ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР
PHASE-BASED DIRECTION-FINDER

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство.
Известно построение множества различных фазовых пеленгаторов с супергетеродинным приемным устройством, имеющих высокую чувствительность, достаточную помехозащищенность, обусловленную избирательными свойствами супергетеродинного построения, и высокую точность измерения угловых координат, присущую фазовому методу пеленгации.
В описании изобретения к патенту RU 2449306, G01S 3/46, 20.12.2010 приведено построение фазового пеленгатора (ФП) с супергетеродинным приемником, обладающим всеми вышеперечисленными достоинствами, в состав которого входит канал частотной селекции для определения основной или зеркальной частоты приема, обладающий повышенной помехоустойчивостью на частотах, кратных частотам гетеродина. Недостатком такого пеленгатора является недостаточная точность измерения пеленгов в широком диапазоне частот и в условиях климатических или других воздействий в процессе его эксплуатации.
Целью изобретения является повышение точности пеленгации в широком частотном диапазоне и в различных условиях эксплуатации, а также обеспечение полной глубины встроенного контроля фазового пеленгатора.
Поставленная цель достигается тем, что в фазовый пеленгатор, содержащий три антенны, четыре смесителя, четыре предварительных усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ), шесть полоснопропускающих фильтров промежуточной частоты (ППФПЧ), четыре усилителя промежуточной частоты с логарифмическим видеовыходом (УПЧЛ), усилитель высокой частоты (УВЧ), полоснопропускающий фильтр высокой частоты (ППФВЧ), перестраиваемый гетеродин (ПГ), квадратурный делитель, два двухвходовых аналоговых сумматора, квадратурный фазовый детектор (ФД), формирователь сигнала частотной селекции (ФСЧС), формирователь напряжения смещения, два пороговых устройства (ПУ), компаратор, четырехвходовую схему совпадений, причем соединенные последовательно первые антенна, смеситель, ПУПЧ, ППФПЧ, УПЧЛ образуют первый приемный канал, последовательно соединенные вторые антенна, смеситель, ПУПЧ, ППФПЧ, УПЧЛ образуют второй приемный канал, выход УВЧ соединен с входом ППФВЧ, выход которого соединен с первыми входами третьего и четвертого смесителей, выход третьего смесителя через третьи ПУПЧ, ППФПЧ, УПЧЛ и пятый ППФПЧ соединен с первым входом квадратурного ФД, выход четвертого смесителя через четвертые ПУПЧ, ППФПЧ, УПЧЛ и шестой ППФПЧ соединен с вторым входом квадратурного ФД, выход ПГ соединен с вторыми входами первого и второго смесителей первого и второго приемных каналов и с входом квадратурного делителя, два выхода которого соединены соответственно с вторыми входами третьего и четвертого смесителей, выход формирователя напряжения смещения соединен с первым входом первого двухвходового аналогового сумматора, выход которого соединен с первым входом компаратора, вторые выходы третьего и четвертого УПЧЛ соединены соответственно с входами второго аналогового сумматора, выход которого соединен с вторым входом компаратора и с входом первого ПУ, первый и второй выходы квадратурного ФД соединены соответственно с двумя входами ФСЧС, первый выход которого, а также выход компаратора, выходы первого и второго ПУ соединены соответственно с четырьмя входами схемы совпадений, дополнительно введены N-2 приемных канала в виде последовательно соединенных антенны, смесителя, ПУПЧ, ППФПЧ, УПЧЛ, N-входовый аналоговый сумматор, N-входовый блок фазовых детекторов, 2·N-входовый первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), вычислитель разностей фаз, блок коррекции, электронно-программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ), вычислитель пеленгов, частотный дискриминатор (ЧД), второй блок АЦП, вычислитель промежуточной частоты (ПЧ), блок управления частотой гетеродина, контрольный генератор (КГ) и направленный ответвитель (НО), при этом выход ПГ соединен дополнительно с вторыми входами (N-2)-x смесителей приемных каналов, первые выходы первого и второго УПЧЛ и первые выходы (N-2)-x УПЧЛ, входящих в N приемных каналов, соединены соответственно с входами N-входового аналогового сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого двухвходового аналогового сумматора и входом второго ПУ, вторые выходы N УПЧЛ, входящих в N приемных каналов, соединены соответственно с N входами блока ФД, 2·N выходов блока ФД соединены соответственно с 2·N входами первого блока АЦП, 2·N выходов блока АЦП соединены соответственно с 2·N входами вычислителя разности фаз, N выходов которого соединены соответственно с N входами блока коррекции, N выходов которого соединены соответственно с N входами вычислителя пеленгов, первый выход четвертого УПЧЛ соединен дополнительно с входом ЧД, два выхода которого соединены соответственно с двумя входами второго блока АЦП, оба выхода которого соединены соответственно с двумя входами вычислителя ПЧ, выход которого соединен с первым входом ЭППЗУ и (N+1)-ым входом вычислителя пеленгов, второй выход ФСЧС соединен с (N+1)-ым входом блока коррекции, вторым входом ЭППЗУ и (N+2)-ым входом вычислителя пеленгов, выход ЭППЗУ соединен с (N+2)-ым входом блока коррекции, выход схемы совпадений соединен с (2N+l)-ым входом первого блока АЦП и третьим входом второго блока АЦП, выход третьей антенны соединен через НО с входом УВЧ, первый выход блока управления частотой гетеродина соединен с входом ПГ, его второй выход через КГ соединен с вторым входом НО, третий его выход соединен с третьим входом ЭППЗУ и (N+3)-м входом вычислителя пеленгов, два выхода которого являются выходами пеленгатора.
