ВЕРТОЛЕТНЫЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС
HELICOPTER RADIO ELECTRONIC COMPLEX

Предлагаемый комплекс относится к области радиоэлектроники и может быть использован для обнаружения и определения координат источников радиоизлучений (ПРИ), объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, и течи в подземных трубопроводах систем нефте-перекачки, тепло- и водоснабжения и передачи полученной информации с борта вертолета по радиоканалу непосредственно и через геостационарный ИСЗ-ретранслятор на наземный пункт приема информации (ППИ).
Известны станции радиотехнического контроля (патенты РФ №2150178, 2275746, 2313911; патенты США №3806929, 3891989, 3896439; патент Великобритании №1587357; патент Франции №2447041; Вакин С.В., Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнического контроля. - М.: Сов. радио, 1968, с.382, рис.10.2 и другие).
Из известных станций наиболее близкой к предлагаемому комплексу является «Станция радиотехнического контроля» (патент РФ №2313911, Н04K 1/10, 2006), которая и выбрана в качестве прототипа.
Известная станция обеспечивает обнаружение и определение координат радиоэлектронных средств (РЭС) систем экологического мониторинга, угнанных транспортных средств и др., а также достоверную передачу аналоговой и дискретной информации с борта вертолета на ППИ путем ее защиты от несанкционированного доступа и использования сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн).
Однако потенциальные возможности известной станции используются не в полной мере.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей станции путем обнаружения и определения координат объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, а также течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения.
Поставленная задача решается тем, что вертолетный радиоэлектронный комплекс, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, станцию радиотехнического контроля, размещенную на борту вертолета, и наземный пункт приема информации, при этом станция радиотехнического контроля содержит последовательно включенные антенное устройство, приемник, анализатор параметров принимаемого сигнала, устройство запоминания и обработки полученной информации, второй вход которого через пеленгаторное устройство соединен с выходом антенного устройства, и телеметрическое устройство, приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, первого смесителя, второй вход которого через первый гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилителя первой промежуточной частоты, обнаружителя, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, и усилителя второй промежуточной частоты, выход которого является выходом приемника, и через анализатор параметров принимаемого сигнала подключен к первому входу устройства запоминания и обработки полученной информации, управляющий вход блока перестройки соединен с выходом обнаружителя, пеленгаторное устройство выполнено в виде двух пеленгаторных каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и узкополосного фильтра, к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, третий узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, а выходы подключены к устройству запоминания и обработки полученной информации, телеметрическое устройство выполнено в виде последовательно подключенных к первому выходу устройства запоминания и обработки полученной информации формирователя аналоговых сообщений, аналогового скремблера, амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, фазового манипулятора, усилителя мощности и передающей антенны, последовательно подключенных к второму выходу устройства запоминания и обработки полученной информации формирователя дискретных сообщений и цифрового скремблера, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора, антенное устройство содержит три приемные антенны и передающую антенну телеметрического устройства, приемная антенна приемника и передающая антенна размещены над втулкой винта вертолета, приемные антенны пеленгаторного устройства размещены на концах первой и третьей лопастей несущего винта вертолета, двигатель кинетически связан с винтом вертолета и опорным генератором, приемник пункта приема информации выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, амплитудного ограничителя, синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, аналогового дескремблера и блока регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу амплитудного ограничителя первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, фильтра нижних частот и цифрового дескремблера, выход которого соединен с вторым входом блока регистрации и анализа, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен приемником ГЛОНАСС/-GPS-сигналов, станцией радиолокационного контроля, телевизионным датчиком, третьим и четвертым пеленгаторными каналами, аналогичным первому и второму пеленгаторным каналам, причем к выходу приемной антенны приемника подключен приемник ГЛОНАСС/GPS-сигналов, выход которого соединен с четвертым входом устройства запоминания и обработки полученной информации, станция радиолокационного контроля содержит два канала, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу синхронизатора передатчика, антенного переключателя, второй вход которого соединен с выходом переключателя сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной, приемника, второй вход которого соединен с выходом генератора строб-импульса, блока обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, и осциллографического индикатора, третий вход которого соединен с выходом синхронизатора, к выходу каждого антенного переключателя подключен блок приема и цифровой обработки, третий, четвертый и пятый входы которого соединены с выходом телевизионного датчика, тепловизионного датчика и синхронизатора соответственно, а выход соединен с пятым входом устройства запоминания и обработки полученной информации, шестой и седьмой входы которого соединены с выходом третьего и четвертого пеленгаторных каналов соответственно, приемопередающие антенны станции радиолокационного контроля размещены на концах второй и четвертой лопастей несущего винта вертолета.
