ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР
PHASE 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 фазоизмерительного устройства, в котором, при подключении к его двум 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, серия общетехническая, выпуск 1, М., 2002 г., стр.39-50). В нем реализован фазовый метод пеленгации и супергетеродинный приемник с одним преобразованием по частоте.
Недостатком такого пеленгатора является невысокая точность и разрешающая способность пеленгации в частотном и динамическом диапазонах входных непрерывных сигналов.
Для приема и пеленгации непрерывных узкополосных сигналов полосы пропускания полосно-пропускающих фильтров промежуточной частоты выбираются достаточно узкими, а режим перестройки частоты гетеродина - с постоянным свипированием. При этом обеспечивается панорамный обзор по частоте и возможность обнаружения и пеленгации нескольких источников излучения. Недостатками такого пеленгатора являются низкая точность измерения пеленга в динамическом диапазоне входных сигналов, невысокая разрешающая способность по частоте и увеличение ошибки пеленгации при близком расположении по частоте другого источника излучения, то есть низкая помехоустойчивость фазового пеленгатора.
Целью изобретения является повышение точности пеленгации, повышение разрешающей способности по частоте и повышение помехоустойчивости пеленгатора в частотном и динамическом диапазонах входных сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в фазометрическое устройство, содержащее четыре смесителя, усилитель высокой частоты (УВЧ), полосно-пропускающий фильтр высокой частоты (ППФВЧ), перестраиваемый гетеродин, квадратурный делитель мощности, четыре предварительных усилителя промежуточной частоты (ПУПЧ), шесть полосно-пропускающих фильтров промежуточной частоты (ППФПЧ), два усилителя промежуточной частоты с логарифмическим видеовыходом (УПЧЛ), аналоговый сумматор, два квадратурных фазовых детектора (ФД), формирователь сигнала частотной селекции (ФСЧС), причем выход первого смесителя через первый ПУПЧ соединен с входом первого ППФПЧ, выход второго смесителя через второй ПУПЧ соединен с входом второго ППФПЧ, выход УВЧ соединен с входом ППФВЧ, выход ППФВЧ соединен с первыми входами третьего и четвертого смесителей, выход перестраиваемого гетеродина соединен со вторыми входами первого и второго смесителей и входом квадратурного делителя мощности, первый выход квадратурного делителя мощности соединен со вторым входом третьего смесителя, второй выход квадратурного делителя мощности соединен со вторым входом четвертого смесителя, выход третьего смесителя через третий ПУПЧ и третий ППФПЧ соединен с входом первого УПЧЛ, выход четвертого смесителя через четвертый ПУПЧ и четвертый ППФПЧ соединен с входом второго УПЧЛ, первый выход первого УПЧЛ через пятый ППФПЧ соединен с первым входом первого квадратурного ФД, первый выход второго УПЧЛ через шестой ППФПЧ соединен со вторым входом первого квадратурного ФД, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами ФСЧС, вторые выходы первого и второго УПЧЛ соединены с первым и вторым входами первого аналогового сумматора, введены три антенны, блок управления гетеродином, третий и четвертый УПЧЛ, два полосовых фильтра промежуточной частоты (ПФПЧ) с гладкой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), два амплитудных детектора (АД), второй и третий аналоговые сумматоры, два пороговых устройства (ПУ), два фильтра нижних частот (ФНЧ), компаратор, пятивходовая схема совпадения, таймер, селектор по периоду повторения, решающее устройство и блок формирования отсчетов мощности, при этом выходы первой и второй антенн соединены соответственно с первыми входами первого и второго смесителей, выход третьей антенны соединен с входом УВЧ, первый выход блока управления гетеродином соединен с входом перестраиваемого гетеродина, выход первого ППФПЧ соединен с входом третьего УПЧЛ, выход второго ППФПЧ соединен с входом четвертого УПЧЛ, первый выход третьего УПЧЛ соединен с первым входом второго квадратурного ФД и через первый ПФПЧ с