (горизонтальной) плоскости и под углом в θ угломестной (вертикальной) плоскости. Антенная система формирует в горизонтальной плоскости две диаграммы направленности (ДНА) за счет смещения облучателей из фокуса F(ε) и F(ε) фиг. 6. Тип антенны, используемый в качестве примера в предлагаемом пеленгаторе, позволяет с достаточной для проведения оценок точностью принять в горизонтальной плоскости широко распространенную колокольную аппроксимацию ДНА в виде:
0,5р
где ε - ширина ДНА по половинной мощности, a ε - текущий угол.
Диаграммы пересекаются на равносигнальном направлении. Угол смещения каждой из диаграмм относительно РСН определяется соотношением
см
где К - коэффициент смещения, значения которого выбирается из условия пересечения диаграмм на заданном уровне.
В теории и практике пеленгации уровень пересечения принимается, как правило, не более 0,5 для обеспечения наибольшей крутизны ПХ. Однако это приводит к существенным энергетическим потерям.
см
Применение процедур пересечения и объединения для формирования ПХ, как будет показано далее, позволяет выбрать уровень пересечения диаграмм 0,7-0,9 от максимума. Тогда для колокольной аппроксимации ДНА этому будет соответствовать К=0,19-0,28.
Следует заметить так же, что в горизонтальной плоскости необходимо иметь более узкую ДНА, поскольку извлекается амплитудная информация о положении ИРИ.
В вертикальной плоскости информация о пеленге извлекается из фазовых различий сигналов, принимаемых каждым каналом. Поэтому амплитудная диаграмма не должна существенно влиять на процесс обработки, вследствие чего она должна быть достаточно широкой в секторе сканирования. Это требование обеспечивается отсутствием фокусировки поля в раскрыве в вертикальной плоскости и формированием поля каждой из антенн системой из двух элементов, один из которых активный, другой пассивный. Поэтому представляется вполне приемлемым для вертикальной плоскости принять аппроксимацию каждой из антенн в виде активного слабонаправленного элемента, например симметричного вибратора длиной , а рефлектором будет являться соответствующая область зеркала с расстоянием до вибратора ~λ/4. Здесь λ - длина волны. Диаграмма направленности такой системы приближенно может быть представлена следующей зависимостью:
1
2
где α - текущее значение угла в вертикальной плоскости; А, В, С - некоторые постоянные, определяемые принятыми при моделировании параметрами системы вибратор-рефлектор. Примерный вид ДНА в вертикальной плоскости, соответствующий (3), представлен на фиг. 7. Диаграммы направленности каналов I и II в вертикальной плоскости совпадают, то есть F(α)=F(α)=F(α).
Поскольку анализ сигналов в азимутальной и угломестной плоскости производится независимо, пространственная диаграмма канала может быть представлена в виде F(ε,α)=F(ε)⋅F(α).
Принимаемые антенной от ИРИ сигналы на выходе облучателей 1 и 2 можно представить в виде
0
1
2
m
1
2
1
2
где ω - угловая частота, ϕ, ϕ - начальные фазы сигналов на выходах облучателей; U - амплитуда сигналов; σ(t), σ(t) - собственные шумы каналов, пересчитанные к входам, полагаем некоррелированными и примерно одинаковыми σ(t)~σ(t)~σ(t).
Поскольку сигналы приходят от одного источника, их начальные фазы в угломестной плоскости отличаются сдвигом Δϕ, обусловленным разностью хода волн, то есть
Здесь d - разнос облучателей в угломестной плоскости; θ - угол между направлением на ИРИ в вертикальной плоскости и нормалью к плоскости раскрыва.
Далее сигналы (4) и (5) подвергаются частотному преобразованию и усилению на промежуточной частоте в приемных трактах 3 и 4 и поступают на неуправляемые фазовращатели 5 и 6 с приемного тракта 3 и на управляемый фазовращатель 7 с приемного тракта 4.