На фиг.1 приведена структурная схема пеленгатора, на фиг.2-4 - диаграммы, поясняющие его работу.
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
ФП содержит N+1 антенн 1, 1… 1, 9, расположенных в одной плоскости, причем антенна 9 частотной селекции расположена в центре, а остальные антенны расположены вокруг нее, N+2 смесителей 2, 2… 2, 13, 15, N+2 ПУПЧ 3, 3… 3, 17, 18, N+4 ППФПЧ 4, 4… 4, 19, 20, 29, 30, N+2 УПЧЛ 5, 5… 5, 23, 24. Далее расположены ПГ 6, блок управления частотой гетеродина 7, КГ 8, НО 10, УВЧ 11, ППФВЧ 12, квадратурный делитель 14, N-входовый аналоговый сумматор 16, формирователь напряжения смещения 22, блок ФД 21, два блока АЦП 25, 36, два ПУ 26, 34, два двухвходовых аналоговых сумматора 27, 33, вычислитель разности фаз 28, ЧД 31, блок коррекции 32, квадратурный ФД 35, вычислитель пеленгов 41, ЭППЗУ 37, аналоговый компаратор 38, четырехвходовая схема совпадений 39, ФСЧС 40, вычислитель ПЧ 42.
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
N
N
N
N
N
1
N
Соединенные последовательно антенна 1, смеситель 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ 4, УПЧЛ 5 образуют первый приемный канал, последовательно соединенные антенна 1, смеситель 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ 4, УПЧЛ 5 - второй приемный канал, последовательно соединенные антенна 1, смеситель 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ 4, УПЧЛ 5 - N-ый приемный канал. Первые выходы УПЧЛ каждого из N приемного канала соединены соответственно с N входами блока ФД 21, вторые их выходы соединены соответственно с N входами аналогового сумматора 16. Выход ПГ 6 соединен с вторыми входами смесителей 2… 2 каждого из N приемных каналов и с входом квадратурного делителя 14. Первый и второй выходы блока управления частотой гетеродина 7 соединены соответственно с входами ПГ 6 и КГ 8. Выход антенны 9 через НО 10, УВЧ 11, ППФВЧ 12 соединен с входами смесителей 13, 15, вторые входы которых соединены соответственно с двумя выходами квадратурного делителя 14. Выход КГ 8 соединен с вторым входом НО 10. Выход смесителя 13 через ПУПЧ 17, ППФПЧ 19, УПЧЛ 23 и ППФПЧ 29 соединен с первым входом квадратурного ФД 35, выход смесителя 15 через ПУПЧ 18, УПЧЛ 24, ППФПЧ 30 соединен с вторым входом квадратурного ФД 35, вторые выходы УПЧЛ 23, 24 соединены соответственно с двумя входами аналогового сумматора 27, выход которого соединен с вторым входом аналогового компаратора 38 и входом ПУ 34. Первый выход УПЧЛ 24 соединен дополнительно с входом ЧД 31, два выхода которого соединены соответственно с двумя входами второго блока АЦП 36. Два выхода второго блока АЦП 36 соединены соответственно с двумя входами вычислителя ПЧ 42, два выхода квадратурного ФД 35 соединены соответственно с двумя входами ФСЧС 40. 2·N выходов блока ФД 21 соединены соответственно с 2·N входами первого блока АЦП 25, а 2·N его выходов с 2·N входами вычислителя разности фаз 28. N выходов вычислителя разности фаз 28 соединены соответственно с N входами блока коррекции 32, N выходов блока коррекции 32 соединены с N входами вычислителя пеленгов 41. Выход формирователя напряжения смещения 22 соединен с первым входом аналогового сумматора 33, выход которого соединен с первым входом аналогового компаратора 38. Выход N-входового аналогового сумматора 16 соединен с вторым входом двухвходового аналогового сумматора 33 и входом ПУ 26. Выходы первого 34 и второго 26 ПУ, первый выход ФСЧС 40 и выход компаратора 38 соединены соответственно с входами четырехвходовой схемы совпадений 39, выход которой соединен с (2N+1)-ым входом первого блока АЦП 25 и третьим входом второго блока АЦП 36. Второй выход ФСЧС 40 соединен с (N+1)-ым входом блока коррекции 32, вторым входом ЭППЗУ 37 и (N+2)-ым входом вычислителя пеленгов 41. Выход вычислителя ПЧ 42 соединен с первым входом ЭППЗУ 37 и (N+l)-ым входом вычислителя пеленгов 41. Третий выход блока управления частотой гетеродина 7 соединен с третьим входом ЭППЗУ 37 и с (N+3)-им входом вычислителя пеленгов 41, два выхода которого являются выходами пеленгатора.
