СПОСОБ АМПЛИТУДНОЙ ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОСИГНАЛОВ
METHOD FOR AMPLITUDE DIRECTION FINDING OF RADIO SIGNAL SOURCES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах определения направления на источник излучения узкополосных радиосигналов с известной несущей частотой, в том числе в радиолокации, радионавигации, связи.
Известен способ амплитудной пеленгации, заключающийся в сканировании пространства в заданном секторе, обнаружении и обработке принятого сигнала и принятии решения по результатам пеленгации нескольких смежных угловых направлений о направлении на источник сигнала. Выходное напряжение приемного устройства, осуществляющего обнаружение и обработку принятого сигнала, при последовательном изменении углового направления пеленгации, описывает диаграмму направленности. В качестве направления на источник сигнала принимается направление ее максимума. Это так называемый классический метод амплитудной пеленгации [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975. - С. 87-88; Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов /АА. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - С. 260, 262]. Одновременно с измерением направления прихода сигналов обеспечивается их селекция - разрешение по угловым координатам. Ширина диаграммы направленности определяет разрешающие возможности метода амплитудной пеленгации и является основной характеристикой пеленгатора как углового селектора.
Для технической реализации способа используется пеленгатор, включающий антенное и приемное устройства, устройство управления положением диаграммы направленности и устройство определения максимума выходного напряжения пеленгатора (измерительное устройство).
Для повышения отношения сигнал/шум и, вследствие этого, точности измерения углового направления прихода, в приемном устройстве выполняется согласованная (когерентная) временная обработка сигнала.
В качестве измерительного устройства может использоваться индикатор с круговой разверткой. Развертка индикатора синхронизируется с угловым перемещением диаграммы направленности. Уровень яркости отметки от источника сигнала на индикаторе по угловой координате модулируется диаграммой направленности. По максимуму яркости отметки определяют направление на источник сигнала, а угловой размер отметки определяется шириной диаграммы направленности.
Известен способ амплитудной пеленгации, в котором для приема электромагнитной волны от источника сигнала используется антенна с непрерывным раскрывом [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 195, 198]. Сканирование пространства диаграммой направленности осуществляется за счет механического поворота антенны. Развертка индикатора осуществляется напряжением, вырабатываемым генератором развертки, который синхронно связан с двигателем вращения антенны. Данный способ не позволяет реализовать пространственную согласованную фильтрацию сигнала, присущую пеленгаторам с использованием фазированных антенных решеток, что при наличии внутренних шумов приемника ведет к снижению точности измерений и разрешающей способности по угловым координатам [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 83].
Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ амплитудной пеленгации с электронным управлением диаграммой направленности с использованием фазированной антенной решетки [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 124-125, 195, 198]. Способ позволяет осуществить как временную, так и пространственную когерентную обработку сигнала.
Ввиду дискретности раскрыва антенной решетки диаграмма направленности в общем случае имеет многолепестковый характер, что влечет неоднозначность измерения углового направления прихода сигнала. При реализации способа, для обеспечения наличия одного главного лепестка диаграммы направленности, по которому осуществляется пеленгование, расстояния между элементами антенной решетки выбираются не превышающими половины длины принимаемой волны.
В способе управление направлением приема (углом пеленгования) осуществляется за счет внесения фазовых сдвигов в приемные каналы фазированной антенной решетки, рассчитываемых соответственно текущему углу пеленгования.
Фазированная антенная решетка совместно с согласованным приемником образует пространственно-временной фильтр, выполняющий когерентную пространственно-временную обработку принимаемого сигнала.
В общем случае пространственно-временной фильтр включает приемные элементы антенной решетки, управляемые фазосдвигающие элементы каналов, сумматор сигналов каналов и согласованный приемник. Управляемые фазосдвигающие элементы каналов обеспечивают настройку пеленгатора на заданное направление приема волны и могут выполняться в виде управляемых фазовращателей, или в виде смесителей сигналов с гетеродинными напряжениями, имеющими заданный фазовый сдвиг. Согласованный приемник может быть фильтрационным, элементами которого являются согласованный полосовой фильтр и амплитудный детектор, или корреляционным, состоящим из двух параллельно включенных расстроенных по фазе на π/2 корреляторов, выходные сигналы которых объединяются в квадратуре. Каждый коррелятор состоит из смесителя входного и опорного сигнала и интегратора (фильтра) [Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - С. 76; Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 36, 37, 82].
Возможна различная последовательность выполнения операций пространственной и временной фильтрации. Обычно сначала производится пространственная обработка поля по раскрыву антенны, а затем временная фильтрация принятого сигнала. Некоторые элементы (смеситель сигналов), реализующие операции фильтрации, могут участвовать одновременно в выполнении операций и пространственной и временной фильтрации.
Задачей пространственной фильтрации является согласование по раскрыву антенны фазовой структуры поля падающей волны с фазовой структурой, создаваемой фазосдвигающими элементами каналов антенной решетки. При полном согласовании, которое возможно только на угле пеленгования, совпадающем с направлением прихода сигнала, сигналы приемных каналов антенной решетки после прохождения фазосдвигающих элементов становятся синфазными, а выходное напряжение сумматора сигналов - максимальным. При отклонении угла пеленгования от угла прихода сигнала, выполняемом за счет перестройки управляемых значений фаз, синфазность сигналов в каналах решетки после прохождения фазосдвигающих элементов перестает обеспечиваться, и суммарное напряжение на выходе фазированной антенной решетки уменьшается, достигая при некоторых значениях расстройки фаз каналов нулевых значений. Зависимость суммарного напряжения на выходе фазированной антенной решетки от угла пеленгования описывает диаграмму направленности.
