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 обнаружения сигналов и измерения направления на источник излучения этого сигнала.
Известно построение фазометрического устройства, в котором при подключении к входам фазового канала двух разнесенных на величину базы d антенн и к входу канала частотной селекции третьей антенны образуется фазовый пеленгатор, способный измерять угловое положение объекта излучения плоской электромагнитной волны (В.Н. Смирнов, А.А. Ткач. Сравнительный анализ вариантов построения приемного устройства с преобразованием частоты. Вопросы радиотехники, сер. Общетехническая, вып.1, М., 2002 г., стр.39-50, рис.2). В нем реализован фазовый метод пеленгации и супергетеродинный приемник с двумя преобразованиями по частоте.
Такой пеленгатор имеет повышенную помехозащищенность в частотном диапазоне, но не обладает высокой точностью пеленгации в различных условиях эксплуатации (климатические воздействия и т.д.) и не имеет достаточной помехозащищенности в динамическом диапазоне.
Целью изобретения является повышение точности пеленгации в частотном диапазоне в различных условиях эксплуатации, увеличение глубины встроенного контроля устройства и повышение помехоустойчивости в динамическом диапазоне входных сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в фазовый пеленгатор, содержащий три смесителя высокой частоты (СмВЧ), три усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ), три полоснопропускающих фильтра первой промежуточной частоты (ППФПЧ1), усилитель высокой частоты (УВЧ), полоснопропускающий фильтр высокой частоты (ППФВЧ), два смесителя промежуточной частоты (СмПЧ), два полоснопропускающих фильтра второй промежуточной частоты (ППФПЧ2), причем последовательно соединенные первые СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2 образуют первый фазовый приемный канал, последовательно соединенные вторые СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2 образуют второй фазовый приемный канал, последовательно соединенные УВЧ, ППФВЧ, третьи СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1 образуют опорный приемный канал, введены (N+1)-я антенна, N-2 фазовых приемных каналов в виде последовательно соединенных СмВЧ, ПУПЧ, ППФПЧ1, СмПЧ, ППФПЧ2, два перестраиваемых гетеродина (ПГ), блок управления частотой гетеродина (БУЧГ), контрольный генератор (КГ), направленный ответвитель (НО), два усилителя промежуточной частоты с логарифмическим видеовыходом (УПЧЛ), аналоговый сумматор, формирователь напряжения смещения (ФНСм), три пороговых устройства (ПУ), аналоговый компаратор, (N+2)-й ППФПЧ1, (N+1)-й ППФПЧ2, два амплитудных детектора (АД), частотный дискриминатор (ЧД), два блока аналого-цифровых преобразователей (АЦП), вычислитель промежуточной частоты (ПЧ), четырехвходовая схема совпадений, электронно-программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭППЗУ), формирователь отсчетов АЦП, вычислитель разностей фаз, блок коррекции и вычислитель пеленгов, при этом каждая из N антенн соединяется соответственно с входом СмВЧ каждого из N приемных каналов, (N+1)-я антенна соединяется через НО с входом УВЧ опорного канала, выход первого ПГ соединяется со вторым входом СмВЧ каждого из N приемных каналов, выход ППФПЧ2 каждого из N приемных каналов соединяется соответственно с N входами первого блока АЦП, первый выход БУЧГ соединен с входом первого ПГ, второй выход БУЧГ через КГ соединен с вторым входом НО, третий выход БУЧГ через второй ПГ соединен с вторым входом СмВЧ опорного канала, четвертый выход