ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ
PHASE-BASED DIRECTION FINDING METHOD

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано для совмещенного поиска и пеленгования по угловым координатам с высокой точностью множества работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема. Способ основан на использовании фазовой информации об угловых координатах источников компонент-спутников взаимодействия сигнала и помехи, а не на частоте подстановки, так как именно на частоте подстановки налагаются сигналы всех источников, что приводит к ложному пеленгу. Поэтому в предлагаемом решении именно сигналы на частоте подстановки режектируются, а сигналы на комбинационных частотах выделяются.
Совершенствование систем связи, локации и навигации, использующих сложные сигналы с повышенной скрытностью, с одной стороны, и непрерывное возрастание загрузки используемых диапазонов частот, с другой, усложняет проблему их эффективного обнаружения и пеленгования с высокой точностью.
В настоящее время получили распространение методы параметрического спектрального оценивания случайных процессов, а также линейной комбинации действительных или комплексных экспонент [1], позволяющие достичь очень высокого разрешения сигналов, в том числе гармонических, по частоте. Однако эти результаты можно получить только при весьма большой величине отношения сигнал/шум в анализируемой выборке на входе устройства обработки (5-10 дБ и более), в противном случае точность оценок оказывается неудовлетворительной, к тому же возникает большое число ложных отсчетов.
Известен способ широкополосной пеленгации [2], при котором из выходных сигналов каждого элемента антенной решетки выделяются цифровые сигналы, характеризующие спектры принятых сигналов, и для каждой выбранной частоты в полосе приема, используя фазу сигналов, производится прямое вычисление пространственного ряда Фурье, дискретно описывающего угловой спектр мощности на выбранной частоте. После восстановления углового спектра на всех частотах определяется пеленг любого источника, излучающего сигналы на любой из частот в пределах текущей полосы приема. Этот способ обладает низким быстродействием при определении азимутального пеленга.
В качестве способа-прототипа выбран фазовый способ пеленгации [3], основанный на приеме сигналов на две антенны, удаленные друг от друга на расстояние d, усилении и ограничении, после чего в фазовом дискриминаторе производится сравнение фаз сигналов, прошедших два канала. Фазовый сдвиг определяется соотношением
,
где λ - длина волны, α - направление на пеленгуемый источник излучения.
Недостатком такого способа является невозможность разрешения по угловым координатам с высокой точностью множества работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема.
Предлагаемый подход базируется на использовании компонент-спутников взаимодействия сигнала и помехи, которые при традиционном рассмотрении принципов построения фазового пеленгатора с мгновенным за счет синхронного гетеродирования обзором широкой полосы частот радиолокационного диапазона рассматривались как мешающие. Использование данного подхода обеспечивает совместное решение взаимно противоречивых проблем мгновенного обзора широкой области частот радиолокационного диапазона и разрешения по угловым координатам многоточечного источника излучения сигналов.
Комбинационные составляющие, возникающие при взаимодействии на нелинейных элементах сигналов, принятых на разнесенные антенны от одного и того же источника излучения, определим как собственные комбинационные компоненты. Комбинационные составляющие, образуемые взаимодействием на нелинейных элементах сигналов от различных излучателей, определим как взаимные комбинационные компоненты.
Для обеспечения мгновенного обзора по частоте предполагается реализация фазового пеленгатора с подстановкой частоты гетеродина. При обычном подходе применение такой схемы, сводящей все сигналы из полосы обзора на частоту подстановки, препятствует обеспечению условий разрешения. То есть требования мгновенного обзора широкой полосы частот и разрешения сигналов в принципе являются противоречивыми. Задача становится особенно сложной, если учесть, что при применении подстановки частоты гетеродина число комбинационных частот на выходе фазового дискриминатора перемножающего типа растет пропорционально четвертой степени от числа пеленгуемых источников. Комбинационные частоты содержат все сочетания начальных фаз сигналов их производящих и поэтому результирующая пеленгационная характеристика может оказаться существенно деформированной. В этом случае задача определения угловых координат каждого источника излучения в многоцелевой ситуации становится еще более трудно разрешимой [4, 5].