Задачей временной фильтрации сигнала в пеленгаторе является измерение его отдельных параметров (времени запаздывания и доплеровского сдвига).
Принципиальным для способа пеленгации является конкретная реализация методов пространственно-временной фильтрации принимаемого сигнала и обеспечиваемые при этом селективные возможности пеленгатора. Это обусловлено тем, что абсолютные значения фаз принятого каждым элементом антенной решетки сигнала неизвестны. Вследствие этого используемый метод пространственно-временной фильтрации в условиях неизвестной начальной фазы сигнала определяет форму зависимости выходного напряжения фильтра от угла пеленгования, то есть форму диаграммы направленности.
В известном способе пеленгации для пространственно-временной фильтрации сигнала с неизвестной начальной фазой используется метод, основанный на создании двух параллельных ортогональных по фазе (квадратурных) каналов обработки сигнала и получении выходного сигнала пеленгатора для текущего углового направления пеленгования как модуля комплексного сигнала, прошедшего фильтрацию в этих каналах. Такой подход исключает снижение уровня сигнала на выходе фильтра или даже его потерю из-за неточной настройки коррелятора по фазе, что возможно при одноканальной корреляционной обработке сигнала [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 36; Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 49].
Одним из вариантов реализации метода в случае последовательной пространственной, а затем временной фильтрации, является оптимальная временная фильтрация сигнала с неизвестной начальной фазой, выполняемая после сумматора каналов решетки. Формально она сводится к вычислению модуля корреляционного интеграла, определяемого как вектор, элементами которого являются ортогональные по фазе синфазная и квадратурная составляющие сигнала, прошедшие когерентную фильтрацию. Для формирования корреляционного интеграла используется согласованный фильтр или квадратурный корреляционный приемник.
При другом варианте реализации метода пространственно-временной фильтрации, используемом в цифровых фазированных антенных решетках, ортогональные по фазе каналы обработки создаются на основе предварительного, до обработки, преобразования сигнала в комплексную форму [Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 1267, с. 1282-1284]. При этом из реального сигнала за счет сдвига фазы на π/2 получают мнимый сигнал, после чего идентичные операции многоканальной обработки сигналов выполняются в двух квадратурных каналах. После пространственно-временной фильтрации результирующее напряжение на выходе пеленгатора для этого случая определяют как модуль комплексного сигнала, прошедшего фильтрацию в квадратурных каналах.
Применение метода временной фильтрации сигнала на основе вычисления модуля корреляционного интеграла имеет достоинство, связанное с сохранением уровня обрабатываемого сигнала независимо от значения его фазы, однако одновременно является недостатком известного способа пеленгации. Это обусловлено тем, что во всех вариантах реализации метода, ввиду того что за счет использования ортогональных по фазе синфазного и квадратурного сигналов высокочастотное заполнение сигнала не несет полезной информации, его исключают из анализа. Высокочастотную составляющую сигнала рассматривают лишь как переносчик информации. Исходя из этой же посылки, для описания преобразований сигнала используют только его огибающую, записанную в комплексной форме [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 34]. Вследствие этого, при пространственной фильтрации сигнала, фазовую структуру поля по раскрыву антенны учитывают в виде разностей фаз поля в различных ее точках, а абсолютные значения фаз в этих точках, определяемые высокочастотной составляющей принимаемого сигнала, не учитывают. То есть когерентная пространственная фильтрация сигнала, осуществляемая за счет фазовых сдвигов, вносимых в приемные каналы фазированной антенной решетки, выполняется с точностью до разности фаз поля по раскрыву антенны.
с
c
Для такого способа когерентной пространственной фильтрации наименьшая возможная ширина диаграммы направленности (наибольшее разрешение), определяемая разностью углов нулевых значений главного лепестка диаграммы направленности, определяется значениями угла пеленгования α, рассчитываемыми относительно направления прихода сигнала α по формуле sin(α)-sin(α)=±λ/L, где λ - длина волны, L - величина раскрыва антенны [Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 609-611]. То есть потенциальная (предельная) разрешающая способность известного способа пеленгации, определяемая расстоянием между нулями главного лепестка диаграммы направленности по координате sin(α), равна 2λ/L.
Недостатком известного способа амплитудной пеленгации является недостаточно высокая разрешающая способность, потенциально ограниченная величиной 2λ/L (по нулевым значениям главного лепестка диаграммы направленности), что обусловлено пространственной фильтрацией принимаемого сигнала с точностью до разности фаз между элементами раскрыва антенны и не учетом мгновенной фазовой структуры поля по раскрыву антенны, определяемой абсолютными значениями фаз в различных точках раскрыва.
Изобретение направлено на решение задачи повышения разрешения сигналов по угловой координате за счет выполнения когерентной пространственной фильтрации принимаемого сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны.
Техническим результатом использования предлагаемого способа является повышение углового разрешения сигналов.
Достижение заявленного технического результата основывается на пространственной фильтрации принимаемого сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны. С этой целью временная обработка сигнала, в отличие от метода обработки, используемого в известном способе пеленгации, выполняется рядом взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов. Данный метод обработки сигнала известен в теории построения приемных устройств, и используется для измерения неизвестного параметра сигнала рядом одноканальных корреляторов, настроенных на возможные фиксированные значения измеряемого параметра [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. С. 87-90; Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича - М.: Сов. радио, 1978. - С. 73]. В качестве измеряемых параметров рассматриваются время задержки и доплеровский сдвиг фазы сигнала, отраженного от цели. Применительно к изобретению измеряемым параметром сигнала является его начальная фаза, носителем которой служит высокочастотное колебание сигнала.