БУЧГ соединен с первым входом ЭППЗУ и с (N+1)-м входом вычислителя пеленгов, выход ППФПЧ2 N-го приемного фазового канала соединен дополнительно через первый УПЧЛ, (N+1)-й ППФПЧ2, первый АД и первое ПУ с первым входом схемы совпадений, выход ФНСм через аналоговый сумматор, аналоговый компаратор соединен со вторым входом схемы совпадений, второй выход первого УПЧЛ соединен со вторым входом аналогового сумматора, выход ППФПЧ1 опорного канала через второй УПЧЛ соединен со вторым входом аналогового компаратора и входом второго ПУ, выход которого соединен с третьим входом схемы совпадений, второй выход второго УПЧЛ соединен с входом (N+2)-го ППФПЧ1 и входом ЧД, выход (N+2)-го ППФПЧ1 соединен с вторыми входами СмПЧ каждого из N приемных каналов и с входом второго АД, выход которого через третье ПУ соединен с четвертым входом четырехвходовой схемы совпадений, два выхода ЧД соединены соответственно с двумя входами второго блока АЦП, два выхода второго блока АЦП соединены соответственно с вычислителем ПЧ, выход которого соединен с вторым входом ЭППЗУ и (N+2)-м входом вычислителя пеленгов, (N+1)-й выход вычислителя разности фаз соединен с третьим входом ЭППЗУ, выход схемы совпадений соединен с третьим входом второго блока АЦП и с (N+1)-м входом формирователя отсчетов АЦП, N выходов первого блока АЦП соответственно через N входов и N выходов формирователя отсчетов АЦП, N входов и N выходов вычислителя разности фаз, N входов и N выходов блока коррекции соединены соответственно с N входами вычислителя пеленгов, два выхода которого являются выходами устройства.
На фиг.1 приведена структурная схема пеленгатора, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.
1
2
N
1
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
Фазовый пеленгатор содержит N+1 антенн 1, 1, …, 1, 10, расположенных в одной плоскости, N из которых (1, …, 1) образуют фазовую решетку, а антенна 10 расположена в центре всей антенной системы, СмВЧ 2, 2, …, 2, 15, ПУПЧ 3, 3, …, 3, 16, N+2 ППФПЧ1 4, 4, …, 4, 18, 27, N СмПЧ 5, 5, …, 5, N+1 ППФПЧ2 6, 6, …, 6, два перестраиваемых гетеродина 7, 14, БУЧГ 8, КГ 9, НО 11, УВЧ 12, ППФВЧ 13, два УПЧЛ 20, 23, ФНСм 17, аналоговый сумматор 21, аналоговый компаратор 22, три ПУ 25, 31, 37, два АД 30, 32, ЧД 28, два блока АЦП 19, 33, вычислитель ПЧ 38, четырехвходовую схему совпадений 36, ЭППЗУ 35, формирователь отсчетов АЦП 24, вычислитель разностей фаз 29, блок коррекции 34, вычислитель пеленгов 39.
1
2
N
1
2
N
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
N
N
N
N
N
1
2
N
1
2
N
N
1
2
N
Выход каждой из антенн 1, 1, …, 1 соединен соответственно с первыми входами каждого СмВЧ 2, 2, …, 2. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют первый приемный фазовый канал. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют второй приемный фазовый канал. Последовательно соединенные СмВЧ 2, ПУПЧ 3, ППФПЧ1 4, СмПЧ 5, ППФПЧ2 6 образуют N-й приемный фазовый канал. Выход антенны 10 через НО 11 соединен с входом УВЧ 12. Последовательно соединенные УВЧ 12, ППФВЧ 13, СмВЧ 15, ПУПЧ 16, ППФПЧ1 18 образуют опорный приемный канал. Выход первого ПГ 7 соединен с вторыми входами каждого из СмВЧ 2, 2, …, 2, входящих в N фазовых приемных каналов, выход второго ПГ 14 соединен с вторым входом СмВЧ 15 опорного канала. Первый, второй, третий и четвертый выходы БУЧГ 8 соединены соответственно с входами первого ПГ 7, через КГ 9 с вторым входом НО 11, с входом ПГ 14, с первым входом ЭППЗУ 35 и с (N+1)-м входом вычислителя пеленгов 39. Выход каждого из N ППФПЧ2 6, 