На выходе фазовращателей соответственно будем иметь:
пр
1
2
Здесь ω - угловая промежуточная частота; K, K - коэффициенты усиления приемных трактов; ±β - фиксированные фазовые сдвиги в фазовращателях 5 и 6; α(t) - относительно медленно изменяющаяся составляющая фазы опорного напряжения, обеспечивающая однократное или периодическое сканирование равносигнального направления в угломестной плоскости в пределах определенного сектора.
В общем случае α(t)=Ru(t), где R - коэффициент пропорциональности, a u(t) - закон изменения напряжения, например, пилообразный, генератора управляющего напряжения 28.
6
Имитационное моделирование, использованное для проверки работоспособности предлагаемого пеленгатора, проведено для частоты сигнала ИРИ ƒ=2,4⋅10 Гц. В качестве сигнала принят гармонический немодулированный, в качестве аддитивного шума - случайный процесс с нормальным распределением мгновенных значений нулевым средним и заданной дисперсией. Частота дискретизации выбрана из условия минимизации погрешности представления сигнала и составила .
5
6
7
Вид сигналов на выходе фазовращателей представлен на фиг. 8 в координатах амплитуда-время. Здесь u, u, u - сигналы на выходе 5, 6, 7 фазовращателей соответственно для фиксированных значений углов и фазовых сдвигов. В обозначениях эпюр напряжений на выходах блоков, показанных на фиг. 8-14, нижний индекс соответствует номеру блока структурной схемы пеленгатора.
Далее сигнал (7) поступает на один вход фазового детектора 8. На другой его вход в качестве опорного подается сигнал (9) с выхода управляемого фазовращателя 7.
Сигнал (8) одновременно подается на первые прямые входы четвертого 9 и пятого 10 сумматоров. Сигнал (9), кроме второго входа фазового детектора 8, одновременно поступает на второй прямой вход четвертого сумматора 9 и на второй инверсный вход пятого сумматора 10.
m
m
1
2
Для упрощения анализа положим U>>σ(t), U=1, K=K=K=1. Можно показать, что на выходах сумматоров 9 и 10 будем соответственно иметь сигналы в виде
где
Далее сигналы (10) и (11) подвергаются взятию модуля в третьем 11 и четвертом 12 устройствах вычисления модуля соответственно.
С выхода вычислителя модуля 11 сигнал  подается одновременно на вход уменьшаемого второго вычитающего устройства 13 и на первый прямой вход шестого сумматора 14. Сигнал  с выхода вычислителя модуля 12 одновременно поступает на вход вычитаемого второго вычитающего устройства 13 и на второй прямой вход шестого сумматора 14.
6
7
Блоки 9, 10, 11, 12, 13 представляют собой функциональный узел, реализующий операцию пересечения над входными сигналами u(t) и u(t), а блоки 9, 10, 11, 12, 14 - узел, реализующий операцию объединения. Поэтому на выходе блоков 13 и 14 соответственно будем иметь
После фильтров нижних частот, исключающих высокочастотную составляющую, сигналы пересечения и объединения с точностью до постоянного множителя приобретают вид
Можно показать, исходя из принципа работы балансного фазового детектора при соизмеримых амплитудах входных сигналов, что выходной сигнал фазового детектора 8 после исключения высокочастотной составляющей имеет вид:
Выражения (15), (16) и (17) описывают физические сигналы на выходе соответствующих блоков и содержат в себе всю амплитудную и фазовую информацию, достаточную для формирования ПХ, обнаружения и определения пеленгов в азимутальной и угломестной плоскости в результате последующей обработки.
Сигналы пересечения (15) и первого объединения (16) используются в азимутальном канале путем анализа только амплитудных параметров.
Наоборот, в угломестном канале подвергаются оценке только фазовые параметры сигналов (15) и (17).
Вместе с тем из анализа полученных выражений следует, что в каждом случае имеет место взаимовлияние параметров, сказывающееся на показателях качества обнаружения и измерения. Однако, исходя из принципа работы пеленгатора, формирование ПХ в данной плоскости может быть проведено независимо при условии нахождения ИРИ на РСН в ортогональной плоскости, что упрощает анализ, существенно не сказываясь на результатах. Это же подтверждают и результаты моделирования.
