ФАЗОВЫЙ СПОСОБ ПЕЛЕНГАЦИИ И ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PHASE DIRECTION FINDING AND PHASE DIRECTION FINDER TO THIS END

Предлагаемые способ и устройство относятся к области радиоэлектроники и могут быть использованы для определения угловых координат источника излучения сложных сигналов.
Известны фазовые способы пеленгации и фазовые пеленгаторы (патенты РФ №№2.003.131, 2.006.872, 2.010.258, 2.012.010, 2.134.429, 2.155.352, 2.175.770, 2.290.658, 2.311.656; патенты Германии №№2.127.087, 2.710.955; патенты Великобритании №№1.395.599, 1.598.325; Кинкулькин И.Е. и др. «Фазовый метод определения координат». М.: Сов. радио, 1979; «Космические радиотехнические комплексы». Под ред. С.И.Бычкова. М.: Сов. радио, 1967, с.130-138, и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления» (патент РФ №2.290.658, G01S 3/46, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.
Указанные технические решения устраняют противоречие между требованиями к точности измерения и однозначности отсчета угловой координаты α.
Недостатком известных способов и устройства является низкая чувствительность и точность при измерении малых угловых координат α источников излучения сложных сигналов.
Технической задачей изобретения является повышение чувствительности и точности при измерении малых угловых координат источников излучения сложных сигналов.
Поставленная задача решается тем, что фазовый способ пеленгации, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на приеме сигналов, усилении и ограничении их по амплитуде, сравнении сигналов, прошедших два канала, по фазе, при этом сигнал одного из каналов предварительно сдвигают по фазе на 90°, устанавливают в азимутальной плоскости n приемных антенн по окружности радиусом d с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны, размещенной в центре окружности, коммутируют приемные антенны, размещенные по окружности, поочередно с частотой Ω, сигнал, принимаемый антенной, размещенной в центре окружности, преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с сигналами, поочередно принимаемыми n приемными антеннами, расположенными по окружности, выделяют фазомодулированное напряжение, перемножают его с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω и сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя точную, но неоднозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, одновременно фазомодулированное напряжение подвергают автокорреляционной обработке, выделяют низкочастотное напряжение с частотой Ω, сравнивают его по фазе с опорным напряжением, формируя грубую, но однозначную шкалу пеленгации источника излучения сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что напряжение, пропорциональное синусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° напряжение и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени и исходное напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из сдвинутого по фазе на 90° напряжения четвертой степени и суммируют его с исходным напряжением четвертой степени, напряжение, пропорциональное косинусу измеряемой угловой координаты, сдвигают по фазе на 90°, сдвинутое по фазе на 90° и исходное напряжение последовательно дважды возводят в квадрат, исходное напряжение второй степени и сдвинутое по фазе на 90° напряжение второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента, равного шести, полученное напряжение вычитают из исходного напряжения четвертой степени и суммируют его с сдвинутым по фазе на 90° напряжением четвертой степени.
Поставленная задача решается тем, что фазовый пеленгатор, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом первую приемную антенну, первый приемник, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, первый перемножитель, первый полосовой фильтр, линию задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, первый фазовращатель на 90° и первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора, последовательно включенные опорный генератор, генератор импульсов, электронный коммутатор, n входов которого соединены с выходами n антенн, размещенных по окружности радиусом d с возможностью электронного вращения вокруг первой приемной антенны, размещенной в центре окружности, и второй приемник, выход которого соединен с вторым входом первого перемножителя, последовательно подключенные к выходу первого полосового фильтра второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, второй полосовой фильтр и третий фазовый детектор, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора, а также индикатор, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен вторым и третьим фазовращателями на 90°, восемью квадраторами, двумя масштабирующими перемножителями, двумя вычитателями и двумя сумматорами, причем к выходу первого фазового детектора последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, первый квадратор, второй квадратор, первый вычитатель, второй вход которого через первый масштабирующий перемножитель соединен с выходами первого и третьего квадраторов, и первый сумматор, выход которого соединен с первым входом индикатора, к выходу первого фазового детектора последовательно подключены третий квадратор и четвертый квадратор, выход которого соединен с вторым выходом первого сумматора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены пятый квадратор, шестой квадратор, второй вычитатель, второй вход которого через второй масштабирующий перемножитель соединен с выходами пятого и седьмого квадраторов, и второй сумматор, выход которого соединен с вторым входом индикатора, к выходу третьего фазового детектора последовательно подключены третий фазовращатель на 90°, седьмой квадратор и восьмой квадратор, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора.