Геометрическая схема расположения вертолета, пункта приема информации (ПЛИ), спутников глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/GPS и геостационарного ИСЗ-ретранслятора представлена на фиг.1. Геометрическая схема расположения приемных и передающих антенн на вертолете изображена на фиг.2. Структурная схема предлагаемого вертолетного радиоэлектронного комплекса представлена на фиг.3. Структурная схема приемника пункта приема информации изображена на фиг.4. Характеристики проникновения радиоволн различных длин изображены на фиг.5. Временные диаграммы, поясняющие работу телеметрического устройства и приемника ППИ, показаны на фиг.6.
Вертолетный радиоэлектронный комплекс содержит станцию радиотехнического контроля (РТР), станцию радиолокационного контроля (РЛР), приемник 60 ГЛОНАСС/GPS-сигналов, телевизионный датчик 76, тепловизионный датчик 77 и приемник ППИ.
Станция радиотехнического контроля содержит последовательно включенные антенное устройство 1, приемник 2, анализатор 4 параметров принимаемого сигнала, устройство 5 запоминания и обработки полученной информации, второй вход которого через пеленгаторное устройство 3 соединен с выходом антенного устройства 1, и телеметрическое устройство 6.
Приемник 2 содержит последовательно включенные приемную антенну 7, первый смеситель 12, второй вход которого через первый гетеродин 11 соединен с выходом блока 10 перестройки, усилитель 17 первой промежуточной частоты, обнаружитель 20, второй вход которого через первую линию задержки 21 соединен с его выходом, ключ 22, второй вход которого соединен с выходом усилителя 17 первой промежуточной частоты, второй смеситель 24, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 23, и усилитель 25 второй промежуточной частоты, выход которого является выходом приемника 2 и подключен к входу анализатора 4 параметров принимаемого сигнала, выход которого подключен к первому входу устройства 5 запоминания и обработки полученной информации.
Пеленгаторное устройство 3 содержит четыре пеленгаторных канала, каждый из которых содержит последовательно включенные приемную антенну 8 (9, 68, 69), смеситель 13 (14, 79, 80), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилитель 18 (19, 81, 82) первой промежуточной частоты, перемножитель 26 (27, 83, 84) и узкополосный фильтр 28 (29, 85, 86). При этом к выходу первого узкополосного фильтра 28 (85) последовательно подключены третий перемножитель 30 (87), второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 29 (86), третий узкополосный фильтр 32 (89) и первый фазометр 34 (91), к выходу второго узкополосного фильтра 29 (86) последовательно подключены вторая линия задержки 31 (88), фазовый детектор 33 (90), второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 29 (86) и второй фазометр 35 (92). Вторые входы фазометров 34 и 35, 91 и 92 соединены с выходом опорного генератора 16, а выходы подключены к устройству 5 запоминания и обработки полученной информации.
Телеметрическое устройство 6 выполнено в виде последовательно подключенных к первому выходу устройства 5 запоминания и обработки полученной информации формирователя 37 аналоговых сообщений, аналогового скремблера 38, амплитудного модулятора 39, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 36, фазового манипулятора 42, усилителя 43 мощности и передающей антенны 44, последовательно подключенных ко второму выходу устройства 5 запоминания и обработки полученной информации формирователя 40 дискретных сообщений и цифрового скремблера 41, выход которого соединен с вторым входом фазового манипулятора 42.
Станция радиолокационного контроля 61 содержит два канала, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу синхронизатора 62 передатчика 63(64), антенного переключателя 65(66), второй вход которого соединен с выходом переключателя 67 сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной 68(69), приемника 71(72), второй вход которого соединен с выходом генератора 70 строб-импульса, блок 73(74) обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 62, и осциллографического индикатора 75, третий вход которого соединен с выходом синхронизатора 62. К выходу антенного переключателя 65(66) подключен блок 78 приема и цифровой обработки, третий, четвертый и пятый входы которого соединены с выходами телевизионного датчика 76, тепловизионного датчика 77 и синхронизатора 62 соответственно, а выход подключен к пятому входу устройства 5 запоминания и обработки полученной информации.