1
N
1
N
В пеленгаторе используется фазовый метод пеленгации с целочисленным соотношением проекций баз на азимутальную и угломестную оси координат. При этом реализуется квазиоптимальный метод устранения неоднозначности измерений. В центре антенной системы располагается антенна 9 канала частотной селекции. Остальные антенны 1-1 расположены по периметру вокруг центральной антенны 9, благодаря чему достигается постоянство фазовых сдвигов при распространении электромагнитной волны от антенны 9 до антенны 1-1.
В канале частотной селекции используется метод фазовой окраски сигнала при приеме на основной и зеркальной частотах. При этом в квадратурном делителе 14 задается разность фаз 90°, в результате чего после преобразования по частоте в смесителях 13 и 15 образуются разности фаз 90° на основной частоте и минус 90° на зеркальной, а после демодуляции в ФД 35 на основной и зеркальной частотах образуются видеосигналы положительной или отрицательной полярности.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Пеленгатор работает следующим образом. Электромагнитная волна преобразуется антеннами 1-1, 9 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты и с фазовыми соотношениями, соответствующими направлению на источник излучения. В каждом из приемных каналов сигналы с выходов антенн 1-1 поступают последовательно на вход смесителей 2-2, где преобразуются по частоте, усиливаются ПУПЧами 3-3, фильтруются на промежуточной частоте ППФПЧ 4-4 и усиливаются УПЧЛ 5-5 с сохранением фазовых соотношений. С радиовыходов УПЧЛ 5-5 сигналы поступают на входы блока ФД 21, где образуются квадратуры (SinΔφ, cosΔφ) видеосигналов соответственно парциальным базам фазового пеленгатора. На гетеродинные входы смесителей 2-2 поступает один и то же сигнал гетеродина, поэтому на выходах смесителей 2-2 сохраняются фазовые соотношения, соответствующие направлению на источник излучения.
С выхода антенны 9 через НО 10 с минимальными потерями сигнал поступает на вход УВЧ 11, усиливается, фильтруется ППФВЧ 12 и поступает на входы смесителей 13, 15 канала частотной селекции. На гетеродинные входы смесителей 13, 15 через квадратурный делитель 14 поступает сигнал перестраиваемого гетеродина 6. Частота гетеродина устанавливается блоком 7 управления частотой гетеродина. С выходов смесителей 13, 15 ПЧ сигналы усиливаются ПУПЧ 17, 18, фильтруются ППФПЧ 19 и 20, усиливаются УПЧЛ 23 и 24 и снова фильтруются ППФПЧ 29, 30. Это происходит с сохранением амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, поэтому на выходах квадратурного ФД 35 формируются видеосигналы, разнополярные на основной и зеркальной частотах приема. В ФСЧС 40 формируются логический сигнал, соответствующий обнаружению сигнала в полосе пропускания ППФПЧ 29, 30, поступающий на вход схемы совпадений 39, и другой логический сигнал, логическая «единица» которого соответствует, например, приему на основной частоте, а логический «ноль» - на зеркальной (см. фиг.2).
пч
пч
С радиовыхода УПЧЛ 24 сигнал поступает также на вход ЧД 31. В составе ЧД после синфазного разветвления сигнала ПЧ один из двух сигналов задерживается и перемножается в квадратурах с другим, не задержанным сигналом. В результате на двух выходах ЧД 31 образуются два видеосигнала, пропорциональные sinωτ и cosωτ, где ω=2πf, τ - величина задержки сигнала в составе ЧД 31, f - величина ПЧ сигнала на входе ЧД 31. Сигналы с выходов ЧД 31 преобразуются в блоке АЦП 36 в цифровой двоичный код, и в вычислителе ПЧ 42 вычисляется величина образующейся разности фаз Δφ=ωτ. Откуда . Величина τ выбирается такой, чтобы в пределах полосы пропускания ППФПЧ 29, 30 разность фаз Δφ измерялась однозначно.