Выходное напряжение одноканального коррелятора после его детектирования, в отличие от выходного напряжения квадратурного корреляционного приемника после его квадратурного детектирования, зависит от абсолютного значения фазы входного сигнала. Так как временной фильтрации сигнала предшествует настройка пространственного фильтра с помощью фазосдвигающих элементов на фазовую структуру принимаемого поля, то величина выходных напряжений одноканальных корреляторов отражает степень когерентности пространственной фильтрации. В результате выполнения когерентной пространственно-временной обработки сигнала последовательно для различных смежных углов пеленгования, для каждого одноканального коррелятора получим зависимость его выходного напряжения от направления пеленгования (пеленгационную функцию). По совокупности пеленгационных функций, построенных на выходе пространственно-временного фильтра, характеризующих степень когерентности пространственной фильтрации для различных фазовых настроек корреляторов, можно определить направление на источник сигнала. Используя необходимое количество взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов можно обеспечить требуемую точность настройки пространственного фильтра на фазовое распределение поля по раскрыву антенны.
Аналогичный результат имеет место в случае, если выполнять временную фильтрацию сигнала рядом взаимно-расстроенных по фазе корреляторов в каналах пространственной фильтрации, до суммирования сигналов антенной решетки. В этом случае пеленгационные функции строят на выходах сумматоров.
Пеленгационные функции, построенные на выходе пространственно-временного фильтра описанным способом, за счет использования ряда взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов, при сохранении условий когерентности фильтрации для различных смежных направлений пеленгования, имеют существенно меньшую ширину по сравнению с шириной диаграммы направленности, получаемой при использовании известного способа пеленгации.
Дополнительным условием, выполнение которого необходимо для того, чтобы ширина пеленгационной функции была существенно меньше ширины диаграммы направленности, получаемой при использовании известного способа пеленгации, является выполнение пространственной фильтрации сигнала с опорой на край раскрыва антенны. В некоторых вариантах реализации пространственной фильтрации сигнала в известном способе пеленгации отсчет вводимых в каналы фазовых сдвигов производится от центра антенной решетки, то есть пространственная фильтрация выполняется, условно говоря, с опорой на центр раскрыва антенны. При этом с помощью фазосдвигающих элементов вносятся разнополярные относительно центра решетки фазовые сдвиги: фазовые сдвиги для каналов по одну строну центра решетки имеют знак минус, по другую строну - знак плюс [Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича - М.: Сов. радио, 1978. - С. 140]. Возможен вариант фильтрации сигналов без внесения разнополярных симметричных относительно центра решетки фазовых сдвигов. В этом случае разная полярность вводится в сигналы при их суммировании - за счет инвертирования сигналов, поступающих в сумматор с одной из половин антенной решетки [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. -Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 120-123]. Такой способ разнополярной пространственной фильтрации приводит к тем же последствиям, что и описанный выше способ квадратурной временной обработки - потере информации об абсолютной величине фазы поля по раскрыву антенны
Теоретическое обоснование необходимости выполнения условия пространственной фильтрации сигнала с опорой на край раскрыва антенны и пространственная интерпретация операций когерентной обработки сигнала приводятся ниже (см. формулы (7), (8)).
С целью раскрытия изобретения дадим теоретическое обоснование возможности решения задачи повышения углового разрешения сигналов за счет выполнения пространственной фильтрации сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны.
Будем считать, что источник сигнала находится в так называемой «дальней зоне» и на антенную решетку падает плоский фронт электромагнитной волны известной частоты  [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 120; Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 64-85]. При этом также будем считать, что расстояние между приемными элементами антенны для обеспечения единства главного лепестка диаграммы направленности выбрано достаточно малым, что позволяет с целью упрощения математических выкладок заменить дискретное суммирование сигнала по элементам решетки интегрированием по ее раскрыву [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М. : Радио и связь, 1987. - С. 83].
На фиг. 1 представлена схема распределения текущих фаз фронта волны по раскрыву антенны. На фиг. 1 используются следующие обозначения:
t - время;
α - текущий угол пеленгования;
с
α - угол прихода волны;
3
c
t(α,l) - задержка времени прихода фронта волны в 1-ю точку раскрыва антенны;
L - размер раскрыва антенны;
- период повторения волны.
н
Начальная фаза волны ϕ на крайнем элементе решетки, определяемая высокочастотной составляющей принимаемого сигнала, неизвестна и является случайной величиной, равномерно распределенной в интервале [0, 2π].
Антенные элементы преобразуют пространственно-временной процесс во временные высокочастотные электрические колебания. Как и в методе фильтрации, используемом в известном способе пеленгации, будем считать, что принимаемый радиосигнал является узкополосным в смысле возможности замены учета реальной задержки времени прихода фронта волны к каждому элементу антенны учетом фазовых сдвигов, определяемых временем хода волны к этим элементам [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 80-81; Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 194; Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 635-636]. Вид амплитудного распределения поля непринципиален ввиду возможности весовой обработки сигнала в каналах антенной решетки, в связи с чем будем считать, что волна имеет единичную амплитуду. Тогда создаваемое волной напряжение в произвольной  точке раскрыва, отсчитываемой от края антенны, описывается формулой
.