Решение предполагается исходя из рассмотрения тонкой фазовой структуры сигнала на выходах фазовых каналов. Новый подход предполагает обзор по взаимным комбинационным частотам на промежуточной частоте. Граница полосы определяется максимальным значением комбинационных частот. Наиболее простой вариант, обеспечивающий мгновенный обзор по промежуточной частоте, имеем на основе фильтрового метода, при котором сохраняются информативные комбинационные составляющие и режектируются остальные.
Задача изобретения - повышение разрешающей способности по частоте при одновременном приеме радиосигналов нескольких источников радиоизлучения.
νλ
ν
λ
νλ
Поставленная задача достигается тем, что в фазовом способе пеленгации, основанном на приеме сигналов на две антенны, удаленные друг от друга на расстояние d, усилении и ограничении, для первого фазового канала перемножают входную смесь сигналов с первой антенны с сигналом гетеродина, выделяют смесь сигналов на промежуточной частоте, снова перемножают выделенную смесь сигналов со смесью сигналов со второй антенны, выделяют смесь сигналов на второй промежуточной частоте с учетом взаимных комбинационных составляющих, центральная частота которых равна частоте гетеродина, режектируют частоту гетеродина, аналогичное преобразование сигналов производят для второго фазового канала с тем отличием, что сигнал гетеродина поворачивают по фазе на π/2, чтобы пеленгационная характеристика обладала нечетной симметрией, затем выделяют взаимные комбинационные частоты на выходе каждого фазового канала и для каждой пары комбинационных составляющих на одной частоте осуществляют измерение разности фаз Δφ, при этом решение о наличии комбинационной составляющей принимают при превышении уровнем сигнала на выходе фильтра заранее установленного порога, на основе измеренных разностей фаз исходя из преобразования сигналов в фазовых каналах, получают систему линейных алгебраических уравнений Δφ+Δφ=Δφ, , , решая которую однозначно определяют разность фаз для каждого сигнала. В фазовом способе пеленгации используют сетку фильтров по взаимным комбинационным частотам на промежуточной частоте, при этом граница полосы определяется максимальным значением комбинационных частот. В фазовом способе пеленгации используют генератор с кварцевой стабилизацией и используют кварцевые фильтры для режектирования сигналов на частоте гетеродина и выделения взаимных комбинационных составляющих.
Технический результат изобретения заключается в увеличении разрешающей способности по частоте при одновременном приеме радиосигналов нескольких источников радиоизлучения, повышении надежности и точности определения пеленга на источники сигналов.
На чертеже представлена схема радиоприемного устройства, обеспечивающего работу предлагаемого способа. Рассмотрим предлагаемый способ (чертеж). Принимаемая смесь сигналов на антенны 1 и 2 через широкополосные входные фильтры 3 и 4, полоса пропускания которых охватывает всю полосу обзора, подаются на первый 5 и второй 6 преобразователи частоты соответственно, на второй вход первого преобразователя частоты 5 подается сигнал с гетеродина 7, на второй вход второго преобразователя 6 подается сигнал с выхода фазовращателя 8 на π/2, на вход которого подается сигнал гетеродина 7, выход первого преобразователя частоты 5 соединен с входом первого фильтра промежуточной частоты 9, выход которого соединен с первым входом третьего преобразователя частоты 11, второй вход которого соединен с выходом входного фильтра 3, а выход - с входом первого режекторного фильтра 13, настроенного на частоту гетеродина, выход первого режекторного фильтра 13 соединен с входом первого блока полосовых фильтров 15, каждый полосовой фильтр которого настроен на отдельную комбинационную частоту так, что набор всех полос пропускания фильтров перекрывает всю рассматриваемую полосу обзора, затем сигналы с выходов каждого полосового фильтра первого блока фильтров 15 поступают на первые входы фазовых дискриминаторов блока 17, при этом блоки 1, 3, 5, 9, 11, 13 и 15 образуют первый фазовый канал, выход второго преобразователя частоты 6 соединен с входом второго фильтра промежуточной частоты 10, выход которого соединен с первым входом четвертого преобразователя частоты 12, второй вход которого соединен с выходом входного фильтра 4, а выход - с входом второго режекторного фильтра 14, настроенного на частоту гетеродина, выход второго режекторного фильтра 14 соединен с входом второго блока полосовых фильтров 16, каждый полосовой фильтр которого настроен на отдельную комбинационную частоту так, что набор всех полос пропускания фильтров перекрывает всю рассматриваемую полосу обзора, затем сигналы с выходов каждого полосового фильтра второго блока фильтров 16 поступают на вторые входы фазовых дискриминаторов блока 17, при этом блоки 2, 4, 6, 10, 12, 14 и 16 образуют второй фазовый канал, затем сигналы, несущие информацию о разности фаз составляющих на комбинационных частотах, с выходов фазовых дискриминаторов блока 17 поступают на вход индикатора 18, который осуществляет формирование системы линейных алгебраических уравнений и ее последующее решение, и, следовательно, обеспечивает раздельный пеленг каждого источника излучения из смеси сигналов.