С учетом этого обстоятельства рассмотрим процесс определения пеленга в азимутальной плоскости с привлечением результатов моделирования работы схемы пеленгатора.
см
1
см
2
см
Упростим вначале выражения (15) и (16), приняв , так как антенна в вертикальной плоскости слабонаправленная. Кроме того, поскольку ДНА в горизонтальной плоскости одинаковы, но смещены на угол ε относительно РСН, представим их в виде F(ε)=F(ε+ε), F(ε)=F(ε-ε).
Примем так же, что оценка пеленга по азимуту происходит в момент выполнения равенства α(t)=-(Δϕ+β). Это условие реализуется автоматически при перестройке фазовращателя 7.
С учетом этих допущений выражения (15) и (16) преобразуются к виду
11
12
13
14
Сигналы на выходах блоков азимутального канала представлены на фиг. 9, 10 в координатах амплитуда (относительные единицы) - азимутальный угол (градусы). Здесь на фиг. 9 показаны: U - модуль огибающей суммарного сигнала на выходе блока 11; U - модуль огибающей разностного сигнала на выходе блока 12. На фиг. 10 показаны: U - огибающая сигнала пересечения на выходе второго вычитающего устройства 13; U - огибающая сигнала объединения на выходе шестого сумматора 14. Значение РСН по азимуту принято равным ε=0°.
см
Для дальнейшего анализа разложим функцию F(ε±ε) в ряд Тейлора в окрестности РСН и отбросим члены, порядок малости которых два и более, в результате получим
см
где F'(ε) - первая производная нормированной ДНА в точке РСН. Здесь интервал анализа выбран в пределах  в окрестности РСН, так как именно в этой узкой области значений ε формируется ПХ и справедливо принятое разложение.
13
2
23
2
13
После прохождения сигнала U(ε) через второй усилитель 23 с пороговым коэффициентом усиления С≥1 получим U(ε)=2⋅С⋅U(ε).
23
14
Наконец, в компараторе 22 производится сравнение сигналов (20) и (21) (пересечения и объединения) с фиксацией момента их равенства U(ε)≥U(ε).
Выходной сигнал компаратора 22 и будет представлять собой результирующую ПХ пеленгатора в азимутальной плоскости.
Можно показать, что ширина ПХ определяется соотношением
2
Как следует из полученного выражения (22), ширина ПХ зависит от формы диаграммы направленности и значения порогового коэффициент С. Причем, зависимость от последнего значительно сильнее.
2
Выбор рабочего значения порогового коэффициента С определяется уровнем собственных шумов, требуемыми показателями качества обнаружения и измерения пеленг будет рассмотрен далее.
2
13
14
22
10
13
14
23
22
10
При С>1 экстремумы сигналов пересечения U(ε) и объединения U(ε) перекрываются. Степень перекрытия определяется значением порогового коэффициента, а результирующая ПХ U(ε) на выходе компаратора 22 (втором выходе фазового пеленгатора) имеет прямоугольную форму с треугольной вершиной (фиг. 11). Здесь на фиг. 11 представлены полученные в результате моделирования в координатах: относительная амплитуда - азимутальный угол ε (град) сигналы: U - огибающая на выходе пятого сумматора 10; U - на выходе второго вычитающего устройства 13; U - на выходе шестого сумматора 14; U - на выходе второго усилителя 23; U - на выходе второго компаратора 22. Заметим, что огибающая разностного сигнала U может использоваться для определения направления движения антенны пеленгатора по азимуту на РСН.
Можно показать, что оценка точности измерения пеленга в азимутальной плоскости в общем случае может быть проведена путем определения среднеквадратической погрешности в соответствии с соотношением
ф
ф
где К - коэффициент, определяемый формой ПХ, К=0,5…1,2 - для большинства практических случаев; q - отношение сигнал/шум по мощности.
Среднее значение ширины ПХ в азимутальной плоскости для принятой аппроксимации ДНА определяется соотношением:
На основании анализа (23) и (24) можно сделать вывод о том, что получение ПХ азимутального канала на основе процедур пересечения и объединения повышает точность пеленгации. Оценка зависимости среднеквадратической ошибки пеленгации будет дана далее.
