Пеленгатор

 

Использование: в радиолокации и радионавигации. Сущность изобретения: пеленгатор содержит приемники 1, 2, гетеродины 3, 4, смесители 5, 6, 7, половой фильтр 8, УПЧ 9, 10, амплитудные детекторы 11, 12, интеграторы 13, 14, пороговые блоки 15, 16, мультиплексоры 17, 18, вычитатель 19, сумматор по модулю два 20, коррелятор 21, блоки задержки 22, умножители 23, фильтры нижних частот 24, компараторы 25, цифровой преобразователь 26, элементы ИЛИ 27, 28, пороговый блок 29, полосовой усилитель 30, блок совпадения 31, ключи 32, 33, фазометр 34. 5 ил.

Изобретение относится к радиолокации, радионавигации и может быть использовано для определения угловой координаты источника излучения фазоманипулированных (ФМн) сигналов.

Известные устройства для пеленгации источников излучения сигналов основаны: на использовании трех приемных каналов, два из которых снабжены направленными антеннами, а третий - ненаправленной антенной (авт. св. N 558584, кл. G 01 S 3/40, 1973); на использовании антенны, имеющей кардиоидную или восьмеричную диаграмму направленности (авт. св. N 164326, кл. G 01 S 3/10, 1958); на использовании осциллографического индикатора (ав. св. N 375579, кл. G 01 R 25/00, 1971); на использовании двух приемных каналов с ненаправленными антеннами (Космические траекторные измерения. Под ред. П. А. Агаджанова и др. - М. : Сов. радио, 1969, с. 244, рис. 7.2 - прототип); на использовании суммарно-разностных каналов (авт. св. N 568028, кл. G 01 S 3/20, 1974); на использовании антенн с ярко выраженной диаграммой направленности (Космические траекторные измерения. М. : Сов. радио, 1969, с. 256); на подавлении дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема (авт. св. NN 1602203, 1641096, 1679872 и другие).

Из известных устройств пеленгации источников излучения сигналов наиболее близким к предлагаемому является пеленгатор (Космические траeкторные измерения. Под ред. П. А. Агаджанова и др. М. : Cов. радио, 1969, с. 244, рис. 7.2), который и выбран в качестве прототипа. При этом пеленгация источника излучения сигналов осуществляется фазовым методом, при котором сигналы принимаются двумя антеннами, фазовые центры которых разнесены в пространстве на расстояние d (измерительная база). Линия визирования источника излучения сигналов образует угол с осью, перпендикулярной к линии, соединяющей обе антенны, т. е. с равносигнальным направлением.

Расстояния между приемными антеннами А и В и источником излучения сигналов определяются выражениями R₁ = R + d/2 sin , R₂ = R -d/2 sin .

Запаздывание сигналов, принимаемых антеннами А и В, определяется разностью хода лучей R = R₁ - R₂ = d sin .

Разности расстояний R соответствует разность фаз
= 2 = 2 Sin , где - длина волны.

Это дает возможность определить угол прихода радиоволн по измеренной величине фазового сдвига между сигналами, принятыми двумя разнесенными антеннами А и В. Последнее выражение показывает, что фазовый сдвиг обращается в нуль не только при = 0, но также и при других углах рассогласования, соответствующих условию
= arcsin 2n/Kd , где n = 1, 2, 3, . . . , K = 2/d . Вследствие этого пеленгационная характеристика (см. фиг. 3) U_вых()= U₀Cos= U₀Cos(2d/Sin), где U₀ - амплитуда сравниваемых колебаний, получается закономерной, обладающей наряду с основным направлением (истинным пеленгом _o) многими ложными направлениями (ложными пеленгами ₁, ₂, . . . ). В этом заключается причина неоднозначности измерений фазовыми методами.

Фазовому методу пеленгации свойственно противоречие между требованиями точности пеленгации и однозначности отсчета угла. Действительно, пеленгатор тем чувствительнее к изменению угла, чем больше относительный размер базы d/ . Однако с ростом d/ уменьшается значение угловой координаты , при котором разность фаз превосходит значение 2 , т. е. наступает неоднозначность отсчета.

