УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕВИАЦИИ ЧАСТОТЫ
FREQUENCY DEVIATION METERING DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники и может быть использовано в системах радиотехнической разведки (РТР) и пассивного целеуказания (ПЦУ) для измерения величины девиации несущей частоты импульсных сигналов радиолокационных станций (РЛС) с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и с симметричной ЛЧМ (V-ЛЧМ) при неизвестной длительности импульса.
Известны устройства измерения величины девиации импульсных ЛЧМ-сигналов РЛС, которые состоят из частотно-амплитудного преобразователя, усилителя, формирующего устройства и счетчика. Принцип таких измерителей основан на использовании знакопеременной характеристики преобразования частоты в напряжение. Величина девиации определяется числом дискретных устройств, на входе которых возбуждается напряжение, вызванное измеряемым сигналом. Основным недостатком таких устройств является ограничения по пределам измеряемой девиации, по допустимой величине скорости изменения частоты за время импульса и по длительности импульса разведуемой РЛС, которые вызваны узкополосностью контуров, формирующих знакопеременную характеристику.
Известно также устройство измерения изменяющейся частоты методом счета нулей за фиксированный мерный интервал времени ("Радиотехника" №1, т.19, 1964, стр.57), содержащее формирующее устройство, ключевую схему, счетчик импульсов, индикаторное устройство, устройство калиброванного интервала усреднения (мерного интервала). Принцип действия таких устройств основан на определении средней частоты за фиксированный мерный интервал, что позволяет использовать их для измерения девиации частоты импульсного ЛЧМ-сигнала с известной длительностью, выбрав длительность мерных интервалов равной половине длительности измеряемого сигнала ("Вопросы кораблестроения", серия РЛ, вып.12, 1967 г.). Далее путем счета нулей определяется значение средних частот за время первого и второго мерных интервалов. Затем после вычитания среднего значения частоты, полученной в первом мерном интервале, из среднего значения частоты, полученной во втором интервале, можно получить оценку величины девиации несущей частоты за время длительности ЛЧМ-сигнала. Однако в системах РТР и ПЦУ длительность принимаемого сигнала лежит в достаточно широких пределах (τmax>10τmin) и существует вероятность приема любого сигнала РЛС из заданного диапазона возможных значений. Поэтому формирование мерных интервалов, равных половине длительности принимаемых сигналов, при априорно неизвестной длительности невозможно, что и ограничивает область применения таких устройств.
1
1
Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является измеритель девиации частоты импульсного ЛЧМ-сигнала по авт. свид. № 1840974, МКИ G01R 23/10, с приоритетом от 17.09.1976), схема которого представлена на фиг. 1 и содержащей формирователь 1 счетных импульсов, ключевые схемы 2, детектор 3 огибающей, формирователь 4 мерных интервалов, счетчик 5, блок задержки 6. Вход формирователя счетных импульсов соединен с первым входом первой ключевой схемы, вторые входы ключевых схем соединены с соответствующими выходами формирователя мерных интервалов, их выходы соединены с соответствующими входами счетчика, входы блока задержки и детектора огибающей подключены к выходу формирователя импульсов, выход детектора огибающей подключен ко входу формирователя мерных интервалов, а выход блока задержки соединен с первым входом второй ключевой схемы. Принимаемый сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты поступает на вход формирователя импульсов. После двухстороннего ограничения, нижний уровень которого определяется заданной частотой ложных тревог, обусловленных шумами приемника, сигнал поступает на вход первой ключевой схемы, детектор огибающей и блок задержки. По приходу переднего фронта огибающей в формирователе мерных интервалов вырабатывается строб, открывающий первую ключевую схему, и сигналы формирователя счетных импульсов поступают на счетчик, выполненный по схеме реверсивного счета. Задержанные на время равное длительности мерного интервала, сигналы формирователя счетных импульсов поступают на вход второй ключевой схемы, на второй вход которой поступает строб, вырабатываемый формирователем мерных интервалов по заднему фронту огибающей принимаемого ЛЧМ-сигнала. С выхода второй ключевой схемы счетные импульсы поступают на вход счетчика с одновременным переключением направлением его счета. Таким образом, по окончании сигнала в счетчике содержится код Δn, величина которого определяется разностью числа счетных импульсов первого и второго мерных интервалов. Девиация частоты Δf по измеренному значению Δn, определяется по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