Для формирования области отсчета пеленга в угломестной плоскости используется фазовая информация, заключающаяся в сигналах (15) и (17).
Преобразуем эти выражения, приняв в качестве условия, что формирование ПХ по углу места производится в момент, когда антенная система находится на равносигнальном направлении по азимуту. Физически это реализуется, например, путем предварительной установки с помощью разностного сигнала в азимутальном канале.
1
2
С учетом этого условия можно полагать, что F(ε)=F(ε)=F(ε). Кроме того, остается в силе условие F(α)≈const в пределах сектора сканирования по углу места. Тогда выражения (15) и (17 преобразуются к виду
Напомним, что угловое смещение θ (пеленг) по углу места заключено в разности фаз Δϕ (6) между сигналами, поступающими на входы антенн, α(t) - переменная составляющая фазы за счет опорного напряжения, ±β - фиксированные сдвиги фаз в фазовращателях 5 и 6.
8
13
8
13
Сигналы (26) и (25) с выхода фазового детектора 8 и второго вычитающего устройства 13 поступают на вход первого 15 и второго 16 ограничителей снизу на нулевом уровне соответственно. Вид этих сигналов U и U по результатам моделирования представлен на фиг. 12 в координатах, относительная амплитуда - угломестный угол α в градусах. Приведенные зависимости по сути представляют собой пеленгационные характеристики подканалов в угломестной плоскости, сдвинутые относительно друг друга на 2β. Ограничители исключают отрицательные ветви зависимостей U и U, представленных на фиг. 12, обеспечивая однозначность оценки пеленга.
Для формирования результирующей ПХ в угломестной плоскости сигналы с выходов ограничителей подвергаются процедурам пересечения и объединения.
15
16
17
15
16
18
15
16
Для этого с выхода ограничителя 15 сигнал U(α) одновременно подается на первые прямые входы первого 17 и второго 18 сумматоров, а сигнал U(α) с выхода ограничителя 16 - на второй прямой и второй инверсный входы первого и второго сумматоров соответственно. В результате на выходе блока 17 и блока 18 будут соответственно суммарное и разностное напряжения: U(α)=U(α)+U(α) и U(α)=U(α)-U(α).
Эти напряжения подвергаются операции взятия модуля в первом 19 и втором 20 устройствах вычисления модуля: .
Напряжения на выходах этих блоков показаны на фиг. 13 в координатах, относительная амплитуда - угломестный угол α в градусах. Эти напряжения получены в результате имитационного моделирования с учетом действия шума, ИРИ расположен под углом θ=10 градусов в угломестной плоскости.
8
13
Затем модуль суммы одновременно подается на вход уменьшаемого первого вычитающего устройства 21 и первый прямой вход третьего сумматора 24. Модуль разности одновременно подается на вход вычитаемого первого вычитающего устройства 21 и второй прямой вход третьего сумматора 24. На выходе первого вычитающего устройства будет иметь место напряжение, соответствующее пересечению входных сигналов U(α) и U(α)
На выходе третьего сумматора - напряжение, соответствующее объединению этих сигналов:
8
13
Сигналы пересечения и объединения жестко связаны между собой общей точкой, в которой на РСН пересекаются U(α) и U(α). Положение этой точки по амплитуде обеспечивается на высоком энергетическом уровне, который определяется выбором значений β в фазовращателях 5 и 6 и сильно не зависит от углового смещения объекта пеленгации при слабонаправленной антенне в вертикальной плоскости. Положение РСН по углу определяется пеленгом на ИРИ.
21
1
24
1
21
24
Далее сигнал пересечения U(α) усиливается в первом усилителе 25 с пороговым коэффициентом С≥1 и подается на первый вход первого компаратора 26, где сравнивается с сигналом объединения U(α), подаваемым на второй вход компаратора. В результате при выполнении неравенства С⋅U≥U формируется узкая область отсчета пеленга, симметричная относительно РСН, которая представляет собой результирующую ПХ в угломестной плоскости.