Принятая элементами антенной решетки волна с помощью управляемых фазосдвигающих элементов проходит пространственную фильтрацию. Фильтрация сигнала осуществляется введением в приемные каналы фазовых сдвигов в соответствии с текущим углом пеленгования α. На фиг. 1 показана некоторая линия текущих фазовых настроек в пространстве (фронт приема волны), соответствующая фазовой настройки приемных каналов на угол α относительно раскрыва антенны.
Сигналы с выхода приемных каналов поступают в сумматор. Выходное напряжение сумматора определяется суперпозицией напряжений на фронте волны и на линии фазовых настроек приемных каналов пеленгатора.
Рассмотрим случай, когда временная фильтрация сигнала выполняется до суммирования сигналов антенной решетки.
Пусть введение фазовых сдвигов в приемные каналы выполняется с помощью управляемых гетеродинных напряжений, а смесители сигналов, реализующие операции фильтрации, используются одновременно в выполнении операций и пространственной и временной фильтрации. Тогда гетеродинные напряжения несут информацию о фазовых сдвигах, соответствующих текущему углу пеленгования, а также о несущей частоте сигнала, и описываются формулой
.
г
где ϕ - начальная фаза гетеродинных напряжений.
обр
Выполнение временной фильтрации сигнала каждого приемного канала решетки, соответствующего  точке раскрыва антенны, осуществляется перемножением напряжений в смесителях и интегрированием на интервале обработки сигнала T:
.
обр
Для интервала обработки сигнала Т, превышающего Т/2, результат интегрирования имеет вид
,
ф
где ϕ - неизвестная фазовая составляющая видеосигнала после интегрирования.
г
н
ф
Допустим, что при фильтрации, за счет выбора начальной фазы гетеродинов ϕ, произошла полная компенсация неизвестной фазы сигнала ϕ, то есть значения неизвестной фазовой составляющей видеосигнала равны ϕ=±n2π, n=0, 1, 2, …
Для этого случая в результате интегрирования по раскрыву антенны с опорой на край раскрыва антенны получим величину напряжения на выходе сумматора
где
с.
Функция U(α) является аналогом диаграммы направленности, понимаемой как распределение принимаемого поля по угловым координатам. Она имеет по координате sin(α) симметричную многолепестковую структуру с одним главным лепестком, направленным под углом α Расстояния по оси α между n-тыми нулями функции U(α) вычисляются из формулы
c
sin(α)-sin(α)=nλ/2L, где n=±1, ±2, …
Ширина главного лепестка по нулевому уровню равна λ/L, то есть для введенных условий и метода обработки сигнала обеспечивается повышенное по сравнению с известным способом пеленгации угловое разрешение сигнала, равное λ/L.
н
Расширим рассматриваемые условия обработки сигнала. Пусть не обеспечена полная компенсация неизвестной фазы сигнала ϕ в приемных каналах. Тогда суммирование выходных сигналов каналов (интегрирование напряжений (1) по формуле (2)) дает результат:
где значение х определяется по формуле (3).
ф
с
ф
В качестве примера, для анализа вида функций U/(α,ϕ), выполнены расчеты для исходных данных λ/L=0.1, α=-0.2 [рад]. Результаты расчетов для некоторых характерных значений фазы ϕ приведены на фиг. 2. Здесь же показана функция диаграммы направленности F(α) известного способа пеленгации, определяемая как модуль преобразования Фурье от распределения поля, записанного в комплексной форме:
,
где
ф
Расчеты показывают, что функция F(α) является огибающей для множества модулей функций , вычисляемых для произвольных значений фазы ϕ. Этот вывод подтверждает и аналитическое интегрирование модуля функции  по возможным значениям фазы:
.
с
Функция F(α) имеет максимум в направлении α, по шкале sin(α) она симметрична относительно направления максимума, а ширина главного лепестка по нулевому уровню равна 2λ/L. Перечисленные свойства функции F(α) и определяют направленные и селективные возможности известного способа пеленгации.
Из рисунка на фиг. 2 видно, что селективные свойства пеленгационной функции , используемой в предлагаемом способе в качестве альтернативы диаграмме направленности, существенно выше селективных свойств диаграммы направленности F(α), используемой в известном способе пеленгации. Положения нулей пеленгационной функции  относительно направления прихода сигнала определим, приравнивая к нулю выражение (4). В результате получим следующую формулу для нахождения нулей:
Для главного лепестка диаграммы направленности, который образуется при , нули пеленгационной функции определяются из уравнения
.
ф
Отсюда следует, что независимо от величины фазового сдвига ϕ, предельная разрешающая способность, определяемая шириной пеленгационной функции  по ее нулевым значениям, равна λ/L и существенно выше предельной разрешающей способности известного способа. Заметим, что так же существенно выше и точность пеленгования, определяемая крутизной функции .
ф
н
ф
с
ф
с
с
с
Особенностью функции  как пеленгационной характеристики, является зависимость ее формы от величины фазового сдвига ϕ в обрабатываемом сигнале. При полной компенсации неизвестной фазы сигнала ϕ, обеспечивающей выполнение равенства нулю величины ϕ, максимум функции  направлен по углу прихода сигнала α. С увеличением рассогласования фаз принятого и гетеродинного сигналов, ведущего к росту величины ϕ вплоть до значения π/2, величина максимума функции  монотонно уменьшается. При этом появляется и линейно растет систематическая ошибка пеленга, состоящая в рассогласовании направлений главного лепестка функции и направления прихода сигнала α, а также увеличивается величина боковых лепестков функции . В предельном случае, для значений фазы, кратных π/2, функция  распадается на два лепестка, симметричных относительно направления α.При этом полностью исключается прием сигнала с направления α.