В предлагаемом устройстве для устранения неоднозначности пеленгации источника излучения сигналов используется их корреляционная обработка и двухканальный метод отсчета.

Целью изобретения является повышение точности при пеленгации источника фазоманипулированного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно соединенные первые усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, интегратор и пороговый блок, выход которого подключен к первому входу блока совпадения, последовательно соединенные вторые усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, интегратор и пороговый блок, выход которого подключен к второму входу блока совпадений, выход первого гетеродина соединен с первыми входами первого и третьего смесителей, выход третьего смесителя через полосовой фильтр и первый ключ подключен к первому входу фазометра, выход первого усилителя промежуточной частоты подключен к первым входам первого и второго мультиплексоров, выход второго усилителя промежуточной частоты подключен к вторым входам первого и второго мультиплексоров и к второму входу вычитателя, выход которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, выход первого мультиплексора подключен к входу блока задержки, i-й выход блока задержки соединен с первым входом i-го умножителя (i = ), выход i-го умножителя через фильтр низкой частоты подключен к первому входу i-го и второму входу (i+1)-го компаратора, выходы которого подключены к входу цифрового преобразователя, второй вход каждого умножителя соединен с выходом второго мультиплексора, выход первого компаратора соединен с вторым входом сумматора по модулю два, выход каждого умножителя соединен с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого через полосовой усилитель и второй ключ соединен с вторым входом фазометра, выход каждого низкочастотного фильтра соединен с соответствующим входом второго элемента ИЛИ, выход которого через второй пороговый блок соединен с управляющим входом второго ключа, выход цифрового преобразователя является первым выходом устройства, а выход фазометра - вторым выходом устройства.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого пеленгатора; на фиг. 2 - принцип пеленгации источника излучения ФМн сигналов в одной плоскости фазовым методом; на фиг. 3 - пеленгационная характеристика; на фиг. 4 - частотная диаграмма, поясняющая образование дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема; на фиг. 5 - таблица истинности.

Пеленгатор содержит первый 1 и второй 2 приемники, первый 3 и второй 4 гетеродины, первый 5, второй 6 и третий 7 смесители, полосовой фильтр 8, первый 9 и второй 10 усилители промежуточной частоты, первый 11 и второй 12 амплитудные детекторы, первый 13 и второй 14 и интеграторы, первый 15 и второй 16 пороговые блоки, первый 17 и второй 18 мультиплексоры, вычитатель 19, сумматор по модулю два, коррелятор 21, блок 22_i задержки, умножитель 23_i, фильтр 24_i нижних частот, компаратор 25_i (i = ), цифровой преобразователь 26, первый элемент ИЛИ 27, второй элемент ИЛИ 28, третий пороговый блок 29, полосовой усилитель 30, блок 31 совпадения, первый 32 и второй 33 ключи и фазометр 34. Причем к выходу приемника 1(2) последовательно подключены смеситель 5(6), второй вход которого соединен с выходом гетеродина 3(4), усилитель 9(10) промежуточной частоты, амплитудный детектор 11(12), интегратор 13(14), пороговый блок 15 (16), блок 31 совпадения, ключ 32 и фазометр 34. К выходу усилителя 9 промежуточной частоты последовательно подключены вычитатель 19, второй вход которого соединен с выходом усилителя 10 промежуточной частоты, сумматор 20 по модулю два, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора 25₁, мультиплексор 17, второй и третий входы которого соединены с выходами усилителей 9 и 10 промежуточной частоты, блок 22_i задержки, умножитель 23_i, второй вход которых через мультиплексор 18 соединен с выходами сумматора 20 по модулю два и усилителей 9 и 10 промежуточной частоты, фильтр 24_i нижних частот, компаратор 25_i и цифровой преобразователь 26, выход которого является первым выходом устройства. К выходам умножителя 23 подключены элемент ИЛИ 27, полосовой усилитель 30, ключ 33, второй вход которого через последовательно включенные элемент ИЛИ 28 и пороговый блок 29 соединен с выходами фильтра 24_i нижних частот, а выход подключен к второму входу фазометра 34, выход которого является вторым выходом устройства.

