УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА СИГНАЛА
DEVICE FOR DETERMINATION OF DIRECTION AND DISTANCE TO SIGNAL SOURCE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам.
Известно устройство для определения направления [1], содержащее электронно-лучевую трубку, последовательно соединенные первые магнитную антенну, полосовой фильтр, усилитель, синхронный детектор и формирователь сигналов, последовательно соединенные вторые магнитную антенну, полосовой фильтр, усилитель, синхронный детектор и формирователь сигналов, последовательно соединенные электрическую антенну, третий полосовой фильтр, третий усилитель, фазовращатель и ограничитель, причем выход последнего подключен ко вторым входам первого и второго синхронных детекторов, а выходы формирователей сигналов подключены к электроннолучевой трубке.
Это устройство не обеспечивает возможности оценки дальности до источников сигналов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для определения направления и дальности до источника сигнала [2] (комбинированная система грозоопределения, состоящая из инфразвукового комплекса и электрической антенны), содержащее три микробарометра, инфразвуковой микрофон и электростатический флюксметр, подключенные через аналого-цифровые преобразователи (АЦП), к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору). В прототипе местоположение источника сигнала определяется по результатам дальнейшей обработки оператором записанных сигналов. Для определения азимута используются разности времени прихода инфразвуковых сигналов на не менее, чем на три микробарометра, разнесенные друг от друга более, чем на 90 метров (трехпозиционная система регистрации), а для определения дальности используется разность времени прихода на электростатический флюксметр и инфразвуковой микрофон (или микробарометры). Недостатками прототипа являются невозможность использования его на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, невозможность использования на ближних расстояниях в реальном масштабе времени, низкая помехоустойчивость устройства из-за использования электрической компоненты сигнала, а также при наличии мешающих сигналов.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения направления и дальности до источника сигнала, содержащее первую антенну и микробарометр, а также первый, второй, третий, четвертый и пятый аналого-цифровые преобразователи, подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору), дополнительно содержит блок системы единого времени (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные первый усилитель, первый фильтр, второй усилитель, первый пороговый блок и схему ИЛИ, последовательно соединенные вторую антенну, третий усилитель, второй фильтр, четвертый усилитель и второй пороговый блок, последовательно соединенные третью антенну, пятый усилитель, третий фильтр, шестой усилитель и третий пороговый блок, последовательно соединенные седьмой усилитель, четвертый фильтр, восьмой усилитель, пятый фильтр, четвертый пороговый блок и первую схему И, последовательно соединенные первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и первый калибратор, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные третий ЦАП и третий калибратор, последовательно соединенные четвертый ЦАП и четвертый калибратор, последовательно соединенные пятый ЦАП и первый формирователь, последовательно соединенные шестой ЦАП и второй формирователь, последовательно соединенные первый таймер, вторую схему И и счетчик, а также тактовый генератор, подключенный ко второму входу второй схемы И, второй таймер, подключенный выходом ко второму входу первой схемы И, последовательно соединенные аналоговый сумматор, первый узкополосный усилитель и шестой АЦП, а также второй узкополосный усилитель, подключенный входом к аналоговому сумматору, а выходом подключенный к пятому АЦП, причем первая, вторая и третья антенны выполнены магнитными и размещены взаимно перпендикулярно друг к другу, первый, второй, третий и четвертый пороговые блоки выполнены с управлением по порогу, первый, второй, третий, четвертый и пятый фильтры выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой усилители выполнены с управлением по фазе и чувствительности, первый и второй узкополосные усилители выполнены с управлением по чувствительности, средней частоте и ширине полосы пропускания, первый и второй таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, аналоговый сумматор тремя входами подключен, соответственно, к первому, второму и третьему фильтрам, первая схема И подключена третьим входом к первому таймеру, а выходом подключена ко входу останова счетчика, схема ИЛИ подключена вторым и третьим входами, соответственно, ко второму и третьему пороговым блокам, а выходом подключена к первому таймеру, первая антенна подключена к первому усилителю, микробарометр подключен выходом к седьмому усилителю, а входом акустически связан с четвертым калибратором, первый формирователь подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, второй формирователь подключен к управляющим входам четвертого и пятого фильтров, входы первого, второго, третьего и четвертого АЦП подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому фильтрам, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам, а входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ЦАП, выход шестого АЦП, управляющие входы первого и второго узкополосных усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков, выход счетчика, управляющий вход и выход первого таймера, а также управляющий вход и выход второго таймера подключены к ПЭВМ.