н
п
Основным недостатком функции , ограничивающим ее использование для пеленгования, является систематическая ошибка пеленга, обусловленная наличием в фильтруемом сигнале случайной составляющей ϕ. Максимальная ошибка пеленга, достигаемая при величине фазового сдвига , по шкале sin(α) составляет Δ≈±0.38λ/L [рад].
Устранить систематическую ошибку пеленгационной функции  и привести функцию  к известному виду функции F(α) можно разными приемами, которые и используются в различных вариантах технической реализации пространственной фильтрации сигнала в известном способе пеленгования, в том числе:
1) за счет представления сигнала в комплексной форме, с выполнением пространственно-временной фильтрации в квадратурных каналах, и вычисления результирующего напряжения на выходе пеленгатора как модуля комплексной величины:
2) за счет использования при пространственной фильтрации сигнала в качестве опоры центра раскрыва антенны, путем инверсии фазы относительно центра раскрыва антенны в устройствах введения фазовых сдвигов:
или инверсии фазы относительно центра раскрыва антенны непосредственно в сумматоре:
ф
Во втором варианте устранения систематической ошибки, основанном на инверсии фазы, для устранения фазовой модуляции выходного сигнала сумматора функцией cos(ϕ), дополнительно после сумматора выполняют квадратурное детектирование, в результате чего получают:
г
В предлагаемом способе пеленгации, в отличие от известного способа, используется метод снижения систематической ошибки пеленгации до заданной величины при сохранении неизменными высоких селективных возможностей функции , основанный на выполнении параллельной временной обработки принятого сигнала рядом расстроенных относительно друг друга на фиксированное значение вносимого в сигнал фазового сдвига ϕ идентичных временных фильтров.
ф
п
ф
г
г
г
ф
Этот метод основан на том, что функция  имеет повторяющийся по переменной ϕ с периодом π характер. Задаваясь допустимой величиной систематической ошибки пеленга δ[рад], необходимое количество пространственно-временных фильтров М для обработки сигнала можно определить по формуле . При этом, учитывая линейный характер изменения систематической ошибки при изменении фазового сдвига ϕ, расстройку временных фильтров предпочтительно выполнять с регулярным шагом Δ величиной Δ=π/М. Имея ряд временных фильтров, расстроенных по величине вносимого в обрабатываемый сигнал фазового сдвига ϕ в диапазоне изменения фазового сдвига ϕ∈[0, π], на выходе пеленгатора (после детектирования выходных напряжений) получим ряд пеленгационных функций , неперекрывающихся по направлениям максимумов главных лепестков. Для пеленгации источника сигнала необходимо выбрать одну из них. Учитывая монотонный вид зависимости максимума функции  от величины систематической ошибки пеленгации, для пеленгации источника сигнала следует выбрать пеленгационную функцию, имеющую наибольшую величину главного лепестка. Такой выбор минимизирует систематическую ошибку пеленгации. В результате, в качестве направления на источник сигнала принимают угол, при котором достигается максимум пеленгационной функции, имеющей среди прочих наибольшее значение главного лепестка.
Отметим, что пеленгационные функции, кроме зависимости величины максимума главного лепестка от величины расстройки фазы принятого сигнала и фазы настройки временного коррелятора, обладают и другими информативными признаками, позволяющими снизить величину систематической ошибки измерения. Такими признаками является уровень их боковых лепестков, а также их групповое распределение относительно направления пеленга, которое может быть основой для разработки статистических методов оценки направления пеленга.
Пространственная интерпретация предлагаемого метода пространственно-временной фильтрации заключается в следующем. Применительно к фиг. 1, метод фильтрации, используемый в известном способе пеленгации, состоит в создании на нормали, соответствующей углу пеленгования α, двух фронтов приема волны, рассовмещенных по фазе на π/2. Напряжения, снимаемые приемными элементами антенной решетки с этих фронтов, когерентно суммируются и подвергаются совместной фильтрации согласованным приемником. Результатом такой пространственно-временной фильтрации при варьировании угла пеленгования α является известная диаграмма направленности F(α). При этом квадратурное детектирование напряжений в согласованном приемнике приводит к утрате информации об абсолютных значениях фазы поля по раскрыву антенны. К аналогичному результату приводит пространственная фильтрация сигнала с опорой на центр раскрыва антенны. Внесение при этом в принимаемый сигнал разнополярных относительно центра решетки фазовых сдвигов, соответствует формированию двух фронтов приема волны, рассовмещенных по фазе на π. Когерентное суммирование напряжений, снимаемых приемными элементами решетки с этих фронтов, также приводит к утрате информации об абсолютных значениях фазы поля по раскрыву антенны.
Предлагаемый метод фильтрации позволяет создать в пространстве на интервале изменения фазы ряд взаимно-расстроенных фронтов пеленгации, привязанных к краю раскрыва антенны. Пространственно-временной фильтрации с использованием одноканальных корреляторов подвергаются напряжения, снимаемые элементами антенной решетки с каждого из этих фронтов, при этом сохраняются абсолютные значения фазы поля по раскрыву антенны. Выходные напряжения фильтров детектируются, в результате чего, по результатам варьирования угла пеленгования α, образуется ряд пеленгационных функций , по которым и принимается решение о направлении прихода радиосигнала.