входом первого АД, выход которого соединен с первым входом второго аналогового сумматора, первый выход четвертого УПЧЛ соединен со вторым входом второго квадратурного ФД и через второй ПФПЧ с входом второго АД, выход которого соединен с вторым входом второго аналогового сумматора, первый и второй выходы второго ФД соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя разности фаз, выход первого аналогового сумматора соединен с входом первого ПУ, выход второго аналогового сумматора соединен с входами второго ПУ, первого и второго ФНЧ, выход первого ФНЧ соединен с первым входом компаратора, выход второго ФНЧ соединен с вторым входом компаратора, второй выход блока управления гетеродином соединен с первым входом селектора по периоду повторения, входом таймера и с одним из входов схемы совпадения, выходы первого и второго ПУ, выход компаратора и первый выход ФСЧС соединены соответственно с остальными входами схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом селектора по периоду повторения и с первым входом блока формирования отсчетов мощности, вторые выходы третьего и четвертого УПЧЛ соединены соответственно с первым и вторым входами третьего аналогового сумматора, выход которого соединен со вторым входом блока формирования отсчетов мощности, выход таймера соединен с первым входом решающего устройства и с третьим входом селектора по периоду повторения, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства, выход блока формирования отсчетов мощности соединен с третьим входом решающего устройства, выход которого соединен с третьим входом вычислителя разности фаз, второй выход ФСЧС соединен с четвертым входом вычислителя разности фаз, выход которого является выходом пеленгатора.
На фиг.1 приведена структурная схема пеленгатора, на фиг.2-6 диаграммы, поясняющие его работу.
Фазовый пеленгатор содержит три антенны 1, 2, 3, две из которых разнесены на величину базы d, четыре смесителя 4, 5, 14, 16, перестраиваемый гетеродин 6, блок управления гетеродином 7, УВЧ 8, ППФВЧ 11, квадратурный делитель мощности 15, четыре ПУПЧ 9, 10, 19, 20, шесть ППФПЧ 12, 13, 21, 22, 34, 36, четыре УПЧЛ 17, 18, 27, 28, два квадратурных ФД 23, 40, два ПФПЧ с гладкой АЧХ 24, 25, два АД 30, 31, три аналоговых сумматора 26, 32, 33, два ФНЧ 38, 39, два ПУ 35, 37, компаратор 42, ФСЧС 43, схему совпадения 41, таймер 44, селектор по периоду повторения 45, решающее устройство 46, блок формирования отсчетов мощности 47 и вычислитель разности фаз 29.
Выход каждой антенны 1, 2 соединен с соответственно с первыми входами первого 4 и второго 5 смесителей, выход антенны 3 через УВЧ 8 и ППФВЧ 11 соединен с первыми входами третьего 14 и четвертого 16 смесителей, выход перестраиваемого гетеродина 6 соединен со вторыми входами первого 4 и второго 5 смесителей и с входом квадратурного делителя мощности 15, первый выход которого соединен со вторым входом третьего смесителя 14, второй выход квадратурного делителя мощности 15 соединен со вторым входом четвертого смесителя 16, первый выход блока управления гетеродином 7 соединен с входом перестраиваемого гетеродина 6, выход первого смесителя 4 через первый ПУПЧ 9 и первый ППФПЧ 12 соединен с входом третьего УПЧЛ 17, выход второго смесителя 5 через второй ПУПЧ 10 и второй ППФПЧ 13 соединен с входом четвертого УПЧЛ 18, выход третьего смесителя 14 через третий ПУПЧ 19 и третий ППФПЧ 21 соединен с входом первого УПЧЛ 27, выход четвертого смесителя 16 через четвертый ПУПЧ 20 и четвертый ППФПЧ 22 соединен с входом второго УПЧЛ 28, первый выход третьего УПЧЛ 17 соединен с первым входом второго квадратурного ФД 23 и входом первого ПФПЧ 24, выход которого через первый АД 30 соединен с первым входом второго аналогового сумматора 33, первый выход четвертого УПЧЛ 18 соединен со вторым входом второго квадратурного ФД 23 и входом второго ПФПЧ 25, выход которого через второй АД 31 соединен со вторым входом второго аналогового сумматора 33, первый выход первого УПЧЛ 27 через пятый ППФПЧ 34 соединен с первым входом первого квадратурного ФД 40, первый выход второго УПЧЛ 28 через шестой ППФПЧ 