Антенное устройство 1 содержит три приемные антенны 7, 8 и 9, передающую антенну 44 и две приемопередающие антенны 68 и 69. Причем приемная антенна 7 и передающая антенна 44 размещены над втулкой винта вертолета, приемные антенны 8, 9 и приемопередающие антенны 68, 69 размещены на концах лопастей несущего винта вертолета. Двигатель 15 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 16.
Приемник ППИ выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 45, усилителя 46 высокой частоты, смесителя 48, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 47, усилителя 49 промежуточной частоты, амплитудного ограничителя 50, синхронного детектора 51, второй вход которого соединен с выходом усилителя 49 промежуточной частоты, аналогового дескремблера 52 и блока 53 регистрации и анализа, последовательно подключенных к выходу амплитудного ограничителя 50 первого перемножителя 55, второй вход которого соединен с выходом фильтра 58 нижних частот, узкополосного фильтра 57, второго перемножителя 56, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя 50, фильтра 58 нижних частот и цифрового дескремблера 59, выход которого соединен с вторым входом блока 53 регистрации и анализа. Перемножители 55 и 56, узкополосный фильтр 57 и фильтр 58 нижних частот образуют демодулятор 54 фазоманипулированных сигналов.
Вертолетный радиоэлектронный комплекс работает следующим образом.
Станции РТК и РЛК размещаются на борту вертолета. Наличие вращающегося винта вертолета используется для определения направления на источник радиоизлучения (ИРИ) с помощью антенного устройства 1, приемные антенны 8, 9 и приемопередающие антенны 68, 69 которого размещены на концах лопастей несущего винта (фиг.2).
В качестве ИРИ могут быть РЭС сопредельных государств (РЛС, радиолинии связи и управления и другие), радиоизлучения угнанных транспортных средств, радиоизлучение специальных машин, перевозящих в пределах населенных пунктов опасные грузы (например, горючее, взрывчатые вещества и т.п.), радиоизлучения потерпевших бедствие, радиоизлучения источников экологического и стихийного бедствия и другие.
Принимаемые антеннами 7, 8, 9, 68 и 69 сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн)
,
,
,
,
1
5
c
c
c
где U-U, ω, φ, T - амплитуды, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала ИРИ;
±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами;
k
φ (t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом;
R - радиус окружности, на котором размещены приемные антенны 8, 9, 68 и 69;
Ω=2πR - скорость вращения приемных антенн 8, 9, 68 и 69 вокруг приемной антенны 7 (скорость вращения винта вертолета);
α, β - пеленг (азимут) и угол места на ИРИ,
поступают на первые входы смесителей 12, 13, 14, 79 и 80, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 11 линейно-изменяющейся частоты:
где  - скорость изменения частоты гетеродина;
f
Д - заданный диапазон частот;
п
Т - период перестройки.
f
г1
Следует отметить, что поиск ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Д осуществляется с помощью блока 10 перестройки, который периодически с периодом по пилообразному закону изменяет частоту ω гетеродина 11. В качестве блока 10 перестройки может использоваться генератор пилообразного напряжения.
На выходе смесителей 12, 13, 14, 79 и 80 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 17, 18, 19, 81 и 82 выделяются напряжения первой промежуточной частоты
,
,
,
,
где
пр1
c
г1
ω=ω-ω - первая промежуточная частота;
пр1
c
г1
φ=φ-φ.
пр1
з
Напряжение u (t) выхода усилителя 17 первой промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя 20. При обнаружении сигнала на выходе обнаружителя 20 появляется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 10 перестройки, выключая его, на управляющий вход ключа 22, открывая его, и на вход линии задержки 21. Ключ 22 в исходном состоянии всегда закрыт. Время задержки τ линии задержки 21 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать обнаруженный ФМн-сигнал и проанализировать его параметры.
При выключении блока 10 перестройки усилителями 17, 18, 19, 81 и 82 выделяются следующие напряжения:
,
,
,
,
пp6
г2
Напряжение u(t) с выхода усилителя 17 первой промежуточной частоты через открытый ключ 22 поступает на первый вход смесителя 24, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 23 со стабильной частотой ω
.
На выходе смесителя 24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилитель 25 выделяет напряжение второй промежуточной частоты
,
где ;
пр2
пр1
г2
ω=ω-ω - вторая промежуточная частота;
пр2
пр1
г2
φ=φ-φ,
э
c
c
э
которое поступает на вход анализатора 4 параметров принимаемого сигнала, где определяются длительность τ элементарных посылок, из которых составлен ФМн-сигнал, их количество N, длительность T (T=Nτ) и закон фазовой манипуляции.