Принцип устранения неоднозначности отсчета угловой координаты , присущей фазовому методу пеленгации, заключается в корреляционной обработке принимаемых ФМн сигналов. При этом разность фаз высокочастотных колебаний, принимаемых двумя антеннами, определяется соотношением
= 2d/Sin .

С другой стороны, указанная разность фаз определяется следующим образом:
= 2 f_c (t + _o) - 2 f_c t = = 2 f_{c o}, где ₀= R/c - время запаздывания сигнала, приходящего на одну из антенн по отношению к сигналу, приходящему на другую антенну;
с - скорость распространения радиоволн. Следовательно, приравняв указанные соотношения, получим
2f_c0= 22f_cd/cSin₀. .

Таким образом, измерив величину задержки _o и зная измерительную базу d, можно однозначно определить значение истинного пеленга
Sin₀= c/d₀. Минимальное (нулевое) значение _o ( _min = 0) будет соответствовать значению _o = 0 (см. фиг. 2, б). Максимальное значение _o( _max) будет соответствовать углу _o = 90^o
_{0 max}= d/cSin₀= d/cSin90= d/c . Следовательно, sin _o = _o / _omax.

Измерив _o с помощью корреляционной обработки принимаемых ФМн сигналов, можно определить истинный пеленг _o . При этом устраняется зависимость результатов измерения от несущей частоты f_c принимаемых ФМн сигналов и неоднозначность измерения, присущая фазовому методу пеленгации источника излучения указанных сигналов.

Пеленгатор работает следующим образом.

На первые входы смесителей 5 и 6 с выходов приемников 1 и 2 поступают соответственно ФМн сигналы:
u₁(t) = U_c cos[2 f_c t + _к + ₁] ,
u₂(t) = U_c cos[2 f_c t + _к + ₂] , 0 t T_c, где U_c, f_c, T_c, ₁, ₂ - амплитуда, несущая частота, длительность и начальные фазы сигналов;
_к= 0, - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции, причем _к = const при k _и< t < (K + 1)_и и может изменяться скачком при t = K_и т. е. на границах между элементарными посылками (К = 1, 2, . . . , N);
_и , N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с = N _и ).

На вторые входы смесителей 5 и 6 с выходов гетеродинов 3 и 4 подаются соответственно напряжения:
u_г1 (t) = U_г1 cos (2 f_г1 t + _г1),
u_г2 (t) = U_г2 cos (2 f_г2 t + _г2), где U_г1, U_г2, f_г1, f_г2, _г1, _г2, - амплитуды, частоты и начальные фазы напряжений гетеродинов.

Причем частоты f_г1 и f_г2 гетеродинов 3 и 4 разнесены на удвоенное значение промежуточной частоты f_г2 - f_г1 = 2f_пр и выбраны симметричными относительно частоты f_c основного канала приема f_г2 - f_c = = f_c - f_г1 = f_пр, что приводит к удвоению числа дополнительных (зеркальных и комбинационных) каналов приема (см. фиг. 4). На выходе смесителей 5 и 6 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 9 и 10 выделяются только напряжения промежуточной (разностной) частоты: u_пр1 (t) = U_пр1 cos (2 f_пр t + _к + _пр1) ; u_пр2 (t) = U_пр2 cos (2 f_пр t - _к - _пр2), 0 t T_c, где U= 1/2K₁U_сU; U= 1/2K₂U_cU;
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
f_пр = f_c - f_г1 = f_г2 - f_c - промежуточная частота _пр1 = ₁ - _г1; _пр2 = ₂ - _г2. Указанные напряжения детектируются в амплитудных детекторах 11 и 12, накапливаются в интеграторах 13 и 14 и сравниваются с пороговым уровнем U_пор1 в пороговых блоках 15 и 16. Причем пороговое напряжение U_пор1выбирается так, чтобы пороговые блоки 15 и 16 не срабатывали от случайных помех.