гj
г
Дискретная реализация описанного формулами (1), (2) варианта пространственно-временной фильтрации в предлагаемом способе пеленгации, предполагает наличие N-элементной антенной решетки, к которой параллельно подключены М аппаратурно-идентичных расстроенных по фазе пространственно-временных фильтров. Каждый пространственно-временной фильтр состоит из N последовательно подключенных к элементам антенной решетки смесителей принятого и гетеродинного напряжения и интеграторов, реализующих одновременно функции пространственной и временной фильтрации. Результаты интегрирования подаются на сумматор сигналов N приемных каналов пространственно-временного фильтра. Пространственно-временные фильтры различаются величиной вводимого в гетеродинное напряжение фиксированного фазового сдвига ϕ=jΔ, j=0,1, … М-1. На выходах их сумматоров после детектирования получают анализируемые пеленгационные функции .
Построение пространственно-временного фильтра по описанной схеме, в связи с тем, что временная обработка совмещена с пространственной за счет использования общих смесителей, требует N×M смесителей, N×M интеграторов, а также М сумматоров и М детекторов. Ввиду большого количества высокочастотных устройств данная схема может иметь определенные трудности практической реализации.
Из соображений упрощения аппаратурной реализации предлагаемого способа пеленгации, порядок пространственной и временной обработки сигнала, как и в известном способе, может быть изменен.
Рассмотрим случай, когда временная фильтрация сигнала выполняется после его пространственной фильтрации.
Пусть пространственная фильтрация выполняется на управляемых фазовращателях с суммированием сигналов приемных каналов решетки на высокой частоте. Временная обработка сигнала выполняется после сумматора с использованием ряда расстроенных по фазе одноканальных корреляторов. Для данного случая формулы для описания процессов обработки имеют вид:
- напряжения на выходах фазовращателей в приемных каналах решетки, соответствующих  точке раскрыва антенны, имеют вид:
;
- сигнал на выходе сумматора данных напряжений представляет собой высокочастотное колебание с неизвестной начальной фазой и имеет вид:
,
где значение х определяется по формуле (3),
- после гетеродинирования выходного сигнала сумматора опорным напряжением  и интегрирования в корреляционном приемнике, выходной сигнал одноканального коррелятора имеет вид
.
г
обр
гj
r
гj
Полученный результат полностью совпадает с результатом, полученным для выполнения сначала временной, а затем пространственной фильтрации (см. формулу (4)). Однако выполнение вначале пространственной, а затем временной фильтрации сигнала может оказаться более предпочтительным по соображениям аппаратурной реализации. Дискретная реализация такой  последовательности фильтрации предполагает разведение обрабатываемого сигнала на М параллельных расстроенных по фазе ϕ каналов временной фильтрации уже после выполнения пространственной фильтрации. Данный вариант построения пространственно-временного фильтра требует N высокочастотных фазовращателей, один сумматор и М одноканальных корреляторов, каждый из которых содержит последовательно включенные смеситель суммарного и общего гетеродинного сигналов и интегратор на интервале обработки сигнала Т. При этом фазовая расстройка корреляторов может осуществляться как за счет ввода фазовых сдвигов ϕ=jΔ, j=0,1, … М-1 в гетеродинные напряжения корреляторов, так и за счет использования на входах корреляторов фазовращателей с фиксированными сдвигами фазы ϕ. На выходе каждого из М одноканальных корреляторов для построения пеленгационной функции должен быть включен детектор огибающей.
В целом, осуществляя переход от рассмотрения непрерывного распределения поля по раскрыву антенны, позволившего упростить теоретическое обоснование изобретения, к дискретному распределению поля по приемным элементам антенной решетки, предлагаемый способ пеленгации описывается следующей совокупностью действий и условий их выполнения.
Как в известном способе, для пеленгации используют фазированную антенную решетку с размещением приемных элементов на расстояниях друг от друга меньших величины полуволны. В заданном секторе сканирования при каждом очередном угле пеленгования осуществляют пространственно-временную фильтрацию сигнала. Пространственный фильтр включает приемные антенные элементы, присоединенные к ним управляемые устройства введения в сигналы приемных каналов решетки фазового сдвига, соответствующего текущему углу пеленгования, выполненные на фазовращателях или смесителях принятого сигнала с гетеродинными напряжениями, а также сумматор напряжений каналов.
В отличие от известного способа пеленгации, в котором возможно выполнение пространственной фильтрации сигнала с опорой на центр раскрыва антенны, в предлагаемом способе пространственную фильтрацию выполняют с опорой на край раскрыва антенны, то есть отсчет вводимых в каналы фазовых сдвигов производят от какого-либо крайнего приемного элемента решетки. Ввиду принятого предположения об узкополосности пеленгуемого сигнала, конкретный выбор крайнего элемента решетки является не принципиальным. Кроме того, суммирование сигналов приемных каналов антенной решетки выполняют без их инверсии относительно центрального канала.
Также, в отличие от известного способа, для временной фильтрации сигнала используют ряд параллельно включенных взаимно-расстроенных по фазе на интервале ее изменения одноканальных корреляторов. Учитывая последующее, после фильтрации, детектирование сигнала, ведущее к инверсии отрицательных значений напряжения, диапазон изменения фазы, требующий перекрытия взаимно-расстроенными по фазе одноканальными корреляторами, составляет [0, π]. Шаг расстройки корреляторов должен обеспечивать удовлетворительное значение систематической ошибки измерения углового направления источника волны.
о6р
Техническая реализация каждого одноканального коррелятора представляет собой последовательно включенные смеситель обрабатываемого и гетеродинного сигналов и интегратор на интервале обработки сигнала Т, превышающем полупериод волны T/2. Фазовая расстройка корреляторов может выполняться как за счет ввода фиксированных фазовых сдвигов в гетеродинные напряжения смесителей, так и за счет использования на входах корреляторов фазовращателей с фиксированными сдвигами фазы.