пр11
пр7
пр8
пр9
пр10
г2
Напряжение u(t) c выхода усилителя 25 второй промежуточной частоты одновременно подается на вторые входы перемножителей 26, 27, 83 и 84 пеленгаторных каналов, на первые входы которых поступают напряжения u(t), u(t), u(t) и u(t) c выходов усилителей 18, 19, 81 и 82 первой промежуточной частоты соответственно. На выходе перемножителей 26, 27, 83 и 84 образуются фазомодулированные (ФМ) напряжения на стабильной частоте ω второго гетеродина
,
,
,
,
где ;
;
;
;
н
г2
которые выделяются узкополосными фильтрами 28, 29, 85 и 86 с частотой настройки ω=ω.
Знаки «+» и «-» перед величинами  и  соответствуют диаметрально противоположным расположениям антенн 8 и 9, 68 и 69 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 7, размещенной над втулкой винта вертолета.
г2
Следовательно, полезная информация об азимутах α и угла места β переносится на стабильную частоту ω второго гетеродина 23. Поэтому нестабильность ±Δω несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, и вид модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов не влияют на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения ИРИ.
Причем величина, входящая в состав указанных колебаний
и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающимися антеннами 8, 9, 68 и 69 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 7.
Пеленгаторное устройство 3 тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер измерительной базы. Однако с ростом R/λ уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разности фаз превосходят значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета углов α и β.
Следовательно, при  наступает неоднозначность отсчета углов α и β. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения R/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения R/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.
1
1
Для повышения точности пеленгации ИРИ в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (угломестной) плоскостях приемные антенны 8 и 9, 68 и 69 размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета. Смешение сигналов от двух диаметрально противоположных приемных антенн 8 и 9, 68 и 69, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, аналогичную получаемой с помощью двух приемных антенн, вращающихся по кругу, радиус R которого в два раза больше (R=2R).
Действительно, на выходе перемножителей 30 и 87 образуются гармонические напряжения:
,
,
где ;
;
с индексом фазовой модуляции
1
, R=2R,
которые выделяются узкополосными фильтрами 32, 89 соответственно и поступают на первые входы фазометров 34 и 91, на вторые входы которых подается напряжение опорного генератора 16
.
Фазометры 34 и 91 обеспечивают точное, но неоднозначное измерение угловых координат α и β.
Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения R/λ. Это достигается использованием автокорреляторов, состоящих из линий задержки 31, 88 и фазовых детекторов 33, 90, что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины
1
, где d<R.
На выходе автокорреляторов образуются напряжения
,
,
m2
0
с индексом фазовой модуляции φ, которые поступают на первый вход фазометров 35 и 92, на вторые входы которых подается напряжение u(t) опорного генератора 16. Фазометры 35 и 92 обеспечивают грубое, но однозначное измерение углов α и β.
0
Минимальное расстояние R от ИРИ до винта вертолета определяется из выражения
,
д
где F(t)- доплеровский сдвиг частоты;
V=ΩR;
λ - длина волны.
0
Доплеровский сдвиг частоты измеряется в анализаторе 4 параметров принимаемого сигнала, в котором также определяется R. Последние фиксируются в устройстве 5 запоминания и обработки полученной информации.
0
Местоположение ИРИ определяется в устройстве 5 по измеренным значениям α, β и R.
Для дистанционного определения места утечки жидкости или газа из магистрального трубопровода, находящегося в траншее под грунтом, производят обзор трассы магистрального трубопровода радиолокатором для определения места его залегания. Одновременно сканируют магистральный трубопровод съюстированными телевизионным и тепловизионным датчиками и осуществляют совместную цифровую обработку сигналов радиолокаторов и датчиков.
1
2
Так как магистральный трубопровод может залегать в грунтах и почвах различной физической природы, для некоторых из которых радиоволны определенной длины имеют сравнительно большой коэффициент затухания, то в станции радиолокационного контроля используются две волны: λ=0,6 м и λ=0,03 м.
Основой предлагаемого комплекса является принцип совместной логической обработки сигналов, съюстированных и синхронно работающих информационных тепловизионного, телевизионного и радиолокационного каналов.