25
24
26
Сигнал пересечения на выходе усилителя U объединения U и результирующая ПХ в угломестной плоскости на выходе компаратора U приведены на фиг. 14 в координатах, относительная амплитуда - угломестный угол α в градусах.
28
Положение РСН в каждый данный момент времени определяется значением напряжения генератора управляющего напряжения 28 u(t), подаваемого на второй вход управляемого фазовращателя 7 и перестраивающего фазу.
Одновременно напряжение генератора 28 подается на второй вход ключевой схемы 27, на первый вход которой поступает разрешающий сигнал пеленгационной характеристики с компаратора 26. В результате с выхода ключевой схемы на первый выход пеленгатора проходит сигнал, соответствующий угломестному пеленгу в момент формирования ПХ.
Угловое положение ИРИ может быть найдено в момент отсчета из соотношения
24
25
26
На основе анализа поведения напряжений U, U и U в области РСН можно показать, что ширина пеленгационной характеристики в угломестной плоскости будет определяться соотношением
а диапазон допустимых значений β лежит в пределах 10°≤β≤45°.
8
13
1
Сектор сканирования в угломестной плоскости ΔФ определяется из условия однозначности отсчета пеленга, поскольку напряжения U(α) и U(α) имеют периодический характер, а также из условия допустимого снижения амплитуды сигнала за счет направленных свойств антенны в угломестной плоскости. Условие однозначности при этом является решающим. Моделирование и анализ показывают, что величина сектора сканирования ΔФ для d/λ=0,8 лежит в пределах -36°≤ΔФ≤36° фиг. 15. Здесь в полярной системе координат представлены: нормированная ДНА в угломестной плоскости для принятой аппроксимации F(α), действительный пеленг при положении ИРИ θ=36° (фактически это результирующая ПХ в угломестной плоскости при С=1,1) и ложный пеленг.
Кроме того, значение сектора сканирования ΔФ зависит от относительного разноса антенн d/λ. Эта зависимость представлена на фиг. 16. Анализ показывает, что в пределах 1≤d/λ≤0,6 она обратно пропорциональна и линейна.
Для d/λ≤0,5 ложного пеленга в передней полусфере не возникает, однако, при ΔФ>60° искажается форма сигнала пересечения и ПХ расширяется. Поэтому для d/λ≤0,5 фактором, ограничивающим сектор сканирования, является допустимое расширение пеленгационной характеристики.
max
Необходимо заметить, что фиг. 15. иллюстрирует также влияние направленных свойств антенны на величину сектора сканирования по углу места, проявляющегося в уменьшении амплитуды принимаемого сигнала. В данном случае это влияние несущественно, так как на краю сектора F(α)=0,9F.
1
1
Для реализации сканирования по углу места закон изменения управляющего напряжения генератора 28 может быть выбран соответствующим закону изменения разности хода волн на выходах облучателей, то есть , где R,R - коэффициенты пропорциональности. Значение R определяется типом управляемого фазовращателя. Коэффициент R может быть определен как скорость сканирования, то есть , где ΔT - период сканирования.
Выбор периода сканирования ΔT связан с характером решаемой задачи радиомониторинга, типом фазовращателя, видом сигнала и др.
Результаты моделирования, таким образом, подтверждают работоспособность предлагаемого фазового пеленгатора.
ε
α
Для оценки эффективности предложенной схемы определены статистические показатели качества азимутального и угломестного каналов. За показатели качества приняты: вероятность правильного обнаружения пеленга , вероятность ложной тревоги , среднее значение ширины пеленга , среднеквадратическая ошибка (СКО) измерения пеленга σ(σ), определяемые путем имитационного моделирования.
1
2
При этом под  понимается вероятность принятия решения об обнаружении пеленга на фиксированном направлении и при заданном значении порогового коэффициента С и С в зависимости от отношения сигнал/шум на входе приемных каналов. Оценка указанной вероятности находилась как отношение числа положительных исходов n, определяемого счетчиком на выходе компараторов каждого канала, к общему числу опытов N. Среднее значение ширины пеленга определялось путем усреднения результатов М измерений при фиксированном значении  и значении порогового коэффициента. Оценка среднеквадратической погрешности проводилась аналогично при фиксированном значении порогового коэффициента в зависимости от отношения сигнал/шум на входе.