6, …, 6 соответственно через N входов и N выходов первого блока АЦП 19, N входов и N выходов формирователя отсчетов АЦП 24, N входов и N выходов вычислителя разности фаз 29, N входов и N выходов блока коррекции 34 соединены с N входами вычислителя пеленгов 39, выходы которого являются выходами пеленгатора. Выход ППФПЧ2 6 N-го фазового канала соединен дополнительно с входом первого УПЧЛ 20, первый выход которого через (N+1)-й ППФПЧ2 26, первый АД 30, первое ПУ 31 соединен с первым входом четырехвходовой схемы совпадений 36. Выход ФНСм 17 через аналоговый сумматор 21, аналоговый компаратор 22 соединен с вторым входом схемы совпадений 36. Первый выход второго УПЧЛ 23 соединен со вторым входом компаратора 22 и через второй ПУ 25 соединен с третьим входом схемы совпадений 36. Второй выход второго УПЧЛ 23 соединен с входом (N+2)-го ППФПЧ1 27 и с входом ЧД 28. Выход (N+2)-го ППФПЧ1 27 соединен с вторыми входами СмПЧ 5, 5, …, 5 и через второй АД 32 и третий ПУ 37 с четвертым входом четырехвходовой схемы совпадений 36. Два выхода ЧД 28 соединены соответственно через второй блок АЦП 33 с двумя входами вычислителя ПЧ 38, выход которого соединен с вторым входом ЭППЗУ 35 и с (N+2)-м входом вычислителя пеленгов 39. Выход схемы совпадений 36 соединен с (N+1)-м входом формирователя отсчетов АЦП 24 и с третьим входом второго блока АЦП 33.
В основе работы пеленгатора заложен фазовый метод пеленгации, когда плоско падающая радиоволна образует на выходах антенн когерентные сигналы, разность фаз ∆φ между которыми зависит от направления α на пеленгуемый источник излучения:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>d</mi><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>α</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где d - расстояние между антеннами (база);
λ - длина волны электромагнитного излучения.
Антенна опорного канала устанавливается в центре, остальные - по периметру с целочисленным соотношением проекций баз на азимутальную и угломестную оси координат.
В качестве приемного устройства в составе пеленгатора используется супергетеродинный приемник с двумя преобразованиями по частоте с двумя гетеродинами, разнесенными по частоте на величину второй промежуточной частоты с запретом приема на зеркальной частоте.
При настойке пеленгатора запоминаются значения корректирующих кодов по каждой базе по сигналу источника излучения, установленного в равнофазном направлении и по сигналу с контрольного генератора. В штатном режиме осуществляется коррекция фазовых ошибок.
1
N
Фазовый пеленгатор работает следующим образом. Электромагнитная волна преобразуется входными антеннами 1-1 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты с разностями фаз по парциальным базам, определяемым выражением (1). На выходе антенны 10 образуется сигнал с произвольной фазой.
i
i
i
i
i
В каждом из N фазовых каналов сигнал преобразуется в СмВЧ 2 на первую ПЧ, усиливается ПУПЧ 3, фильтруется ППФПЧ 4, преобразуется в СмПЧ 5 на вторую ПЧ и фильтруется ППФПЧ2 6 с узкой полосой пропускания на второй ПЧ.
i
С выхода антенны 10 сигнал через НО11 поступает на вход опорного канала, где усиливается УВЧ 12, фильтруется ППФВЧ 13 на высокой частоте, преобразуется СмВЧ 15 на первую ПЧ опорного канала, отличающуюся от первой ПЧ фазового канала на величину второй ПЧ. Затем сигнал в опорном канале усиливается ПУПЧ 16, фильтруется ППФВЧ 18, усиливается УПЧЛ 23 и дополнительно фильтруется ППФПЧ1 27. С выхода ППФПЧ1 27 сигнал поступает на входы СмПЧ2 6 каждого из N фазовых каналов.