Совместная цифровая фильтрация сигналов телевизионного, тепловизионного и радиолокационного каналов позволяет определить профиль залегания магистрального трубопровода и выделить тепловые пятна на грунте по трассе магистрального трубопровода в месте утечки из него.
Радиолокационный канал обеспечивает точное определение места залегания магистрального трубопровода (трассы магистрального трубопровода). Вырабатываемые в синхронизаторе 62 импульсы запускают передатчики 63, 64 и управляют блоками 73, 74 обработки сигналов. Импульсы синхронизатора 62 также управляют работой генератора 70 строб-импульсов, осциллографического индикатора 75, телевизионного 76 и тепловизионного 77 датчиков и блока 78 приема и цифровой обработки. Длительность и положение во времени строб-импульсов определяют положение и протяженность наблюдаемых элементов земной поверхности по дальности.
Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность (фиг.5).
Зондирующие импульсы с передатчиков 63 и 64 через антенные переключатели 65 и 66 поступают на приемопередающие антенны 68 и 69, каждая из которых подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 67 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде двух щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который, в свою очередь, может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждые передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве.
Антеннами 68 и 69 сигналы излучаются в направлении подстилающей поверхности. Отраженные от магистрального трубопровода сигналы принимаются антеннами 68, 69 и через антенные переключатели 65, 66 поступают на приемники 71, 72 и затем на блоки 73, 74 обработки, в которых осуществляется обработка принятых сигналов по алгоритму синтезирования апертуры. В этих же блоках учитывается эффект изменения дальности от антенны до трубопровода, вызванный перемещением антенн по окружности в процессе синтезирования. В блоках 73, 74 обработки обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка местности, положение и протяженность которого определяется стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 70. С блоков обработки 73, 74 сигналы поступают на осциллографический индикатор 75 с цветным изображением, причем сигналы с каждого блока обработки соответствуют изображению в определенном цвете.
1
2
Применение двух радиолокаторов с λ=0,6 м и λ=0,03 м с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты трубопровода, расположенного под подстилающей поверхностью земли, с высокой угловой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения трубопровода под поверхностью земли.
Тепловизионный канал позволяет фиксировать прямой физический признак утечки газа из заглубленного газопровода в виде локального понижения температуры (отрицательного теплового контраста на поверхности покрытия газопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из газопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи по имеющимся экспериментальным и расчетным данным составляют до 8-10°С, что существенно превышают пороговые характеристики контрастной чувствительности тепловизионных приборов (0,5-1,0°С) и, соответственно, могут быть выявлены измерениями с борта вертолета. Однако эффективное выделение места течи по этому прямому физическому признаку затруднено вследствие наличия естественной неоднородности температурного поля.
В районе залегания трубопровода значения случайных температурных контрастов, вызванных рядом факторов: характер покрытия и структура почвы, время суток, года, метеоусловия - могут быть соизмеримы или даже превышать значения идентифицируемых локальных температурных контрастов в районе течи. Соответственно, для повышения надежности селекции места течи предлагается использовать информацию дополнительных каналов: радиолокационного и телевизионного, позволяющих выделить косвенные признаки, сочетание которых с измерением прямого признака (отрицательного теплового контраста) существенно снижает вероятность ошибочной идентификации (ложной тревоги).
Так, радиолокационный канал, выделяя геометрическое расположение металлического трубопровода на местности по контрастам радиолокационных сигналов на двух частотах, формирует тем самым косвенный логический признак возможного расположения места течи, а именно только в районе расположения трубопровода.
Телевизионный канал, выделяя поле контрастов, первопричиной которых является наличие внешнего источника подсветки (солнца), также позволяет формировать косвенные логические признаки наличия течи, т.е. внутреннего, не связанного с внешней подсветкой источника отрицательного теплового контраста, за счет совместной оценки размеров фактуры знака контрастных образований телевизионного и тепловизионного кадров с учетом угловой подсветки (освещенность, метеоусловия и др.).
Таким образом, совместный логический анализ (фильтрация) сигналов многоканальной системы, измеряющей прямой признак (тепловой контраст) и косвенные признаки (контрасты отраженного излучения внешних источников подсветки видимого и радиодиапазонов) позволяет существенно повысить эффективность обнаружения цели по сравнению, например, с одноканальным прибором тепловизионного или спектрозонального анализа поглощения газовых продуктов на местности.