Такое выполнение устройства для определения направления и дальности до источника сигнала обеспечивает возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Принятые обозначения:
1 - первая антенна, 2 - микробарометр, 3 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 4 - второй АЦП, 5 - третий АЦП, 6 - четвертый АЦП, 7 - пятый АЦП, 8 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ или микропроцессор), 9 - блок системы единого времени (GPS или Глонасс), 10 - блок связи с абонентами, 11 - первый усилитель, 12 - первый фильтр, 13 - второй усилитель, 14 - первый пороговый блок, 15 - схема ИЛИ, 16 - вторая антенна, 17 - третий усилитель, 18 - второй фильтр, 19 - четвертый усилитель, 20 - второй пороговый блок, 21 - третья антенна, 22 - пятый усилитель, 23 - третий фильтр, 24 - шестой усилитель, 25 - третий пороговый блок, 26 - седьмой усилитель, 27 - четвертый фильтр, 28 - восьмой усилитель, 29 - пятый фильтр, 30 - четвертый пороговый блок, 31 - первая схема И, 32 - первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), 33 - первый калибратор, 34 - второй ЦАП, 35 - второй калибратор, 36 - третий ЦАП, 37 - третий калибратор, 38 - четвертый ЦАП, 39 - четвертый калибратор, 40 - пятый ЦАП, 41 - первый формирователь, 42 - шестой ЦАП, 43 - второй формирователь, 44 - первый таймер, 45 - вторая схема И, 46 - счетчик, 47 - тактовый генератор, 48 - второй таймер, 49 - аналоговый сумматор, 50 - первый узкополосный усилитель, 51 - шестой АЦП, 52 - второй узкополосный усилитель.
Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала содержит первую антенну 1 и микробарометр 2, а также первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, второй АЦП 4, третий АЦП 5, четвертый АЦП 6 и пятый АЦП 7, подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору) 8, блок системы единого времени (GPS или Глонасс) 9 и блок связи с абонентами 10, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные первый усилитель 11, первый фильтр 12, второй усилитель 13, первый пороговый блок 14 и схему ИЛИ 15, последовательно соединенные вторую антенну 16, третий усилитель 17, второй фильтр 18, четвертый усилитель 19 и второй пороговый блок 20, последовательно соединенные третью антенну 21, пятый усилитель 22, третий фильтр 23, шестой усилитель 24 и третий пороговый блок 25, последовательно соединенные седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27, восьмой усилитель 28, пятый фильтр 29, четвертый пороговый блок 30 и первую схему И 31, последовательно соединенные первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 32 и первый калибратор 33, последовательно соединенные второй ЦАП 34 и второй калибратор 35, последовательно соединенные третий ЦАП 36 и третий калибратор 37, последовательно соединенные четвертый ЦАП 38 и четвертый калибратор 39, последовательно соединенные пятый ЦАП 40 и первый формирователь 41, последовательно соединенные шестой ЦАП 42 и второй формирователь 43, последовательно соединенные первый таймер 44, вторую схему И 45 и счетчик 46, а также тактовый генератор 47, подключенный ко второму входу второй схемы И, второй таймер 48, подключенный выходом ко второму входу первой схемы И, последовательно соединенные аналоговый сумматор 49, первый узкополосный усилитель 50 и шестой АЦП 51, а также второй узкополосный усилитель 52, подключенный входом к аналоговому сумматору 49, а выходом подключенный к пятому АЦП 7, причем первая, вторая и третья антенны 1, 16, 21 выполнены магнитными и размещены взаимно перпендикулярно друг к другу, первый, второй, третий и четвертый пороговые блоки 14, 20, 25, 30 выполнены с управлением по порогу, первый, второй, третий, четвертый и пятый фильтры 12, 18, 23, 27, 29 выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой усилители 11, 13, 17, 19, 22, 24, 26, 28 выполнены с управлением по фазе и чувствительности, первый и второй узкополосные усилители 50, 52 выполнены с управлением по чувствительности, средней частоте и ширине полосы пропускания, первый и второй таймеры 44, 48 выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, аналоговый сумматор 49 тремя входами подключен, соответственно, к первому, второму и третьему фильтрам 12, 18, 23, первая схема И 31 подключена третьим входом к первому таймеру 44, а выходом подключена ко входу останова счетчика, схема ИЛИ 15 подключена вторым и третьим входами соответственно ко второму и третьему пороговым блокам 20, 25, а выходом подключена к первому таймеру 44, первая антенна 1 подключена к первому усилителю 11, микробарометр 2 подключен выходом к седьмому усилителю 26, а входом акустически связан с четвертым калибратором 39, первый формирователь 41 подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, второй формирователь 43 подключен к управляющим входам четвертого и пятого фильтров, входы первого, второго, третьего и четвертого АЦП подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому фильтрам 12, 18, 23, 27, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам 1, 16, 21, а входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ЦАП, выход шестого АЦП, управляющие входы первого и второго узкополосных усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков, выход счетчика, управляющий вход и выход первого таймера, а также управляющий вход и выход второго таймера подключены к ПЭВМ 8.
Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала работает следующим образом. Токи, наведенные в первой магнитной антенне 1, второй магнитной антенне 16 и третьей магнитной антенне 21 от источника сигнала, через первые, вторые и третьи усилители 11, 17, 22, фильтры 12, 18, 23 и АЦП 3, 4, 5 поступают в ПЭВМ 8, где начинается цикл обработки информации при превышении сигналом от любой из трех антенн заданного ему порогового значения. Принятые сигналы ортогональных антенн используются для оценки направления на источник сигнала известными способами [3]. Одновременно с выхода первого фильтра 12 сигналы поступают через второй усилитель 13 на первый пороговый блок 14, с выхода второго фильтра 18 сигналы поступают через четвертый усилитель 19 на второй пороговый блок 20, а с выхода третьего фильтра 23 сигналы поступают через шестой усилитель 24 на третий пороговый блок 25. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 8, на выходах первого, второго и третьего пороговых блоков 14, 20, 25 формируются логические единицы, поступающие на схему ИЛИ 15, выходной сигнал которой запускает первый таймер 44. Выходной сигнал первого таймера разрешает прохождение импульсов от тактового генератора 47 через вторую схему И 45 на счетчик 46 и подготавливает первую схему И 31. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения электромагнитного излучения (ЭМИ) зарегистрированного явления, например, грозового разряда. Сопутствующая этому явлению инфразвуковая волна приходит на пункт наблюдения позднее, принимается микробарометром 2, выходной сигнал которого через седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27 и четвертый АЦП 6 поступает в ПЭВМ 8, где запоминается, а также через восьмой усилитель 28 и пятый фильтр 29 поступает на четвертый пороговый блок 30. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 8, на выходе четвертого порогового блока 30 формируется логическая единица, поступающая на первую схему И 31, выходной сигнал которой останавливает счетчик 46, если по команде из ПЭВМ 8 к этому моменту будет включен второй таймер 48, формирующий логическую единицу на втором входе первой схемы И 31. Полученное значение интервала времени с выхода счетчика 46 поступает в ПЭВМ 8, где по заранее измеренному при калибровке микробарометра реальному значению скорости инфразвука определяется дальность до источника сигнала, совместно с направлением определяющая местоположение источника сигнала. Для предотвращения ложных остановов счетчика 46 от более поздних ближних сигналов, которые могут появиться за время распространения инфразвука, в ПЭВМ 8 вычисляются приближенное значение дальности [4] и ожидаемые моменты прихода инфразвука с запасом на ошибки оценки, а по показаниям счетчика 46 в нужный момент ПЭВМ 8 открывает временное окно с помощью второго таймера 48 для прохождения сигнала останова счетчика 46. С целью уменьшения времени вычислений, приводящего к образованию неконтролируемой ближней зоны при работе в реальном масштабе времени введены аналоговый сумматор 49 сигналов антенн, первый и второй узкополосные усилители 50, 52, выделяющие в суммарном спектре сигнала верхнюю и нижнюю частоты, заданные из ПЭВМ 8, и передающие сигналы через пятый и шестой АЦП 7, 51 в ПЭВМ 8 для оценки приближенной дальности. Это позволило избежать потерь времени на вычисление реального спектра сигнала для предотвращения ошибок из-за несовпадения с ожидаемым запомненным спектром.
1. При отсутствии помех может быть реализован широкополосный режим, при котором сигналы с выходов первого, третьего и пятого усилителей 11, 17, 22 соответственно через первый, второй и третий фильтры 12, 18, 23 и через первый, второй и третий АЦП 3, 4, 5 поступают в ПЭВМ 8 для реализации, например, простейшего алгоритма оценки направления на источник сигнала:
При появлении полезного сигнала производится оценка направления а на источник сигнала, например, по формуле [3],
1
2
где A, A - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 8 из второго и первого АЦП 4, 3 соответственно.
Приближенная оценка дальности проводится по формуле, учитывающей изменение спектра сигнала в зависимости от пройденного расстояния [4]:
,
где R - расстояние до источника сигнала, C - скорость света,
1
2
ω, ω - соответственно верхняя и нижняя частоты сигнала, на которые настроены первый и второй узкополосные усилители 50, 52,
1
2
H, H - соответственно амплитуды сигналов нижней и верхней частоты, поступающие с выходов первого и второго узкополосных усилителей 50, 52.