<mrow><mi>ϖ</mi><mi>τ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>ϖ</mi><mi>τ</mi></mrow><mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>ϖ</mi><mi>τ</mi></mrow></mfrac></mrow>
N
В БУЧГ 8 устанавливается необходимая частота первого ПГ 7 и второго ПГ 14, сдвинутые относительно друг друга на величину второй ПЧ. С второго выхода БУЧГ 8 управляет режимами и частотой КГ 9. С третьего его выхода поступает цифровой код, соответствующий коду частоты второго ПГ 14 на (N+1)-й вход вычислителя пеленгов 39 и на первый вход ЭППЗУ 35. С второго выхода второго УПЧЛ 23 ПЧ сигнал поступает также на вход ЧД 28. В нем осуществляется в квадратурах вычисление разности фаз прямого и задержанного сигнала и формируются напряжения, пропорциональные Sinϖτ и Cosϖτ. Во втором блоке АЦП 33 эти напряжения преобразуются в цифровой двоичный код, а в вычислителе ПЧ 38 вычисляется ϖτ по формуле
. Величина задержки τ выбирается такой, чтобы однозначно измерить величину ПЧ во всей мгновенной полосе пропускания приемного устройства. С выхода вычислителя ПЧ 38 двоичный код, пропорциональный величине ПЧ, поступает на второй вход ЭППЗУ 35 и на (N+2)-й вход вычислителя пеленгов 39. Таким образом устанавливается соответствие между частотой сигнала, частотой ПГ 14 и измеренной величиной ПЧ, что необходимо для однозначного соответствия каждому сигналу кода коррекции в ЭППЗУ 35 и в блоке коррекции 34. С выхода ППФПЧ1 27 ПЧ сигнал поступает также на вход АД 32 и после детектирования - на вход ПУ 37, а затем на четвертый вход схемы совпадений 36. Таким образом, наличие сигнала на выходе третьего ПУ 37 формирует мгновенную полосу пропускания приемника во всем динамическом диапазоне входных сигналов. С первого выхода второго УПЧЛ 23 видеосигнал поступает на второй вход аналогового компаратора 22 и на вход второго ПУ 25, а с их выходов соответственно на второй и третий входы схемы совпадений 36. С выхода ППФПЧ2 6 N-го фазового канала ПЧ сигнал поступает дополнительно на вход УПЧЛ 20. С ПЧ выхода УПЧЛ 20 сигнал фильтруется ППФПЧ2 26, затем детектируется АД 30 и сравнивается с порогом в первом ПУ 31. Таким образом формируется наличие сигнала в полосе пропускания после второго преобразования по частоте. С выхода первого ПУ 31 логический сигнал поступает на первый вход схемы совпадений 36. Видеосигнал с второго выхода УПЧЛ 20 поступает на второй вход аналогового сумматора 21, на первый вход которого приходит напряжение с выхода ФНСм 17. С выхода сумматора 21 сумма сигналов поступает на первый вход компаратора 22, а с его выхода - на второй вход схемы совпадений 36. Компаратор 22 разрешает работу приемного устройства на основной частоте приема. На зеркальной частоте напряжение на выходе компаратора 22 будет соответствовать логическому нулю (см. фиг.2) и обнаружения сигнала не произойдет.