Временная фильтрация сигнала с помощью ряда взаимно-расстроенных по фазе одноканальных корреляторов может выполняться как после его пространственной фильтрации, так и до пространственной фильтрации (до суммирования сигналов приемных каналов антенной решетки).
В случае цифровой реализации временной фильтрации сигнала, аппаратурным эквивалентом ряду параллельно включенных взаимно-расстроенных по фазе одноканальных корреляторов, работающих одновременно, является использование одного цифрового коррелятора, обеспечивающего фильтрацию сигнала с последовательным во времени изменением расстройки фазы.
н
г
н
г
обр
н
г
В отличие от известного способа пеленгации, в предлагаемом способе временную фильтрацию сигнала для смежных углов пеленгования выполняют когерентно, что обеспечивает идентичность условий пеленгации с точностью до значения начальной фазы обрабатываемого сигнала, необходимую для построения пеленгационных функций. Это требование обусловлено тем, что неизвестная начальная фаза ϕ высокочастотного колебания на входе пеленгатора (на опорном элементе антенной решетки) постоянно меняется в процессе прихода волны на апертуру. Гетеродинирование принятого сигнала при его временной обработке опорным напряжением той же частоты, что и принимаемое колебание, с некоторой начальной фазой ϕ позволяет зафиксировать соотношение фаз ϕ и ϕ на временном интервале обработки сигнала T для текущего угла пеленгования α. Однако для построения пеленгационной функции необходимо, чтобы при каждом очередном (смежном) значении угла α, задаваемом при сканировании, соотношение начальных фаз ϕ и ϕ не менялось. Этого можно достичь, если для каждого смежного угла пеленгования ввести в гетеродинное напряжение коррелятора корректирующую фазовую добавку той же величины, что и фазовая добавка падающей волны, набежавшая за период времени между началом обработки сигнала при текущем и предыдущем значениях угла α, то есть обеспечить когерентность временной обработки сигнала на смежных углах пеленгования, по крайней мере, в пределах углового сектора формирования пеленгационной функции. Для обеспечения полной когерентности временной обработки сигнала на смежных углах пеленгования достаточно ее выполнять через промежуток времени, кратный полупериоду волны T/2.
Также, в отличие от известного способа, в результате обработки и детектирования сигнала, на выходах многоканального по значениям фазовой расстройки пространственно-временного фильтра формируют ряд пеленгационных функций, представляющих зависимость модуля соответствующего выходного напряжения фильтра (то есть выходного напряжения каждого коррелятора, в случае последовательной пространственно - временной фильтрации, или каждого сумматора - в случае последовательной временной и пространственной фильтрации) от угла пеленгования. На основании анализа сформированных пеленгационных функций в качестве направления на источник сигнала принимают угол, при котором достигается максимум пеленгационной функции, имеющей среди прочих наибольшую величину главного лепестка.
Описанный способ пеленгации обеспечивает высокое угловое разрешение пеленгуемых сигналов при заданном (в случае применения достаточного количества одноканальных корреляторов) уровне систематической погрешности измерения угла.
Далее изобретение раскрывается на примере технической реализации предлагаемого способа пеленгации, с использованием описанного выше аппаратурно-экономичного варианта пространственно-временной фильтрации с последовательной пространственной обработкой сигнала с применением фазовращателей и временной обработкой с применением М расстроенных по фазе одноканальных корреляционных приемников.
Структурная схема пеленгатора приведена на фиг. 3, где обозначено:
1 - антенная решетка из N приемных элементов, имеющих нумерацию i=0, 1, …, N-1;
2 - управляемый фазовращатель;
3 - блок управления фазовращателями;
4 - сумматор;
5.0, 5.1, .., 5.j, …, 5.M - одноканальные корреляционные приемники;
6 - смеситель;
7 - интегратор;
8 - фазосдвигающий элемент опорного напряжения коррелятора;
9 - фазосдвигающий элемент со сдвигом фазы на π/2;
oп
10 - формирователь опорного напряжения u(t);
11 - квадратурный детектор огибающей;
12 - детектор огибающей;
13 - блок формирования пеленгационных характеристик;
14 - решающее устройство;
15 - устройство управления сканированием.
с
н
Принцип функционирования пеленгатора состоит в следующем. На приемные элементы антенной решетки 1, размещенные с шагом d=L/N, не превышающим λ/2, с направления α, подлежащего измерению, приходит волна. Неизвестная начальная фаза волны, принимаемая нулевым (опорным) элементом решетки равна ϕ. Напряжения на выходах элементов антенной решетки описываются формулой
.
С помощью управляемых фазовращателей 2 в напряжения u(t,i) вводят фазовые сдвиги , вырабатываемые блоком управления фазовращателями 3, соответствующие текущему значению варьируемого угла пеленгования α. Напряжение на выходе фазовращателя, присоединенного к i-му приемному элементу антенной решетки имеет вид
.
Выходные напряжения фазовращателей суммируются в сумматоре 4:
.
гj
г
Сигнал с выхода сумматора подается на М параллельно включенных одноканальных корреляционных приемников 5.j, j=0,1, … М-1, настроенных соответственно на фиксированные значения фазового сдвига ϕ=jΔ, а также на ненумерованный вход квадратурного канала обработки сигнала.
обр
Каждый одноканальный корреляционный приемник включает смеситель 6 выходного сигнала сумматора и гетеродинного напряжения  и интегратор на интервале обработки сигнала Т.