1
2
Использование двух радиолокаторов с λ=0,6 м и λ=0,03 м вызвана необходимостью, с одной стороны, обеспечения возможности получения доступных для измерения отраженных сигналов от трубопровода, заглубленного в траншее на 1,5-2,0 м, с другой - локализации расположения трубопровода по результатам измерения с приемлемыми ошибками для большей достоверности и точности выделения косвенного признака.
Оценка показала, что использование более коротковолнового радиоизлучения не обеспечивает локации трубопровода при требуемых заглублениях (1,5-2,0 м). С другой стороны, локация более длинноволновым диапазоном (десятки метров и более), обеспечивая прохождение сигнала на требуемую глубину залегания трубопровода, имеет неудовлетворительные показатели по точности пеленгации сигналов (в пределах десятков градусов).
Информация о местоположении течи в магистральном трубопроводе из блока 78 приема и цифровой обработки поступает в устройство 5 запоминания и обработки полученной информации. В это же устройство поступает информация о местоположении вертолета (широта и долгота), полученная от приемника 60 ГЛОНАСС/GPS-сигналов. Для этого достаточно присутствия в зоне радиовидимости трех спутников Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS. Точность определения местоположения вертолета - 50-80 м.
Один из основных методов повышения точности определения местонахождения вертолета основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных поправок. Дифференциальный режим позволяет учитывать координаты вертолета с точностью до 1-2 м.
Телеметрическое устройство 6 предназначено для передачи полученной информации с борта вертолета на наземный пункт приема информации (ППИ). Причем данная информация может передаваться непосредственно, а при значительном удалении от ППИ через геостационарный ИСЗ-ретранслятор.
С этой целью напряжение высокой частоты (фиг.6, а)
1
, 0≤t≤T,
с выхода задающего генератора 36 поступает на первый вход амплитудного модулятора 39, на второй вход которого подается модулирующая функция m(t) (фиг.6, б) с выхода аналогового скремблера 38, вход последнего через формирователь 37 аналоговых сообщений соединен с первым выходом устройства 5 запоминания и обработки полученной информации. На выходе амплитудного модулятора 39 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM) (фиг.6, в)
1
, 0≤t≤T,
где m(t) - модулирующая функция, отображающая аналоговые сообщения.
Этот сигнал поступает на первый вход фазового манипулятора 42, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) (фиг.6, г) с выхода цифрового скремблера 41. Вход последнего через формирователь 40 цифровых сообщений соединен с вторым выходом устройства 5 запоминания и обработки полученной информации. На выходе фазового манипулятора 42 образуется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн) (фиг.6, д)
1
, 0≤t≤T,
k1
k1
э
э
э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2,…, N);
э
1
1
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т=Nτ).
Аналоговый 38 и цифровой 41 скремблеры реализуют криптографические методы, которые являются эффективными методами защиты конфиденциальных аналоговых и цифровых сообщений.
Криптографические методы защиты передаваемых сообщений - это специальные методы шифрования, кодирования и преобразования сообщений, в результате которых их содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.
При цифровом способе закрытия передаваемого сообщения можно условно выделить четыре основных группы:
1) подстановка - символы дискретного сообщения заменяются другими символами в соответствии с заранее определенным правилом;
2) перестановка - символы дискретного сообщения переставляются по некоторому правилу в пределах заданного блока передаваемого дискретного сообщения;
3) аналитическое преобразование - шифруемое сообщение преобразуется по некоторому аналитическому правилу;
4) комбинированное преобразование - исходное дискретное сообщение шифруется двумя или большим числом способов шифрования.
При аналоговом скремблировании сообщение подвергается следующим преобразованиям:
1) частотная инверсия;
2) частотная перестановка;
3) временная перестановка.
16
Сформированный АМ-ФМн-сигнал u(t) (фиг.6, д) после усиления в усилителе 43 мощности излучается передающей антенной 44 в эфир улавливается приемной антенной 45 ППИ и через усилитель 46 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 48, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 47
.
На выходе смесителя 48 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 49 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.6, е)
1
, 0≤t≤T,
где ;
пр
1
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
1
г
φ=φ-φ.
которое поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 51 и на вход амплитудного ограничителя 50. На выходе последнего образуется напряжение (фиг.6, ж)
1
, 0≤t≤T,
огр
где U - порог ограничения,
пр
которое представляет собой ФМн-сигнал на промежуточной частоте ω, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход синхронного детектора 51. На выходе синхронного детектора 51 образуется низкочастотное напряжение (фиг.6, з)
1
, 0≤t≤T,
где ,
пропорциональное модулирующей функции m(t) (фиг.6, б).