36 соединен со вторым входом первого квадратурного ФД 40, первый и второй выход которого соединен соответственно с первым и вторым входом ФСЧС 43, первый и второй выход второго квадратурного ФД 23 соединен соответственно с первым и вторым входом вычислителя разности фаз 29, второй выход третьего УПЧЛ 17 соединен с первым входом третьего аналогового сумматора 26, второй выход четвертого УПЧЛ 18 соединен со вторым входом третьего аналогового сумматора 26, выход которого соединен со вторым входом блока формирования отсчетов мощности 47, второй выход первого УПЧЛ 27 соединен с первым входом первого аналогового сумматора 32, второй выход второго УПЧЛ 28 соединен со вторым входом первого аналогового сумматора 32, выход которого соединен с входом первого ПУ 35, выход второго аналогового сумматора 33 соединен с входом второго ПУ 37, через первый ФНЧ 38 с первым входом компаратора 42 и через второй ФНЧ 39 со вторым входом компаратора 42, второй выход блока управления гетеродином 7 соединен с первым входом селектора по периоду повторения 45, входом таймера 44 и с одним из входов схемы совпадения 41, выход первого 35 и второго 37 ПУ, выход компаратора 42 и первый выход ФСЧС 43 соединены соответственно с остальными входами схемы совпадения 41, выход которой соединен со вторым входом селектора по периоду повторения 45 и с первым входом блока формирования отсчетов мощности 47, выход таймера 44 соединен с первым входом решающего устройства 46 и с третьим входом селектора по периоду повторения 45, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства 46, выход блока формирования отсчетов мощности 47 соединен с третьим входом решающего устройства 46, выход которого соединен с третьим входом вычислителя разности фаз 29, второй выход ФСЧС 43 соединен с четвертым входом вычислителя разности фаз 29, выход которого является выходом пеленгатора.
В основе работы пеленгатора заложен фазовый метод пеленгации, когда плоско падающая радиоволна образует на выходах антенн когерентные сигналы, разность фаз Δφ между которыми зависит от направления α на пеленгуемый источник излучения
,
где d - расстояние между антеннами (база);
λ - длина волны.
В качестве приемного устройства в составе фазового пеленгатора (ФП) используется супергетеродинный приемник (СП) с одним преобразованием по частоте и перестраиваемым гетеродином. Для измерения разности фаз используется фазоизмерительный канал. Так как в СП при приеме на основной или зеркальной частоте пеленгационная характеристика ФП изменяет свой знак, то в его составе используется канал частотной селекции (КЧС), выполняющий также функции обнаружения сигнала и определяющий помехоустойчивость ФП.
Фазовый пеленгатор работает следующим образом. Электромагнитная волна преобразуется входными антеннами 1, 2 в гармонические колебания одинаковой несущей частоты с разностью фаз Δφ, определяемой выражением (1). На выходе антенны 3 образуется сигнал той же частоты и с любой фазой. В измерительном канале (устройства 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, 17, 18, 23, 29 на фиг.1) с выходов антенн 1, 2 сигналы поступают на сигнальные входы смесителей 4, 5, на гетеродинные входы которых поступает сигнал гетеродина 6. На выходе смесителей 4, 5 образуются сигналы промежуточной частоты (ПЧ), которые усиливаются ПУПЧ 9, 10, фильтруются ППФПЧ 12, 13 и усиливаются УПЧЛ 17, 18 в каждом тракте ПЧ измерительного канала. Каждый УПЧЛ имеет два выхода: один (радиовыход) на ПЧ с ограничением сигнала по амплитуде, второй (видеовыход) с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ) в динамическом диапазоне входных сигналов. Все элементы фазового канала имеют попарно амплитудную и фазовую идентичность, поэтому фазовые соотношения между сигналами сохраняются в частотном и динамическом диапазонах входных сигналов. Радиосигналы с первых выходов УПЧЛ 17 и УПЧЛ 18 поступают на входы квадратурного ФД 23, с выходов которого сигналы, пропорциональные KSinΔφ и KCosΔφ (где K - коэффициент передачи ФД), поступают соответственно на первый и второй входы вычислителя разности фаз 29.