1
N
ij
ij
ij
С радиовыхода каждого УПЧЛ 5-5 приемных каналов ПЧ сигналы поступают на N входов блока ФД 21, где преобразуются в видеосигналы, пропорциональные sinΔφ и cosΔφ, где i, j - номера приемных каналов в соответствии с выбранными базами фазового пеленгатора. Затем видеосигналы преобразуются в блоке АЦП 25 в цифровой двоичный код, а в вычислителе 28 вычисляется разность фаз Δφ по выбранным порциальным базам в соответствии с формулой , где К - коэффициент пропорциональности. Первый и второй блоки АЦП 25 и 36 синхронизируются с выхода схемы совпадений 39 при совпадении логических сигналов на ее входах.
В блоке коррекции 32 осуществляется коррекция (компенсация) фазовых ошибок, образующихся вследствие неидентичности приемных каналов. Коррекция осуществляется в частотном диапазоне при настройке изделия и в процессе эксплуатации с использованием сигналов с выхода КГ 8. При этом частота сигнала вычисляется через частоту гетеродина, вычисленное значение ПЧ и признак основного или зеркального приема. Корректирующие коды запоминаются в ЭППЗУ 37 при настройке пеленгатора в двух режимах: по сигналу с внешнего источника излучения, установленного в равнофазном направлении, и по сигналу с выхода КГ 8. В случае, если вычисленная частота сигнала не совпадает с частотой источника излучения или КГ 8 при настройке, то значение корректирующего кода выбирается как ближайшее по частоте.
С выхода блока коррекции 32 N значений откорректированных разностей фаз поступают на входы вычислителя пеленгов 41, представляющего собой цифровое вычислительное устройство и построенное, например, так, как это представлено на рис.6.11.2, стр.206 издания: Денисов В.П., Дубинин Д.В. Фазовые радиопеленгаторы. Монография. - Томск, 2002 г., 251 с. ISBN5-86889-067-1. УДК 621.396.96, БВК 32953. На выходах вычислителя пеленгов 41 формируются в двоичных кодах числа, соответствующие величине азимута и угла места источника излучения.
Обнаружение сигнала и формирование синхронизации для блоков АЦП 25, 36 осуществляется следующим образом.
1
N
Видеосигналы с вторых выходов УПЧЛ 5-5 суммируются N входовым сумматором 16 и поступают на второй вход сумматора 33 и на вход ПУ 26, на первый вход которого приходит напряжение с выхода формирователя напряжения смещения 22, соответствующее примерно 15 дБ по крутизне логарифмической характеристике УПЧЛ (см. фиг.3, 4). С выхода сумматора 33 аналоговый сигнал поступает на первый вход компаратора 38, в котором сравниваются в логарифмическом масштабе сигналы с приемных фазоизмерительных каналов и с КЧС. В случае если прием осуществляется на первой гармонике сигнала гетеродина, то на выходе компаратора 38 формируется «1» и на выходе схемы совпадения 39 также формируется «1», если произошло обнаружение сигналов в ПУ 26, ПУ 34 и в ФСЧС 40.
ij
ij
ij
Работа фазового пеленгатора в рабочем режиме осуществляется следующим образом. Периодически, в момент отсутствия сигнала на входе пеленгатора происходит запоминание кодов коррекции по сигналам с КГ 8 по всем или необходимым по заданному частотному диапазону частотам. По всем парциальным базам фиксируется значение разности фаз и вычисляется разница значений фаз Δφ в текущем времени и при настройке. Пеленгатор переходит в рабочий режим и при обнаружении сигнала происходит вычисление разностей фаз Δφ по парциальным базам и вычисление частоты входного сигнала. Затем в блоке коррекции 32 осуществляется коррекция (компенсация) значений Δφ вначале по запомненным в ЭППЗУ 37 кодам коррекции в режиме равнофазного направления, а затем по разнице корректирующих кодов в режиме контрольного генератора. После коррекции разностей фаз осуществляется в блоке 41 вычисление пеленгов по углу места и азимуту с повышенной за счет коррекции точностью.
Таким образом, запоминание в ЭППЗУ корректирующих кодов в режиме настройки с внешним источником излучения и в режиме юстировки с КГ позволяет повысить точность фазового пеленгатора в частотном диапазоне и в различных условиях эксплуатации, а также увеличить глубину внутреннего контроля пеленгатора.