Структурная схема фазового пеленгатора, реализующего предлагаемый фазовый способ пеленгации, представлена на фиг.1. Взаимное расположение приемных антенн 1, 2.i (i=1, 2, …, n) и источника радиоизлучений ИРИ показано на фиг.2.
Фазовый пеленгатор содержит последовательно включенные первую приемную антенну 1, первый приемник 3, смеситель 12, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, усилитель 13 промежуточной частоты, первый перемножитель 14, первый полосовой фильтр 15, линию задержки 16, второй фазовый детектор 17, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 15, первый фазовращатель 8 на 90°, первый фазовый детектор 9, второй вход которого соединен с вторым выходом опорного генератора 5. К первому выходу опорного генератора 5 последовательно подключены генератор 6 импульсов, электронный коммутатор 7, n входов которого соединены с выходами n приемных антенн 2.i (i=1, 2, …, n), размещенных на окружности радиусом d, и второй приемник 4, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя 14. К выходу первого полосового фильтра 15 последовательно подключены второй перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 11, второй полосовой фильтр 19 и третий фазовый детектор 20, второй вход которого соединен с третьим выходом опорного генератора 5. К выходу первого фазового детектора 9 последовательно подключены второй фазовращатель 21 на 90°, первый квадратор 22, второй квадратор 23, первый вычитатель 27, второй вход которого через первый масштабирующий перемножитель 26 соединен с выходами первого 22 и третьего 24 квадраторов, и первый сумматор 28, выход которого соединен с первым входом индикатора 10. К выходу первого фазового детектора 9 последовательно подключены третий квадратор 24 и четвертый квадратор 25, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 28. К выходу третьего фазового детектора 20 последовательно подключены пятый квадратор 30, шестой квадратор 31, второй вычитатель 35, второй вход которого через второй масштабирующий перемножитель 34 соединен с выходами пятого 30 и седьмого 32 квадраторов, и второй сумматор 36, выход которого соединен с вторым входом индикатора 10. К выходу третьего фазового детектора 20 последовательно подключены третий фазовращатель 29 на 90°, седьмой квадратор 32 и восьмой квадратор 33, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора 36.
Предлагаемый фазовый способ пеленгации реализуют следующим образом.
Принимаемые сложные сигналы, например с фазовой манипуляцией (ФМн):
1
с
c
k
c
U(t)=υ·Cos[(ω±Δω)t+φ(t)+φ],
2
c
c
k
c
c
U(t)=υ·Cos[(ω±Δω)t+φ(t)+φ+2π·d/λ·Cos(Ωt-α)], 0≤t≤T,
c
с
c
c
где υ, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;
±Δω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами;
k
k
э
э
э
·
·
·
φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, 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-1);
э
c
с
э
·
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T (Т=Nτ);
d - радиус окружности, на которой размещены приемные антенны 2.i (i=1, 2, …, n) (измерительная база);
Ω - скорость электронного вращения приемных антенн 2.i (i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1;
α - пеленг (азимут) на источник излучения сигнала,
с выходов приемных антенн 1, 2.i (i=1, 2, …, n), непосредственно и через электронный коммутатор 7 поступают на входы приемников 3 и 4, а затем на первые входы смесителя 12 и перемножителя 14 соответственно. На второй вход смесителя 12 с выхода гетеродина 11 поступает напряжение
г
г
г
г
U(t)=υ·Cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 12 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты
пр
пр
пр
k
пр
c
U(t)=υ·Cos[(ω±Δω)t+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
пр
c
г
·
·
где υ=1/2υυ;
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ,
г
которое подается на второй вход перемножителя 14. На выходе перемножителя 14 образуется фазомодулированное (ФМ) колебание на частоте ω гетеродина 11
3
3
г
г
c
U(t)=υ·Cos [ωt+φ+2π·d/λ·Cos(Ωt-α)], 0≤t≤T,
3
c
пр
где υ=1/2·υ·υ,
r
которое выделяется полосовым фильтром 15 и поступает на первые входы фазового детектора 17, линии задержки 16 и перемножителя 18. На второй вход последнего подается напряжение U(t) гетеродина 11. На выходе перемножителя 18 образуется гармоническое напряжение
4
4
c
U(t)=υ·Cos[2π·d/λ·Cos(Ωt-α)], 0≤t≤T,
4
3
г
где υ=1/2·υ·υ,
которое выделяется полосовым фильтром 19 и поступает на первый вход фазового детектора 20. На второй вход фазового детектора 20 с третьего выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение
0
0
U(t)=υ·CosΩt.