2
c
ш
Результаты оценки для азимутального канала приведены на фиг. 17…20. На фиг. 17 представлены зависимости вероятности правильного обнаружения пеленга от отношения сигнал/шум на входе в виде  при фиксированных значениях порогового коэффициента С. Здесь U - амплитуда сигнала, σ - среднеквадратическое значение напряжения шума. Цифры, обозначающие кривые, являются значениями порогового коэффициента, для которого эти зависимости получены. Чем ниже отношение сигнал/шум, тем больше значение порогового коэффициента усиления требуется для реализации решающего правила обнаружения пеленга. Обращает на себя внимание высокая крутизна всех без исключения кривых, что свидетельствует о лавинообразном характере выполнения решающего правила обнаружения азимутального пеленга и подтверждает исключение ложного срабатывания в условиях действия только шума и вне пеленгационной характеристики.
Относительно  следует заметить, что особенностью и достоинством предлагаемой схемы является исключение ложного срабатывания азимутального канала при действии только шума. Это следует из самого алгоритма реализации процедур пересечения и объединения над принятыми сигналами. Действительно, выбор большего из сопоставляемых сигналов при реализации процедуры объединения на выходе блока 14 и меньшего при реализации пересечения на выходе блока 13 приводит к тому, что в случае действия только шума на входах при любом его значении, как и значении порогового коэффициента усиления сигнала пересечения из области его рабочих значений  (блок 23), срабатывание компаратора 22 исключается.
2
∩
∪
2
∩
∪
При наличии полезного сигнала на входах приемников, на выходах блоков 13 и 14 начинает проявляться сигнальная составляющая и при превышении отношением сигнал/шум единицы появляется возможность формирования пеленгационной характеристики в соответствии с решающим правилом C⋅U(ε)≥U(ε), которая зависит от соотношения сигнальной и шумовой составляющих и значения порогового коэффициента С. Это иллюстрируется эпюрами на фиг. 18. Здесь приведены выходные сигналы блоков 13 - сигнал пересечения U(ε)) и 14 - сигнал объединения U(ε) для входного отношения сигнал/шум, равного десяти.
∩
∪
∩
∪
∩
2
Как следует из фиг. 18, экстремумы U(ε) и U(ε) проявляются хорошо и в направлении пеленга отличаются незначительно (U(ε)≅0,47, U(ε)≅0,55). Поэтому достаточно небольшого усиления  сигнала пересечения U(ε) в блоке 23, чтобы обеспечить формирование ПХ. Вне пеленгационной характеристики этого усиления будет явно недостаточно (требуется С≥10), чем исключаются ложные пеленги.
2
Выбор рабочих значений С зависит от входного отношения сигнал/шум и связан с анализом вероятности правильного обнаружения пеленга, требуемой ширины ПХ и среднеквадратической ошибки определения пеленга.
2
2
∩
∪
Зависимость среднего значения ширины пеленгационной характеристики  в градусах от значения порогового коэффициента С в виде  при фиксированном отношении сигнал/шум, обеспечивающем вероятность правильного обнаружения пеленга , приведена на фиг. 19. Как видно из фиг. 19, эта зависимость почти линейная. Анализ показывает, что при заданном виде аппроксимации ДНА ширина ПХ практически не зависит от ширины ДНА, а полностью определяется значением порогового коэффициента С при заданной вероятности правильного обнаружения. Это объясняется тем, что в формировании ПХ участвуют экстремумы функций U(ε) и U(ε), сближающиеся своей обостренной частью на РСН, фиг. 18.