В случае приема ФМн сигналов по основному каналу на частоте f_c(см. фиг. 4) напряжения образуются одновременно на выходах пороговых блоков 15 и 16. Эти напряжения поступают на два входа блока 31 совпадения, который сравнивает и своим выходным напряжением открывает ключ 32. Ключи 32 и 33 в исходном состоянии закрыты.

Напряжения u_r1(t) и u_r2(t) с выходов гетеродинов 3 и 4 поступают на смеситель 7, на выходе которого образуется напряжение u₃(t)= U_гcos[2(f_г2-f_г1)t+_г1+_г2] = U_гcos[2(f_г1+f_г2+_г1+_г2] , где u_г= 1/2K₁UU
Полосовым фильтром 8 выделяется напряжение u₄(t)= U_гcos[2(f_г2-f_г1)t+_г2-_г1] = U_гcos(4f_прt+_г), где f_г2 - f_г1 = 2 f_пр, _г2 - _г1 = _г, которое через открытый ключ 32 поступает на первый вход фазометра 34.

Напряжение u_пр1(t) с выхода усилителя 9 промежуточной частоты через мультиплексор 18 поступает на первый вход умножителя 23_i, на второй вход которого с выхода усилителя 10 промежуточной частоты через мультиплексор 17 и блок 22_i задержки подается напряжение u_пр3(t)= u_пр2(t-)= U_пр2сos[2f_пр(t-)-_к-_пр2] , 0tT_c, где - время задержки. На выходах умножителя 23ⁱ образуются напряжения суммарной и разностной частоты. На выходе i-го элемента умножителя 23_i образуется на напряжение, которое будет иметь максимальное значение при условии _i = _o. Фильтром 24_i нижних частот выделяется напряжение разностной частоты, пропорциональное корреляционной функции R( ). Причем напряжение будет максимальным только при _i = _o [R (_o), _{o o}, где _o - истинный пеленг] . Следовательно, блок 22_i задержки, умножитель 23_iи фильтр 24_i нижних частот образуют многоканальный коррелятор 21. Получаемая на его выходе корреляционная функция R( ) имеет максимальное значение при
_i = _o= t₁ - t₂ = R/c, где t₁, t₂ - время прохождения сигналами расстояний от источника излучения до первой А и второй В антенн (см. фиг. 2).

Напряжения разностной частоты с выходов фильтра 24_i нижних частот через элемент ИЛИ 28 поступает на вход порогового блока 29, где сравниваются с пороговым напряжением U_пор2. При этом пороговый уровень U_пор2 в пороговом блоке 29 превышается только при максимальном значении корреляционной функции R( _o) и не превышается боковыми лепестками этой функции. При превышении порогового уровня U_пор2 в пороговом блоке 29 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 33 и открывает его. При этом суммарное напряжение u(t)= Ucos[2(f_г2-f_г1)t+2(f_c-f_г2)+_г+] , 0tT_c, где U= 1/2K₂UU;
К₂ - коэффициент умножителя 23_i,
= ₁ - ₂ - разность фаз сигналов, определяющая направление на источник излучения, с выходов умножителя 23_i через элемент ИЛИ 27 выделяется полосовым усилителем 30 и через открытый ключ 33 поступает на второй вход фазометра 34, образуется напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу . Напряжение с выходов фильтра 24_i нижних частот одновременно поступаeт на входы компараторов 25_i (i = ). В каждом аналоговом компараторе сравниваются два напряжения - входное U_вх и опорное U_оп. В случае превышения входного напряжения над опорным (U_вх > U_оп), на выходе компаратора 25_i формируется напряжение, соответствующее логической "1". Следует отметить, что напряжения с выхода фильтра 24_i нижних частот подаются на компараторы 25_i так, что на два соседних компаратора подается одно и то же напряжение. Причем на один из компараторов в количестве входного напряжения U_вх, а на другой - опорного U_оп. Таким образом, на выходах компараторов образуется параллельный двоичный код, в котором "1" соответствует превышению напряжения в (i+1)-ом канале коррелятора над напряжением в i-ом канале. Последовательность единиц двоичного кода соответствует возрастанию корреляционной функции R( ) , a последовательность нулей соответствует спаду корреляционной функции R( ). Следовательно, последняя единица в двоичном коде будет соответствовать максимальному значению корреляционной функции R( _o). Подсчитав количество единиц двоичного кода, можно определить номер канала, в котором _i = _o. , a следовательно, и значение _o.