На выходе фазового детектора 20 образуется напряжение
н1
н1
·
U(α)=υCosα,
н1
4
0
·
·
где υ=1/2υυ.
н1
Это напряжение поступает на вход пятого квадратора 30, который представляет собой перемножитель, на два входа которого подается одно и то же напряжение U(α).
На выходе квадратора 30 образуется напряжение
5
н1
2
2
·
U(α)=υ Cosα,
которое поступает на вход шестого квадратора 31. На выходе последнего образуется напряжение
6
н1
4
4
·
U(α)=υ Cosα.
н1
Одновременно напряжение U(α) с выхода фазового детектора 20 поступает на вход фазовращателя 29 на 90°, на выходе которого формируется напряжение
7
н1
н1
·
·
U(α)=υCos(α+90°)=-υSinα.
Это напряжение поступает на вход седьмого квадратора 32, на выходе которого образуется напряжение
8
н1
2
2
·
U(α)=υ Sinα.
Это напряжение поступает на вход восьмого квадратора 33, на выходе которого образуется напряжение
9
н1
4
4
·
U(α)=υ Sinα.
5
8
м
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадраторов 30 и 32 поступают на два входа масштабирующего перемножителя 34, масштабирующий коэффициент которого выбирается равным 6 (К=6). На выходе масштабирующего перемножителя 34 формируется напряжение
10
5
8
н1
·
·
·
·
·
2
2
2
U(α)=6U(α)U(α)=6υ CosαSinα.
6
10
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадратора 31 и масштабирующего перемножителя 34 соответственно поступают на два входа вычитателя 35, на выходе которого формируется напряжение
11
6
10
н1
н1
4
4
2
2
2
·
·
·
·
U(α)=U(α)-U(α)=υ Cosα-6υ CosαSinα.
9
11
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадратора 33 и вычитателя 35 соответственно поступают на два входа сумматора 36, на выходе которого формируется напряжение
12
н1
н1
н1
н1
4
4
2
2
2
4
2
4
·
·
·
·
·
·
U(α)=υ Cosα-6υ CosαSinα+υ Sinα=υ Cosα.
Это напряжение поступает на второй вход индикатора 10. Так формируется точная, но неоднозначная шкала отсчета угловой координаты α.
3
Одновременно фазомодулированное колебание U(t) подвергается автокорреляционной обработке с помощью автокоррелятора, состоящего из линии задержки 16 и фазового детектора 17.
3
·
В фазомодулированном напряжении U(t) величина mφ=2πd/λ, называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы от нулевого значения, происходящего при электронном вращении приемных антенн 2.i (i=1, 2, …, n) вокруг приемной антенны 1 (фиг.2).
Приемные антенны 2.i (i=1, 2, …, n) поочередно с частотой Ω коммутируются с помощью электронного коммутатора 7, управляемого n-фазным генератором 6 импульсов. Управляющие импульсы формируются генератором 6 импульсов из гармонического напряжения, вырабатываемого опорным генератором 5
0
0
·
U(t)=υCosΩt.
Однако при d/λ>1/2 наступает неоднозначность отсчета угла α. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения отношения d/λ обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазового пеленгатора. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения d/λ часто не удается из-за конструктивных соображений.