где τ - длительность сигнала разведуемой РЛС, измеренная одним из известных устройств [Гитис Э.И. Преобразователи информации для электронных цифровых вычислительных устройств. "Энергия", М., 1975 г.];
з
з
з
з
τ - величина задержки сигнала в блоке задержки, равная половине минимальной длительности сигнала в разведуемом диапазоне. К недостаткам рассмотренного устройства относится сравнительно невысокая точность измерения девиации частоты сигналов, длительность которых значительно превышает τ (τ>5τ), а также для сигналов, минимальная длительность которых превышает 5÷10 мкс. Для последнего случая это определяется трудностями реализации блока задержки на частотах более 30 МГц с параметрами τ≥3÷5 мкс.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения величины девиации ЛЧМ-сигналов в системах РТР и ПЦУ, работающих в широком диапазоне значений длительности принимаемых сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее формирователь счетных импульсов, детектор огибающей, ключевые схемы, формирователь мерных интервалов, счетчик, введены: коммутатор кодов, блок памяти, блок вычитания, накапливающий сумматор, причем выход формирователя счетных импульсов подключен ко входу детектора огибающей и к первым входам ключевых схем, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам формирователя мерных интервалов, вход последнего подключен к выходу детектора огибающей, а выходы ключевых схем соединены с соответствующими входами счетчиков, выход первого счетчика подключен ко входу блока памяти и к первому входу коммутатора кодов, второй вход которого подключен к выходу второго счетчика, выходы блока памяти и коммутатора кодов подключены к соответствующим входам блока вычитания, выход последнего подключен ко входу накапливающего сумматора.
1
1
i
i
1
i
2
Увеличение точности измерения по сравнению с прототипом происходит за счет того, что если длительность принимаемого сигнала превышает длительность мерных интервалов более чем в три раза, в измерении участвуют не только элементы сигнала, выделенных последним и первым мерными интервалами, как у прототипа, а также все промежуточные. Счет импульсов в этих мерных интервалах, следующих друг за другом так, что конец предыдущего интервала служит началом последующего, осуществляется поочередно двумя счетчиками. Блок памяти, выполненный, например, в виде регистра запоминания, вводится в устройство для хранения в течение принимаемого сигнала кода числа n импульсов, подсчитанных счетчиком в первом мерном интервале. Блок вычитания определяет разность числа n и кодов чисел n всех последующих мерных интервалов, вводимых поочередно со счетчиков через коммутатор кодов. Накопление вычисленных разностей Δn=n-n осуществляется в накапливающем сумматоре и значение кода Δn на его выходе по окончании принимаемого сигнала пропорционально величине девиации ЛЧМ-сигнала и используются для ее определения.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема прототипа. На Фиг. 2 - функциональная схема заявляемого измерителя девиации. Устройство содержит: формирователь 1 импульсов, ключевые схемы 2, детектор 3 огибающей, формирователь 4 мерных интервалов, счетчики 5, коммутатор 6 кодов, блок 7 вычитания, блок 8 памяти, накапливающий сумматор 9.
На фиг. 3 приведены временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства, где 10 - сигналы формирователя счетных импульсов; 11 - сигнал на выходе детектора огибающей; 12 - мерные интервалы, поступающие на вход первой ключевой схемы; 13 - мерные интервалы, поступающие на вход второй ключевой схемы; 14, 15 - счетные импульсы, поступающие соответственно на входы первого и второго счетчиков.