c
Г2
ПЧ
c
Г2
ПЧ
ПЧ сигналы с выхода каждого из N ППФПЧ2 6i поступают на N входов первого блока АЦП 19. В блоке непрерывно с высокой тактовой частотой осуществляется преобразование аналоговых ПЧ сигналов в двоичные коды, которые поступают, соответственно, на входы формирователя отсчетов АЦП 24. По импульсу обнаружения, сформированному на выходе четырехвходовой схемы совпадений 36, при переходе выходов первого, второго, третьего ПУ 25, 31, 37 и аналогового компаратора 22 в состояние логической единицы (при обнаружении сигнала) в формирователе отсчетов 24 по принципу скользящего временного окна запоминается на время обработки определенное количество двоичных чисел. В вычислителе разности фаз 29 вычисляются разности фаз по парциальным базам по принципу комплексного быстрого преобразования Фурье (БПФ) или по квадратурам. Далее в блоке коррекции 34 по каждой парциальной базе осуществляется коррекция фазовых ошибок по кодам, взятым из памяти ЭППЗУ 35 в соответствии с установленной частотой второго гетеродина 14 и измеренной вычислителем ПЧ 38 промежуточной частотой (f=f+f, где f - вычисляемая или задаваемая при настройке или в КГ 9 частота сигнала, f - частота второго гетеродина, f - измеренная ПЧ). В случае, если измеренная или задаваемая частоты не совпадают, используется метод интерполяции или берется значение кода коррекции, ближайшее по частоте.
1
N
При настройке пеленгатора по источнику излучения, установленному в равнофазном направлении, через (N+1)-й выход вычислителя разности фаз 29 и третий вход ЭППЗУ 35 заполняется ЭППЗУ 35 по всему частотному диапазону. Затем включается КГ 9 и последовательно в частотном диапазоне заполняется ЭППЗУ 35 в режиме КГ. При этом сигнал с выхода КГ 9 через НО 11 и антенну 10 распространяется в виде электромагнитной волны на фазовые антенны 1…1 фазовых каналов и, далее, по приемным фазовым каналам с формированием кодов коррекции в режиме КГ.
Обнаружение сигналов и формирование отсчетов пеленгов в рабочем режиме осуществляется следующим образом. Поочередно происходит установка ПГ 7 и связанного с ним второго ПГ 14 по частоте. В случае, если частота сигнала после преобразования по частоте попадает в полосу пропускания приемника и, если при этом мощности сигнала достаточно для срабатывания первого, второго, третьего ПУ 31, 25, 37 и, если частота будет соответствовать основной (не зеркальной) частоте приема, то сработает четырехвходовая схема совпадений 36 и произойдет обнаружение сигнала. В случае, если при установленных значениях частоты первого и второго ПГ 7 и ПГ 14 частота сигнала близка к зеркальной частоте опорного канала (см. фиг.2), то обнаружения не произойдет, так как при выбранных значениях полос пропускания фазового и опорного каналов величины второй ПЧ, АЧХ этих каналов не пересекаются. В динамическом диапазоне входных сигналов, когда из-за конечной избирательности полоснопропускающих фильтров возможно срабатывание ПУ 25, 31 и 37, не сработает аналоговый компаратор 22, так как амплитуда видеосигнала с выхода 2 УПЧЛ 20 будет существенно меньше амплитуды с выхода 1 УПЧЛ 23. Этим обеспечивается повышенная помехозащищенность пеленгатора в динамическом диапазоне входных сигналов.
Формирование пеленгов в пеленгаторе осуществляется следующим образом. Периодически включается КГ 9, осуществляется контроль работоспособности пеленгатора (встроенный контроль) и производится запись текущих корректирующих кодов в ЭППЗУ 35. При обнаружении сигнала в формирователе отсчетов АЦП 24 по принципу скользящего временного окна фиксируется по всем N каналам блока АЦП 19 некоторое количество временных отсчетов (выборок), по которым вычисляется в вычислителе 29 значение разности фаз по парциальным базам. В соответствии с вычисленной несущей частотой сигнала из памяти ЭППЗУ 35 выбирается для каждой базы код коррекции, сформированный при настройке пеленгатора по источнику излучения в разнофазном направлении, и осуществляется коррекция отсчетов разностей фаз. Затем из ЭППЗУ 35 выбираются ближайшие по частоте и по времени значения корректирующих кодов для каждой базы как разница текущих значений разностей фаз и, записанных в режиме КГ при настройке пеленгатора. Таким образом, в пеленгаторе обеспечиваются повышенная точность пеленгации в условиях его эксплуатации и полная его проверка в режиме встроенного контроля.