Это напряжение поступает на вход аналогового дескремблера 52, принцип работы которого соответствует принципу работы аналогового скремблера 38, но имеет противоположный характер. На выходе дескремблера 52 образуется исходное аналоговое сообщение формирователя 37, которое фиксируется в блоке 53 регистрации и анализа.
17
Фазоманипулированный сигнал u(t) (фиг.6, ж) с выхода амплитудного ограничителя 50 одновременно поступает на первые входы перемножителя 55 и 56. На второй вход второго перемножителя 56 подается опорное напряжение (фиг.6, и)
1
, 0≤t≤T,
с выхода узкополосного фильтра 57. На выходе второго перемножителя 56 образуется напряжение
,
где .
Фильтром 58 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (фиг.6, к)
1
, 0≤t≤T,
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.6, г).
Это напряжение подается на второй вход первого перемножителя 55, на выходе которого образуется следующее гармоническое напряжение
,
0
15
где ; U=2U,
которое выделяется узкополосным фильтром 57 и подается на второй вход второго перемножителя 58.
н2
Низкочастотное напряжение u(t) (фиг.6, к) поступает на вход цифрового дескремблера 59, принцип которого соответствует принципу работы цифрового скремблера 41, но имеет противоположный характер. На выходе цифрового дескремблера 59 образуется исходное цифровое сообщение формирователя 40, которое фиксируется в блоке 53 регистрации и анализа.
Перемножители 55 и 56, узкополосный фильтр 57 и фильтр 58 нижних частот образуют демодулятор ФМн-сигналов, который выделяет необходимое опорное напряжение непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала и свободен от явления «обратной работы», которое присуще всем известным демодуляторам ФМн-сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Травина Г.А., Костаса Д.Ф.).
з
По истечении времени τ постоянное напряжение с выхода линии задержки 21 поступает на управляющий вход обнаружителя 20 и сбрасывает его содержание на нулевое значение. При этом ключ 22 закрывается, а блок 10 перестройки включается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния.
При обнаружении сигнала следующего ИРИ работа вертолетного радиоэлектронного комплекса происходит аналогичным образом.
Если в качестве ИРИ используются РЭС сопредельного государства, то траектория полета вертолета, как правило, прокладывается в приграничных районах так, чтобы не было нарушения воздушного пространства сопредельного государства и без осложнения дипломатического характера.
Вертолетный радиоэлектронный комплекс обеспечивает точное и однозначное определение местоположения РЭС и других ИРИ. При этом пеленгаторное устройство инвариантно к виду модуляции (манипуляции) и нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов.
Для повышения достоверности передачи аналоговой и дискретной информации с борта вертолета на наземный ППИ непосредственно или через геостационарный ИСЗ-ретранслятор используются защита передаваемой информации от несанкционированного доступа и сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн).
При этом защита указанной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.
Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальных аналоговых и дискретных сообщений, в результате которых их содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.
Энергетический и структурные уровни обеспечиваются применением сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн), которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных АМ-ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные сигналы с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи аналоговых и дискретных сообщений на одной несущей частоте и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность выделять сложные сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных сигналов.
Для синхронного детектирования ФМн-сигналов используется универсальный демодулятор, свободный от явления «обратной работы».
Таким образом, предлагаемый комплекс по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает совместную логическую обработку сигналов, съюстированных и синхронно работающих информационных тепловизионного, телевизионного и радиолокационных каналов. Это позволяет обнаружить и определить координаты объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, а также течи в подземных трубопроводах систем нефтеперекачки, тепло- и водоснабжения.
Кроме того, данный комплекс может применяться для решения широкого круга задач, таких как медико-эвакуационные операции, спасательные работы при ликвидации аварий, поиск потерпевших бедствие, противопожарное патрулирование, контроль автострад с целью пеленгации угнанных транспортных средств, контроль за маршрутом следования специальных машин, перевозящих опасные грузы, определение местоположения источников экологического и стихийного бедствий. Это возможно благодаря преимуществам вертолетов по сравнению с самолетами и другими летательными аппаратами взлетать и садиться на малооборудованные и ограниченные по размерам площадки.
Тем самым функционирование возможности станции радиотехнического контроля расширены.