i
i-1
и
Устройство работает следующим образом. Поступающий на вход формирователя 1 импульсов радиосигнал промежуточной частоты подвергается двухстороннему ограничению, причем, нижний уровень ограничения выбирается из условия требуемого числа ложных тревог, обусловленных наличием шумов приемного тракта. Сформированные по амплитуде импульсы 10 (фиг. 3) поступают на входы ключевых схем 2 и детектора 3 огибающей. По сигналу огибающей 11 (фиг. 3) формирователь 4 мерных интервалов вырабатывает две противофазные импульсные последовательности 12, 13 (фиг. 3) скважностью два, которые являются мерными интервалами, длительность их выбирается равной половине минимальной в заданном диапазоне разведки длительности импульса. Мерные интервалы поступают на соответствующие входы ключевых схем 2, реализующих логическую операцию "И", в результате чего формируются пачки счетных импульсов 14, 15 (фиг. 3), которые поступают на входы соответствующих счетчиков 5. Подсчитанное в первом мерном интервале число импульсов в виде кода записывается в блок 8 памяти, где хранится до окончания огибающей 11 (фиг. 3). Коды числа импульсов, подсчитанных во всех последующих мерных интервалах поочередно, по мере окончания каждого из интервалов, поступают через коммутатор кодов на один из входов блока 7 вычитания. Второй входной величиной блока 7 вычитания служит запомненный в блоке 8 памяти код числа импульсов первого мерного интервала. Блок 7 вычитания определяет разность между числом импульсов первого мерного интервала и всех последующих, а код Δn разности поступает на вход накапливающего сумматора 9 для сложения с предыдущим значением Δn. Таким образом, пока производится счет импульсов в очередном i+1 мерном интервале одним из счетчиков 5, в блоке 7 вычитания и накапливающем сумматоре 9 происходит обработка кода числа импульсов, полученного в i-м мерном интервале, а начальная установка соответствующего счетчика 5 производится в i+1 интервале после срабатывания накапливающего сумматора 9 по коду i-го мерного интервала. Требуемое быстродействие блока 7 вычитания и накапливающего сумматора 9 определяется длительностью τ мерных интервалов.
2
Вычисляется девиация частоты по целому числу β измерительных интервалов. Таким образом, к концу принимаемого радиоимпульса на выходе накапливающего сумматора 9 содержится код Δn, значение которого равно:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>2</mn></mrow><mi>β</mi></munderover><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
1
i
где n - число счетных импульсов в первом мерном стробе, n - число счетных импульсов в последующих мерных стробах. Величина девиации Δf импульсного ЛЧМ-сигнала определяется по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>τ</mi><mi>и</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>β</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
и
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mi>τ</mi><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>и</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где τ - длительность разведуемого ЛЧМ-сигнала, измеряемая одновременно с девиацией одним из известных способов, τ - длительность одного мерного интервала; β - целое число мерных интервалов охваченных огибающей сигнала, т.е.
. Вычисление величины девиации по приведенной формуле может осуществляться, например, специализированным вычислительным устройством на базе микропроцессорной техники, либо цифровой вычислительной машиной, входящей, как правило, в современные системы РТР и ПЦУ.
1
2
Как следует из приведенных выше формул, при достаточно высокой точности измерения длительности импульса, среднеквадратическая ошибка определения девиации частоты ЛЧМ-сигнала в прототипе (σΔf) и в предлагаемом устройстве (σΔf) соответственно равны:
<mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><mi>n</mi><msqrt><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mi>τ</mi></mrow><mrow><msubsup><mi>τ</mi><mi>и</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>β</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
и
з
где σΔn - среднеквадратическая ошибка определения разности числа счетных импульсов в двух мерных интервалах, вызванная целочисленностью счета периодов частоты заполнения ЛЧМ-сигнала, значения τ и τ равны. Отношение среднеквадратических ошибок, определяющее выигрыш в точности измерения:
<mrow><mfrac><mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mfrac><mrow><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>τ</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>τ</mi><mi>и</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>β</mi></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mi>σ</mi><mi>Δ</mi><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>β</mi><msqrt><mrow><mi>β</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Как видно из полученной формулы повышение точности измерения в предлагаемом устройстве даже в наихудшем случае наблюдается для сигналов длительностью τ≥3τmin. Увеличение точности измерения девиации Δf в системах РТР и ПЦУ приводит к улучшению качества параметрической селекции, предшествующей местоопределению разведуемой РЛС, а также к улучшению качества распознавания типа цели по параметрам излучения ее РЛС.
Кроме того, предлагаемое устройство позволяет измерять девиацию частоты сигналов с V-образной линейной частотной модуляцией (V-ЛЧМ), которые обладают рядом важных достоинств и находят применение в радиолокации (Справочник по радиолокации. Том.1. Основы радиолокации. М., "Советское радио", 1976).
2
Если на вход измерителя поступает V-ЛЧМ-сигнал с девиацией Δf, то среднее значение выходного кода Δn измерителя девиации будет равно удвоенному значению кода ЛЧМ-сигнала с девиацией Δf, длительность которого равна половине длительности V-ЛЧМ-сигнала. Это свойство измерителя растирает класс измеряемых сигналов, что повышает качество систем РТР и ПЦУ.