ε
2
2
Зависимости среднеквадратической ошибки определения азимутального пеленга σ в градусах от отношения сигнал/шум в виде  при фиксированном значении порогового коэффициента С представлены на фиг. 20. Цифры, обозначающие кривые представляют собой значения порогового коэффициента С, для которых эти зависимости получены. Поведение этих зависимостей обратно поведению вероятностей правильного обнаружения. Увеличение отношения сигнал/шум и выбор порогового коэффициента позволяет обеспечить весьма малые значения СКО измерения азимутального пеленга, что и подтверждает соотношение (23).
1
1
∩
∪
1
Результаты оценки для угломестного канала приведены на фиг. 21-24. Угломестный канал в отличие от азимутального использует фазовую информацию об угловом положении источника радиоизлучения. Особенностью предлагаемой схемы является отсутствие порогового устройства, как такового. Роль порогового устройства играет пороговый коэффициент усиления С блока 25. Усиленный этим блоком сигнал пересечения сравнивается в первом компараторе 26 с сигналом объединения, реализуя тем самым решающее правило С⋅U(α)≥U(α), поэтому вероятность ложной тревоги можно исследовать только в зависимости от СКО шума на входе, зафиксировав значение порогового коэффициента С.
На фиг. 21 показана усредненная зависимость вероятности ложной тревоги от коэффициента усиления в виде .
Приведенная зависимость позволяют производить обоснованный выбор порогового коэффициента в различных условиях помеховой обстановки.
1
Зависимости вероятности правильного обнаружения угломестного пеленга от отношения сигнал/шум на входе в виде  при фиксированных значениях С представлены на фиг. 22. Цифры, обозначающие кривые, представляют собой значения пороговых коэффициентов усиления сигнала пересечения, для которых получены указанные зависимости. Чем ниже отношение сигнал/шум, тем большее значение порогового коэффициента усиления требуется для реализации решающего правила обнаружения пеленга.
1
1
Зависимость среднего значения ширины пеленгационной характеристики от порогового коэффициента С в виде  при фиксированном отношении сигнал/шум, обеспечивающем вероятность правильного обнаружения пеленга , приведена на фиг. 23. Анализ показывает, что ширина ПХ в угломестной плоскости практически не зависит от вида аппроксимации ДНА и ширины ДНА, а полностью определяется значением порогового коэффициента С при заданной вероятности правильного обнаружения.
Это объясняется тем, что в формировании ПХ участвуют не амплитудные, а фазовые характеристики, а также самим способом формирования встречными экстремумами функций пересечения и объединения.
1
Зависимости среднеквадратической погрешности определения угломестного пеленга от отношения сигнал/шум в виде  при фиксированном значении порогового коэффициента С представлены на фиг. 24. Цифры, обозначающие кривые, являются значениями порогового коэффициента, для которого эти зависимости получены. Поведение кривых свидетельствует о том, что СКО определения пеленга практически мало зависит от порогового коэффициента, а, значит и ширины ПХ и полностью определяется отношением сигнал/шум.
1
2
Полученные зависимости позволяют производить обоснованный выбор требуемого значения пороговых коэффициентов С и С для первого 25 и второго 23 усилителей и определяют диапазон возможных значений этих коэффициентов в интервале .
Сравнение полученных на основе моделирования показателей качества угломестного и азимутального каналов предлагаемого пеленгатора с известными позволяет с сделать вывод об эффективности предлагаемого пеленгатора.
Результаты моделирования подтверждают работоспособность, осуществимость и эффективность предлагаемого пеленгатора и, таким образом, достижение технического результата изобретения за счет введенных элементов и связей, реализующих принцип обнаружения-измерения, основанный на совместном использовании функциональных процедур пересечения и объединения.