1
2
Частоты ω, ω выбираются по известным результатам анализа спектров сигналов.
t
Более точное значение дальности R определяется после прихода инфразвуковой волны по разности моментов τ прихода сигнала ЭМИ и инфразвука и по заранее измеренному при калибровке микробарометра, реальному на текущий момент, значению скорости инфразвука V:
t
R=V·τ
2. При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 8 по результатам предварительного частотного анализа формируются управляющие сигналы для диапазонов ЭМИ и инфразвука отдельно, которые подаются на пятый и шестой ЦАП 40, 42 и через первый и второй формирователи 41, 43 поступают на управляющие входы первого, второго и третьего фильтров 12, 18, 23 диапазона ЭМИ, а также на управляющие входы четвертого и пятого фильтров 27, 29 диапазона инфразвука и вырезают из полосы пропускания участки частот помехи. Структура первого и второго формирователей 41, 43 зависит от типа управления фильтров, в простейшем случае это могут быть сглаживающие звенья с усилителями мощности, если фильтры управляются напряжением. В зависимости от фона и уровня помех по сигналам из ПЭВМ 8 предварительно устанавливаются также уровни срабатывания отдельно для первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков 14, 20, 25 и 30.
Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 8, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей 11, 13, 17, 19, 22, 24, 26, 28.
Указанные режимы работы устройства могут быть реализованы одновременно в разных комбинациях с использованием отдельного управления для каждого усилителя и фильтра.
Для контроля усилительно-преобразовательных трактов предусмотрена подача калибровочных сигналов на первую, вторую и третью магнитные антенны 1, 16, 21 от соответственно первого, второго и третьего калибраторов 33, 35, 37, управляемых ПЭВМ 8 с помощью первого, второго и третьего ЦАП 32, 34, 36.
Калибровка микробарометра 2 осуществляется с помощью четвертого калибратора 39. Четвертый калибратор 39 является управляемым от ПЭВМ 8 источником импульсного и синусоидального инфразвука, в простейшем случае это может быть усилитель мощности с динамическим громкоговорителем. Четвертый калибратор 39 установлен на расстоянии одного или нескольких метров от микробарометра 2 и акустически связан с последним через окружающую среду. В процессе калибровки определяются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) микробарометра 2 с седьмым усилителем 26 и четвертым фильтром 27, а также реальная скорость инфразвука на текущий момент. Для этого в памяти ПЭВМ 8 хранятся цифровые образы эталонных синусоидальных сигналов и импульсного сигнала, которые из ПЭВМ 8 передаются в четвертый калибратор 39 через четвертый ЦАП 38. Для снятия АЧХ на микробарометр 2 подаются эталонные синусоидальные акустические сигналы с частотами рабочего диапазона микробарометра 2, которые преобразуются, усиливаются, фильтруются и через четвертый АЦП 6 поступают в ПЭВМ 8, где вычисляется АЧХ. Для определения реальной скорости инфразвука на текущий момент ПЭВМ 8 подает эталонный импульсный сигнал на четвертый калибратор 39, одновременно запускает второй таймер 48 и запускает через первый таймер 44 счетчик 46, который начинает отсчет времени прохождения инфразвуком известного расстояния между четвертым калибратором 39 и микробарометром 2, выходной сигнал которого через седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27, а также через восьмой усилитель 28 и пятый фильтр 29 поступает на четвертый пороговый блок 30 и первую схему И 31 и останавливает счетчик 46. Полученное значение интервала времени с выхода счетчика 46 поступает в ПЭВМ 8, где по известному расстоянию между четвертым калибратором 39 и микробарометром 2 определяется реальная скорость инфразвука на текущий момент для расчета значения дальности до источника сигнала.
Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 9 системы единого времени (GPS или Глонасс), и передается по назначению с помощью блока 10 связи с абонентами.
Таким образом, предлагаемое устройство для определения направления и дальности до источника сигналов в сравнении с прототипом обеспечивает возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов
Источники информации
1. Забытая радиометеорология, В. Поляков, журнал Радио, 2004, номер 7, стр. 29-30,
http://detect-ufo.narod.ru/pribor/detect_radio/pelengatr_01.html http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200407/p29-30.html
2. Электромагнитная акустическая система обнаружения грозовых разрядов, К.В. Вознесенская, А.В. Соловьев, И.С. Гибанов, Д.С. Провоторов, М.В. Чепчугов, А.А. Бочаров. Вестник науки Сибири. Серия Инженерные науки, 2012. №5(6), стр. 70-75, http://sjs.tpu.ru. УДК 534.321.8.
3. Широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство (патент РФ №2474014 C1, H01Q 7/04, опубл. 27.01.2013).
4. Способ и устройство штормового предупреждения (патент США №4672305, G01N 31/02, опубл. 09.06.1987 г.).