Поясним предлагаемый способ. Сигналы, принятые антеннами 1 и 2 и поступающие через широкополосные фильтры 3 и 4 на входы преобразователей частоты 5 и 6, определим соответственно в виде:
ν
где ,  - амплитуда сигнала, принятого от ν-го источника на антенну 1,  - амплитуда сигнала, принятого от ν-го источника на антенну 2, ω - частота ν-того источника излучения,  и  - начальные фазы для ν-того сигнала, принятого разнесенными антеннами 1 и 2 фазового радиопеленгатора. Запишем сигнал гетеродина 7 в форме
где .
Разность фаз для ν-го источника определяется выражением
A1
Г
Сигнал, выделяемый фильтром 10 при перемножении сигналов U и U в преобразователе частоты 5, определим как
Г
На преобразователь частоты 6 сигнал U с гетеродина 7 поступает через фазовращатель 8, смещающий фазу сигнала на π/2, и, следовательно, можем для сигнала на выходе фазовращателя 8 записать:
.
A2
Г
Сигнал на выходе фильтра преобразователя частоты 6 при перемножении сигналов U и U - определим как
A1
2
Сигнал на выходе третьего преобразователя частоты 11 первого фазового канала при перемножении сигналов U и U определим как
A2
1
Сигнал на выходе четвертого преобразователя частоты 12 второго фазового канала при перемножении сигналов U и U определим как
1
k2
1
k2
2
Из вида сигналов Uk и U видно, что n составляющих двойной суммы при совпадении индексов λ=ν (собственные комбинационные компоненты) содержат начальные фазы ,  на одной частоте - частоте гетеродина, что вызовет существенные искажения пеленгационной характеристики. Поэтому целесообразно осуществлять режектирование смеси сигналов на частоте гетеродина. Остальные n-n слагаемых, которые являются взаимными комбинационными составляющими, содержат фазы в виде  для Uk и  для U, ν, , ν≠λ.
νλ
νλ
ν
λ
νλ
λν
Выделение взаимных комбинационных составляющих на частотах Ω с помощью блоков фильтров 27 и 28 для обоих фазовых каналов и измерение для каждой пары разностей фаз на каждой комбинационной частоте с помощью блока фазометров 29 дает Δφ=Δφ+Δφ. При этом Δφ=Δφ. Следовательно, для однозначного разрешения получаемой системы уравнений достаточно использовать половину из всех возможных комбинационных составляющих, лежащих либо выше, либо ниже частоты гетеродина. В таком случае число уравнений будет равно n(n-1)/2, а число неизвестных - n. Таким образом, при n≥3 полученная система линейных уравнений имеет однозначное решение, которое позволяет получить раздельный пеленг для каждого источника излучения.
Источники информации
1. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.
2. US, патент, 4626859, кл. G01S 5/04, 1986 г.
3. Космические радиотехнические комплексы. Под ред. С.И.Бычкова. М.: Сов. радио, 1967. С.130-134.
4. Золотарев И.Д., Березовский В.А. Фазовый пеленгатор со схемой подстановки частоты гетеродина при работе по множественной цели, Омск: ОмГТУ, Омский научный вестник, 2009 г., №3 (83) - С.260-264.
5. Zolotarev I.D., Berezovskiy V.A., Privalov D.D. Signal Analysis at the Phase Discriminator Output of the Phase Direction Finder Circuit with the Frequency Substitution. - International Conference on Actual Problems of Electronic instrument Engineering Proceedings, APEIE-2010. - Novosibirsk: NSTU, September 22-24, 2010, V.1. - P.18-22.