Выходные напряжения корреляторов для текущего значения угла пеленгования α вычисляются по формуле
.
гj
Гетеродинные напряжения образуются введением с помощью фазосдвигающих элементов 8 в общее опорное напряжение , вырабатываемое формирователем 10, фиксированных значений фазовой расстройки корреляторов ϕ.
кв
с
д.кв
д.кв
Квадратурный канал обработки образован смесителем 6, в котором в качестве гетеродинного напряжения используется инвертированное с помощью фазосдвигающего элемента 9 гетеродинное напряжение одного из одноканальных корреляционных приемников, в данном случае коррелятора 5.1, и интегратором 7. Выходное напряжение квадратурного канала u подается на вход квадратурного детектора 11. На его другой вход подается синфазное напряжение u с выхода приемника 5.0. Напряжение на выходе квадратурного детектора u определяется как корень квадратный из суммы квадратов входных напряжений:  (см. формулу (6)). Напряжение u для текущего значения варьируемого угла пеленгования α представляет собой значение диаграммы направленности F(α) пеленгатора, реализующего известный способ пеленгации.
Выходные напряжения корреляторов детектируются с помощью детекторов 12 и подаются на вход блока формирования пеленгационных функций 13. В блоке формирования пеленгационных функций при варьировании угла α образуется М пеленгационных функций  и диаграмма направленности F(α).
с
Выбор одной из пеленгационных функций для принятия решения о направлении прихода сигнала осуществляется в решающем устройстве 14 по критерию максимального значения главного лепестка пеленгационной функции. Угловое направления α на источник сигнала принимается равным угловому направлению главного лепестка выбранной пеленгационной функции. Функция F(α) используется в данном случае для сопоставления селективных возможностей известного и предлагаемого способов пеленгации.
Устройство управления сканированием 15 через промежутки времени, кратные полупериоду принятой радиоволны, задает очередные значения угла пеленгования α и синхронизирует работу устройств пространственной и временной фильтрации и формирования пеленгационных характеристик.
с
г
н
н
г
Для оценки работоспособности предложенной схемы пеленгатора выполнены расчеты пеленгационных функций  для следующих исходных данных: α=-0.2 [рад], N=20, L=0.3, λ=0.03, Δ=π/10, М=10. При этом величина неизвестного значения начальной фазы волны на крайнем элементе антенной решетки принята равной ϕ=π/20, что обеспечивает тестирование работы схемы пеленгатора в наихудших условиях - при попадании фазы принятого сигнала ϕ на середину межканального фазового интервала Δ.Количество корреляционных приемников М выбрано исходя из необходимости обеспечения систематической ошибки пеленгования не более 0.004 [рад], или 2.0% от ширины диаграммы направленности F(α) по уровню первых нулей.
Результаты расчетов пеленгационных функций  в сопоставлении с диаграммой направленности F(α), получаемой на основе известного способа пеленгования, приведены на фиг. 4. Функция F(α) обозначена штриховой а функции  - сплошными линиями. Пеленгационные функции рассчитаны в предположении, что выполнено требование обеспечения когерентности временной фильтрации сигнала в смежных направлениях пеленгования.
с
н
Как следует из расчетов, в качестве пеленгационных функций для оценки углового направления на источник волны α следует использовать одну из функций , , сформированных, соответственно, корреляционными каналами с номерами 5.0 и 5.1 (они для заданного значения начальной фазы ϕ=π/20 симметричны). В этих каналах достигается максимальный уровень главных лепестков пеленгационных функций, превышающий на ~2,5% величину главного лепестка пеленгационных функций , , сформированных соседними (по фазовой расстройке) корреляционным каналами 5.2 и 5.9. Величина измеренного по выбранным пеленгационным функциям направления на источник сигнала равна соответственно - 0.1961 [рад] и - 0.2039 [рад]. То есть направление на источник сигнала определено с удовлетворительной (заданной) систематической погрешностью измерения, которая не превысила 2.0% от ширины диаграммы направленности F(α).
0
Разрешение сигнала по нулевым значения главного лепестка пеленгационной функции U(α) составляет 0.2461-0.1461=0.1 [рад]. Известный способ пеленгации обеспечивает разрешение сигнала 0.3-0.1=0.2 [рад]. То есть требуемый технический результат использования предлагаемого способа достигнут.
c1
с2
н1
н2
Дополнительно тестирование приведенной схемы пеленгатора с заданными параметрами выполнено для случая приема сигналов от двух источников, находящихся в угловом секторе, меньшем величины λ/L [рад], определяющей предельные возможности разрешения известного способа пеленгации. В качестве исходных данных принято, что направления на первый и второй источники сигналов заданы, соответственно, углами α=-0.28 [рад] и α=-0.12 [рад], а значения начальных фаз принимаемых волн равны, соответственно, ϕ=π/20 и ϕ=π/3.
Результаты расчетов пеленгационных функций приведены на фиг. 5. Расчеты подтверждают повышенные селективные возможности предлагаемого способа пеленгации. Так, пеленгационная функция , сформированная на выходе корреляционного канала 5.2, обеспечивает полное разрешение каждого из двух источников сигналов с удовлетворительным уровнем систематической погрешности измерения, в то время как применение известного способа пеленгации не позволяет разрешить сигналы.
Выполненные расчеты подтверждают возможность технической реализации углового селектора с повышенной разрешающей способностью.
Таким образом, использование предложенного способа пеленгации обеспечивает повышение углового разрешения сигналов.