Сигнал с выхода третьей антенны 3 усиливается УВЧ 8, фильтруется на несущей частоте ППФВЧ 11 и поступает на сигнальные входы третьего 14 и четвертого 16 смесителей. В канале частотной селекции (устройства 3, 8, 11, 14, 15, 16, 19, 20, 21, 22, 27, 28, 32, 34, 35, 36, 40, 43) реализуется фазовый метод определения основной или зеркальной частоты приема. Определение приема на основной или зеркальной частотах необходимо потому, что разность фаз сигналов на основной и зеркальной частотах изменяется на 180º. Следовательно, изменяет свой знак пеленгационная характеристика, определяемая выражением (1).
Сигнал с выхода гетеродина 6 поступает также на вход квадратурного делителя мощности 15, с выходов которого сигналы, сдвинутые между собой по фазе на 90°, поступают на гетеродинные входы третьего 14 и четвертого 16 смесителей. В результате сигналы ПЧ на выходах смесителей сдвинуты на 90° на основной частоте и на минус 90° на зеркальной. Далее сдвинутые по фазе сигналы усиливаются ПУПЧ 19, 20, фильтруются ППФПЧ 21, 22, усиливаются с ограничением амплитуды сигнала по радиовыходу и с ЛАХ по видеовыходу УПЧЛ 27, 28 с сохранением фазовых соотношений между сигналами в КЧС. Радиосигналы с выхода каждого УПЧЛ 27, 28 поступают соответственно на вход пятого 34 и шестого 36 ППФПЧ и с выхода каждого на входы квадратурного ФД 40. Образующийся на его выходе сигнал соответствует положительной величине при приеме на основной частоте и отрицательной при приеме на зеркальной частоте (см. фиг.2). Сравнение их в составе ФСЧС 43 с положительным и отрицательным порогами позволяет четко различать прием сигналов на основной или зеркальной частоте, если ПЧ его соответствует полосе пропускания ППФПЧ. Для обнаружения сигнала в составе ФСЧС 43 используется схема «ИЛИ» по сигналам, обнаруженным по отрицательному и положительному порогам (см. фиг.2). Для формирования признака приема на основной или зеркальной частоте на втором выходе ФСЧС 43 используется логический выход, одного из пороговых устройств (по положительному или отрицательному порогу) в составе ФСЧС 43.
Необходимо отметить, что для формирования признака приема на основной или зеркальной частоте достаточно применять в качестве ФД синусный фазовый детектор. Практически же в трактах ПЧ существует фазовая неидентичность. Поэтому в КЧС, также как и в фазовом канале, применен квадратурный ФД, что позволяет в составе ФСЧС ввести при настройке пеленгатора фазовую коррекцию ПЧ ошибок методом весового суммирования квадратур. Это осуществляется, при необходимости, в составе ФСЧС перед сравнением видеосигналов с порогом (см. фиг.2).
Вычисление разности фаз осуществляется в цифровом виде следующим образом.
Аналоговые сигналы, пропорциональные SinΔφ и CosΔφ, с выходов квадратурного ФД 23 поступают на входы АЦП в составе вычислителя 29 и преобразуются в двоичные параллельные цифровые коды. На тактовые входы АЦП поступает сигнал обнаружения с выхода решающего устройства 46. Для формирования однозначного цифрового кода в диапазоне разностей фаз ±180° осуществляется следующая процедура. Цифровой код, пропорциональный KSinΔφ, сравнивается с нулем и формируется так называемый знаковый разряд ПХ. Если KSinΔφ≥0, то ПХ имеет знак «+». Если KSinΔφ<0, то ПХ имеет знак «-». Далее сравнивается с нулем цифровой код, пропорциональный KCosΔφ, и формируется следующий разряд ПХ. Затем сравниваются между собой модули  и  и формируется следующий разряд так называемой октантной логики. Младшие разряды формируются как результат вычисления функции
и присоединяются к старшим разрядам октантной логики.