3
В связи с изложенным соображением возникает задача уменьшения индекса фазовой модуляции без уменьшения относительного размера измерительной базы d/λ. Это достигается автокорреляционной обработкой фазомодулированного напряжения U(t) с помощью линии задержки 16 и фазового детектора 17. Причем время задержки τ линии задержки 16 выбирается таким, чтобы уменьшить индекс фазовой модуляции до величины
1
1
mφ=2π·d/λ,
1
где d<d,
при которой справедливо неравенство
1
d/λ<1/2,
обеспечивающее однозначную пеленгацию источника излучения сигнала. На выходе фазового детектора 17 образуется гармоническое напряжение
13
13
c
·
U(t)=υCos(Ωt-α), 0≤t≤T,
13
3
·
2
где υ=1/2υ ,
0
которое через фазовращатель 8 на 90° поступает на первый вход фазового детектора 9, на второй вход которого с второго выхода опорного генератора 5 подается опорное напряжение U(t). На выходе фазового детектора 9 образуется напряжение
н2
н2
·
U(α)=υSinα,
н2
13
0
·
·
где υ=1/2υυ,
которое поступает на вход второго фазовращателя 21 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
14
н2
н2
·
·
U(α)=υSin(α+90°)=υCosα.
Это напряжение поступает на вход первого квадратора 22, на выходе которого образуется напряжение
15
н2
2
2
·
U(α)=υ Cosα.
Это напряжение поступает на вход второго квадратора 23, на выходе которого образуется напряжение
16
н2
4
4
·
U(α)=υ Cosα.
н2
Одновременно напряжение U(α) c выхода фазового детектора 9 поступает на вход третьего квадратора 24, на выходе которого образуется напряжение
17
н2
2
2
U(α)=υ ·Sinα.
Это напряжение поступает на вход четвертого квадратора 25, на выходе которого образуется напряжение
18
н2
4
4
U(α)=υ ·Sinα.
15
17
м
м
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадраторов 22 и 24 соответственно поступают на два входа масштабирующего перемножителя 26, масштабирующий коэффициент К которого выбирается равным 6 (К=6). На выходе масштабирующего перемножителя 26 формируется напряжение
19
15
17
н2
·
·
·
·
·
2
2
2
U(α)=6U(α)U(α)=6υ CosαSinα.
16
19
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадратора 23 и масштабирующего перемножителя 26 соответственно поступают на два входа вычитателя 27, на выходе которого формируется напряжение
20
16
19
н2
н2
4
4
2
2
2
·
·
·
·
U(α)=U(α)-U(α)=υ Cosα-6υ CosαSinα.
18
20
Напряжения U(α) и U(α) с выходов квадратора 25 и вычитателя 27 соответственно поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого формируется напряжение
21
н2
н2
н2
н2
4
4
2
2
2
4
4
4
4
·
·
·
·
·
·
U(α)=υ Cosα-6υ CosαSinα+υ Sinα=υ Cosα.
Это напряжение поступает на первый вход индикатора 10. Так формируется грубая, но однозначная шкала отсчета угловой координаты α.
Повышение точности пеленгации источника излучения сложных сигналов обеспечивается увеличением измерительной базы d. A возникающая при этом неоднозначность отсчета угловой координаты α устраняется применением n приемных антенн 2.i (i=1, 2, …, n), которые устанавливаются в азимутальной плоскости по окружности радиусом d (измерительная база) с возможностью их электронного вращения с угловой скоростью Ω вокруг приемной антенны 1, размещенной в центре окружности, и автокорреляционной обработкой принимаемых сложных сигналов.
Причем предлагаемые технические решения инвариантны к нестабильности несущей частоты принимаемых сигналов, ввиду их модуляции (манипуляции) и ширины спектра, а точное и однозначное измерение угловой координаты α осуществляется на частоте Ω опорного генератора.
За счет свертки спектра сложного ФМн-сигнала он преобразуется в узкополосное фазомодулированное (ФМ) напряжение, что дает возможность выделить его с помощью полосового фильтра, отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность частотно-фазового пеленгатора при сравнительно низком отношении сигнал/шум.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение чувствительности и точности при измерении малых угловых координат источников излучения сложных сигналов. Это достигается «усилением» малых угловых координат в четыре раза.