Для устранения неоднозначности отсчета угловой координаты , обусловленной нечувствительностью пеленгационной характеристики к знаку угла (см. фиг. 3), и правильной работы многоканального коррелятора 21 используется вычитатель 19, сумматор 20 по модулю два и мультиплексоры 17 и 18.

На выходе вычитателя 19 формируется логическая единица "1" в том случае, когда u_пр1 (t) u_пр2 (t) (см. фиг. 2, а, в). Если u_пр1 (t) u_пр2 (t) (см. фиг. 2, б) (источник излучения находится на равносигнальном направлении), то на выходе вычитателя 19 формируется логический "0".

Если источник излучения ФМн сигналов находится в правой полуплоскости (см. фиг. 2а), то на выходе первого компаратора 25₁формируется логическая "1", потому что при сравнении сигналов первого и второго каналов корррелятора 21 сигнал первого канала и имеет большую задержку, чем сигнал второго канала, т. е. ближе расположен к максимальному значению корреляционной функции R( _o) и, следовательно, имеет большую величину. При этом выход усилителя 9 промежуточной частоты оказывается подключенным непосредственно к умножителю 23_i, а выход усилителя 10 промежуточной частоты - к блоку 22_i задержки.

Если источник излучения ФМн сигналов находится в левой полуплоскости (см. фиг. 2, в), то сигнал второго канала коррелятора будет больше сигнала первого канала и на выходе первого компаратора 25₁формируется логический "0". В этом случае на выходе сумматора 20 по модулю два формируется сигнал, соответствующий уровню логической "1". Мультиплексоры 17 и 18 под воздействием управляющего сигнала, соответствующего "1", осуществляют коммутацию приемных каналов, при котором усилитель 9 промежуточной частоты подключается к блоку 22_iзадержки, а усилитель 10 промежуточной частоты - к умножителю 23_i.
Если источник излучения ФМн сигналов находится на равносигнальном направлении (см. фиг. 2, б), то переключения каналов не происходит. Коммутация приемных каналов осуществляется согласно таблицы истинности (фиг. 5).

Описанная работа пеленгатора соответствует случаю приема ФМн сигналов по основному каналу на частоте f_c (см. фиг. 4).

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому зеркальному каналу на частоте f_з1 или по второму зеркальному каналу на частоте f_з2 , или по любому другому дополнительному (комбинационному) каналу приема, то после преобразования по частоте он будет выделяться усилителем 9 или 10 промежуточной частоты. При этом напряжение будет присутствовать на выходе порогового блока 15 или 16. Блок 31 совпадения не срабатывает, ключ 32 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому f_з1 или второму f_з2 зеркальному каналу, подавляется.

Если ложные сигналы (помехи) поступают одновременно по первому f_з1 и второму f_з2 зеркальным каналам, то блок 31 совпадения срабатывает и ключ 32 открывается. При этом напряжение u₄(t) c выхода полосового фильтра 8 через открытый ключ 32 поступает на первый вход фазометра 34. Однако на второй вход фазометра 34 в этом случае напряжение не подается. Это объясняется тем, что канальные сигналы образуются разными ложными сигналами (помехами), принимаемыми на разных зеркальных частотах f_з1 и f_з2 . Между канальными сигналами существует слабая корреляционная связь. Выходное напряжение коррелятора 21 не превышает порогового уровня U_пор2 в пороговом блоке 29, ключ 33 не открывается и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по зеркальным каналам на частотах f_з1 и f_з2 , подавляются. По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), принимаемые одновременно по комбинационным каналам на частотах f_к1 и f_к2 или на частотах f_к3 и f_к3 или на любых других частотах.