Описанная выше процедура может быть реализована постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), на адресные входы которого приходят цифровые коды с выходов АЦП. Для инвертирования знака ПХ на основной или зеркальной частоте достаточно на один из адресных входов ПЗУ подать логический сигнал со второго выхода ФСЧС 43, на котором формируется признак основной или зеркальной частоты.
Со вторых выходов УПЧЛ 17 и 18 аналоговые сигналы поступают на входы аналогового сумматора 26, с его выхода на второй вход блока формирования отсчетов мощности 47. С первых выходов УПЧ-Л 17, 18 радиосигналы после ограничения поступают соответственно на входы ПФПЧ 24, 25 с гладкой АЧХ, где осуществляется их фильтрация. АЧХ этих фильтров имеют ярко выраженный максимум на частоте, соответствующей середине полосы пропускания ППФПЧ 12, 13, 21, 22, 34, 36, а полоса пропускания меньше или равна полосе пропускания этих фильтров. После фильтрации в ПФПЧ 24, 25 сигналы детектируются амплитудными детекторами 30, 31, а затем видеосигналы суммируются в аналоговом сумматоре 33. Суммарный сигнал поступает на вход порогового устройства 37 и на входы двух ФНЧ 38, 39 с несколько отличающимися полосами пропускания. Прошедшие ФНЧ 38, 39 видеосигналы поступают на входы компаратора 42. Логические сигналы с выходов ПУ 35, 37, компаратора 42, с первого выхода ФСЧС 43 и второго выхода блока управления гетеродином 7 поступают на входы схемы совпадения 41. С выхода схемы совпадения 41 логический сигнал поступает на вход селектора по периоду повторения 45 и вход блока формирования отсчетов мощности 47. Таймер 44 запускается всякий раз на время прямого хода гетеродина, для чего со второго выхода блока управления гетеродином 7 логический сигнал поступает на вход таймера 44. С выхода таймера 44 текущий код времени поступает на вход селектора по периоду повторения 45 и на вход решающего устройства 46. На другой вход решающего устройства 46 поступает логический сигнал с выхода селектора по периоду повторения 45. С выхода решающего устройства 46 логический сигнал поступает на третий вход вычислителя разности фаз 29 для стробирования отсчетов, соответствующих направлению на пеленгуемый источник излучения.
Обнаружение и пеленгация источников непрерывного излучения осуществляется следующим образом.
Блок управления гетеродином 7 задает режим непрерывного периодического свипирования частоты гетеродина 6 и синхронизирует таймер 44. Таким образом, приводится в соответствие несущая частота и время обнаружения сигнала, а параметрическая селекция по времени прихода превращается в селекцию по частоте. В случае если промежуточная частота сигнала соответствует полосе пропускания ППФПЧ и ПФПЧ, происходит срабатывание обоих ПУ 35 и 37, формируется признак обнаружения и признак определения основной и зеркальной частоты в КЧС (см. фиг.2). ФНЧ 38 и 39 имеют разные полосы пропускания и, следовательно, различную постоянную времени и задержку импульсных сигналов, образующихся в результате свипирования гетеродина и изменения величины ПЧ после преобразования в смесителях. Поэтому компаратор 42 будет срабатывать во время, соответствующее максимуму АЧХ ППФПЧ, что соответствует середине полосы пропускания ППФПЧ в ФК и КЧС и, следовательно, соответствует минимальным значениям фазовых ошибок в ФК пеленгатора. Таким образом, обеспечивается высокая точность пеленгации в частотном и динамическом диапазонах сигнала (см. фиг.4).