Возможность практической реализации также следует из того, что схема может быть построена на типовых, известных и технологически отработанных элементах. Например:
антенны 1, 2 - могут быть выбраны различных типов, в зависимости от диапазона частот и тактико-технических требований к пеленгатору. В частности могут использоваться антенны типа вибратор-рефлектор, или зеркальные антенны, как в рассматриваемом примере, либо рупорные антенны по типу описанных в [Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. Антенны УКВ.Ч 1. - М. «Связь», 1977. - 384 с.] с. 254, рис. 16.2;
приемные тракты 3, 4 - могут быть построены по стандартной схеме радиосвязных или радиолокационных приемников с выходом на промежуточной частоте по типу описанной в [М.К. Белкин, В.Т. Белинский, Ю.Л. Мазор и др. Справочник по учебному проектированию приемоусилительных устройств. К., «Выща школа», 1988. - 472 с.] с. 405, рис. 14.4;
фазовращатели 5, 6 с фиксированным и фазовращатель 7 с управляемым фазовым сдвигом - могут быть выполнены в зависимости от значения рабочей частоты на линиях задержки, RC-цепях, последовательных или параллельных колебательных контурах. На частотах до 30÷40 МГц возможна реализация фазовращателей на основе RC-цепей по типу описанных в [А.П. Голубков, А.Д. Далматов, А.П. Лукошкин и др. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Под ред. М.А. Соколова. - М., Высш. шк., 1984, - 335 с.] с. 122-126. На более низких частотах - по типу широкополосного фазовращателя с плавной регулировкой фазового сдвига, приведенного в [P.M. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. Полупроводниковые приемо-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. Киев: Наук, думка, 1987. - 800 с.] с. 701, рис. XI.II;
фазовый детектор 8 - может быть реализован в виде балансного фазового детектора, описанного в [М.К. Белкин, В.Т. Белинский, Ю.Л. Мазор и др. Справочник по учебному проектированию приемоусилительных устройств. К., «Выща школа», 1988. - 472 с.] с. 252, рис. 9.31, в;
ограничители снизу на нулевом уровне 10, 11 могут быть выполнены по простой схеме диодного детектора, приведенного в [А.П. Голубков, А.Д. Далматов, А.П. Лукошкин и др. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Под ред. М.А. Соколова. - М., Высш. шк., 1984, - 335 с.] с. 140, рис. 5.12;
сумматоры 9, 10, 14, 17, 18, 24 и вычитающие устройства 13 и 21 могут быть выполнены по обычной схеме усилителей на два входа или с прямым и инверсным входами по типу описанных в [А.Г. Алексеенко. Применение прецизионных аналоговых интегральных микросхем. - М., Радио и связь, 1981, 354 с.] с. 77, рис 3.2;
устройства вычисления модуля 11, 12, 19, 20 могут быть реализованы по схеме двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях по типу приведенной в [В.П. Бобровский, В.И. Костенко, В.М. Михайленко и др. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Под ред. В.П. Боровского. - К: Тэхника, 1989. - 480 с.] с. 241, рис. 12.4;
усилители 23 и 25 могут представлять собой обычный резистивно-емкостный видеоусилитель с регулировкой коэффициента усиления в цепи коллектора, приведенный в [Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. Антенны УКВ.Ч 1. - М. «Связь», 1977. - 384 с.] с. 270, рис. 10.1;
компараторы 22 и 26 могут быть реализованы на операционном усилителе по типу интегрального компаратора, описанного в [В.П. Бобровский, В.И. Костенко, В.М. Михайленко и др. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Под ред. В.П. Боровского. - К: Тэхника, 1989. - 480 с.] с. 251, рис. 12.22;
ключевая схема 27 может быть выполнена в виде биполярного аналогового ключа по типу приведенного в [М.В. Гальперин. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 320 с.] с. 240, рис. 6.22;
генератор управляющего напряжения 28 для формирования управляющего напряжения произвольной формы наиболее универсальной является схема на основе синтезатора, приведенная в [В.П. Бобровский, В.И. Костенко, В.М. Михайленко и др. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Под ред. В.П. Боровского. - К: Тэхника, 1989. - 480 с.] с. 296, рис. 14.10, г.
Анализ известных технических решений в области систем передачи информации показывает, что заявляемое изобретение, благодаря существенным признакам в составе введенных элементов и связей, определившим путь достижения технического результата, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники в данной предметной области и соответствует требованию «изобретательского уровня».
Заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить в заявляемом объекте существенные по отношению к техническому результату отличительные признаки, что позволяет считать заявленное изобретение удовлетворяющим критерию «изобретательская новизна».