Если полезный ФМн сигнал принимается по основному каналу на частоте f_c, то блок 31 совпадения срабатывает, ключ 32 открывается и напряжение u₄(t) поступает на первый вход фазометра 34.

В этом случае канальные напряжения u_пр1 t и u_пр2 (t) образуются одним и тем же сигналом, принимаемым на одной частоте f_c и между ними существует сильная корреляционная связь. Выходное напряжение коррелятора 21 превышает пороговый уровень U_пор2 в пороговом блоке 29, ключ 33 открывается и полезный ФМн сигнал с выхода умножителя 23_i через элемент ИЛИ 27 и полосовой усилитель 30, а также открытый ключ 33 поступает на второй вход фазометра 34.

Таким образом, предлагаемый пеленгатор по сравнению с базовым объектом обеспечивает повышение точности пеленгации источника излучения ФМн сигналов. Это достигается увеличением измерительной базы d, a возникающая при этом неоднозначность отсчета угловой координаты , присущая фазовому методу пеленгации, и зависимость результатов пеленгации от несущей частоты принимаемых ФМн сигналов устраняются корреляционной обработкой указанных сигналов. При этом используются две шкалы: фазовая шкала для точного измерения разности фаз между сигналами двух приемных каналов (точная, но неоднозначная шкала измерений); временная шкала для измерения разности запаздываний огибающей сигнала в тех же приемных каналах (грубая, но однозначная шкала измерений).

Кроме того, предлагаемый пеленгатор позволяет представить результаты пеленгации в цифровом виде, что обеспечивает возможность для их длительного хранения, передачи на большие расстояния по каналам связи и сопряжения с вычислительной техникой. (56) П. А. Агаджанов и др. Космические траекторные измерения. М. : Сов. радио, 1969, с. 244.

Формула изобретения

ПЕЛЕНГАТОР, включающий первый и второй приемники, первый и второй смесители, фазометр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при пеленгации источника фазоманипулированного сигнала, введены последовательно соединенные первые усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, интегратор и пороговый блок, выход которого подключен к первому входу блока совпадений, последовательно соединенные вторые усилитель промежуточной частоты, амплитудный детектор, интегратор и пороговый блок, выход которого подключен к второму входу блока совпадений, выход первого гетеродина соединен с первыми входами первого и третьего смесителей, выход второго гетеродина - с вторыми входами второго и третьего смесителей, выход третьего смесителя через полосовой фильтр и ключ подключен к первому входу фазометра, выход первого усилителя промежуточной частоты подключен к первым входам первого и второго мультиплексоров, выход второго усилителя промежуточной частоты подключен к вторым входам первого и второго мультиплексоров и к второму входу вычитателя, выход которого соединен с первым входом сумматора по модулю два, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго мультиплексоров, выход первого мультиплексора подключен к входу блока задержки, i-ый выход блока задержки соединен с первым входом i-ого умножителя (i= ), выход i-ого умножителя через фильтр низкой частоты подключен к первому входу i-ого и второму входу (i + 1)-го компаратора, выходы последнего подключены к входу цифрового преобразователя, второй вход каждого умножителя соединен с выходом второго мультиплексора, выход первого компаратора соединен с вторым входом умножителя по модулю два, выход каждого умножителя соединен с соответствующим входом элемента ИЛИ, выход которого через полосовой усилитель и второй ключ соединен с вторым входом фазометра, выход каждого низкочастотного фильтра соединен с соответствующим входом элемента И, выход которого через второй пороговый блок соединен с управляющим входом второго ключа, выход цифрового преобразователя является первым выходом устройства, а выход фазометра - вторым выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5