В случае если принимается несколько непрерывных сигналов, близко расположенных по частоте, пороговые устройства 35 и 37 не будут срабатывать раздельно по каждому сигналу и сигналы, следующие за первым по частоте, не будут обнаруживаться. Различение сигналов будет осуществляться только компаратором 42, который при максимальном значении сигнала от каждого источника излучения сформирует перепад логического напряжения на выходе, обеспечивая повышенную разрешающую способность пеленгатора по частоте. Причем эти перепады будут соответствовать, также как в случае единичного сигнала, середине полосы пропускания фильтров ПЧ и, следовательно, такое построение обеспечивает минимальные фазовые ошибки в случае приема нескольких, близких по частоте сигналов (см. фиг.3).
Увеличение ошибок может происходить, если сигналы от различных источников излучения близко расположены по несущее частоте и один из сигналов существенно больше по мощности другого (см. фиг.5). Это объясняется тем, что избирательность фильтров ПЧ ограничена и более мощный сигнал будет искажать по фазе более слабый. В этом случае целесообразно исключать такие отсчеты из обработки, что и осуществляется в решающем устройстве 46.
На первый вход решающего устройства 46 с выхода таймера 44 приходит код времени, отсчитываемый периодически относительно сигнала с второго выхода блока управления гетеродином 7, который соответствует началу свипирования прямого хода гетеродина 6 (см. фиг.3). На второй вход решающего устройства 46 с выхода селектора по периоду повторений 45 приходит логический сигнал, прошедший селекцию по времени. На третий вход решающего устройства 46 с выхода блока формирования отсчетов мощности 47 приходит цифровой код, соответствующий мощности входного сигнала. В решающем устройстве осуществляется цифровая обработка сигналов, по разнице времени прихода (частоте) двух непрерывных сигналов и разнице логарифмов мощности этих же сигналов, т.е. по отношению мощностей. В перепрограммируемом запоминающем устройстве (ППЗУ) формируется таблица соответствия отношения мощностей и разницы времени прихода (частоты) двух соседних сигналов, имеющая на выходе 1 бит состояния, разрешающий или запрещающий формирование отсчетов пеленга в зависимости от времени прихода (частоты) для сигналов, существенно меньших по мощности относительно предыдущего сигнала.
Экспериментально получено, например, что для ПАВ-фильтров в качестве ППФПЧ и ПФПЧ при полосе пропускания их равной 1,2 МГц и разнице между источниками излучения по несущей частоте 2 МГц можно допустить превышение по мощности одного сигнала над другим не более 15 дБ, чтобы дополнительная ошибка пеленгации более слабого источника излучения не превысила 0,5 градуса. При отстройке более чем на 4 МГц превышение по мощности допустимо в 40 дБ. Таблица для заполнения ППЗУ формируется при настройке фазового пеленгатора и дополняется программно по всем состояниям методом интерполяции.
В случае если сигналы от источников излучения существенно отличаются по частоте и обнаруживаются раздельно (см. фиг.6), все вышеизложенное остается в силе и решающее устройство формирует разрешение на формирование отсчетов пеленгов.
Селектор по периоду 45 измеряет время прихода от начала прямого хода гетеродина 6, затем оно запоминается для каждого источника излучения и формируется временное окно в пределах ожидаемой разрешающей способности приемника по частоте. Селектор по периоду 45 может иметь в своем составе автомат захвата, тактируемый из блока управления гетеродином 7 синхронно с таймером 44.
Таким образом, если выбрать задержки ФНЧ 31, 39, соответствующие полосам пропускания ПФПЧ 24, 25 и скорости свипирования гетеродина 6, то можно обеспечить обнаружение нескольких непрерывных узкополосных сигналов с повышенной разрешающей способностью по частоте в большом динамическом диапазоне входных сигналов. При этом, используя сформированную при настройке пеленгатора таблицу в решающем устройстве 46, можно обеспечить при повышенной разрешающей способности по частоте небольшие ошибки пеленгации источников излучения, то есть повысить помехоустойчивость пеленгатора. Это подтверждено экспериментально и является достижимым техническим результатом: повышение точности пеленгации, разрешающей способности по частоте и повышение помехоустойчивости в частотном и динамическом диапазонах сигналов.