Устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений
Владельцы патента RU 2316016:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" (ФГУП "ТНИИС") (RU)
Изобретение может быть использовано для определения пеленга и частоты радиосигнала в системах радиотехнического контроля. Достигаемым результатом является упрощение устройства и повышение точности пеленгования. Технический результат достигается за счет того, что устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений содержит последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый делитель мощности, измеритель частоты и блок обработки результатов измерения для определения значения пеленга источника радиоизлучения и формирования управляющего сигнала для управляемого фазовращателя, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты и второй делитель мощности, а также последовательно включенные третью приемную антенну и третий усилитель высокой частоты, два перемножителя, два фильтра низких частот, управляемый фазовращатель и измеритель разности фаз, первый и второй входы первого перемножителя соединены соответственно со вторым выходом первого делителя мощности и выходом управляемого фазовращателя, а выход - со входом первого фильтра низких частот, первый и второй входы второго перемножителя соединены соответственно с первым и вторым выходами второго делителя мощности, а выход - со входом второго фильтра низких частот, сигнальный и управляющий входы управляемого фазовращателя соединены соответственно с третьим выходом второго делителя мощности и выходом указанного блока обработки, второй и третий входы этого блока соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров низких частот, первый и второй входы измерителя разности фаз соединены соответственно с третьим выходом первого делителя мощности и выходом третьего усилителя высокой частоты, а выход - с четвертым входом указанного блока обработки, при этом фокальные оси приемных антенн параллельны и совпадают с направлением на центр сектора пеленгования. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения пеленга и частоты радиосигнала в системах радиотехнического контроля.
Известно устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений, описанное в статье Э. В. Чекрыгина и др. Информационно-измерительная система источников радиоизлучений. Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия ОВР, Москва-Таганрог, вып.1, 2003, С.7...14. Оно содержит тракт измерения частоты и тракт измерения направления на источник излучения. Тракт измерения частоты содержит измеритель частоты, последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты (УВЧ) и частотно-измерительный блок, а также ряд частотных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные детектор, видеоусилитель и аналого-цифровой преобразователь, входы частотных каналов соединены с выходами частотно-измерительного блока, а выходы - со входами измерителя частоты. Тракт измерения направления на источник излучения содержит вычислитель и ряд приемных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно включенные приемную антенну, УВЧ, детектор, видеоусилитель и аналого-цифровой преобразователь, фокальные оси антенн сдвинуты одна относительно другой таким образом, что диаграммы направленности антенн в сумме перекрывают сектор 180°.
Недостатком этого устройства является низкая точность пеленгования, обусловленная неидентичностью приемных каналов тракта определения направления, и сложность, обусловленная наличием отдельной приемной антенны и УВЧ для тракта определения частоты и большим количеством приемных каналов в тракте определения направления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство радиотехнического контроля источников излучений, входящее в состав корабельной станции радиотехнической разведки, защищенной свидетельством на полезную модель №29783, кл. G01S 3/28, Н04К 3/00, опубл. 2003 г. Оно содержит М≥4 приемных антенн, М УВЧ, входы которых соединены с выходами антенн, М делителей мощности, входы которых соединены с выходами УВЧ, М приемников, входы которых соединены с первыми выходами делителей мощности, измеритель частоты, М входов которого соединены со вторыми выходами делителей мощности, уточнитель пеленга и блок обработки результатов измерения и управления, первые М входов которого соединены с выходами приемников, (М+1)-й и (М+2)-й входы - с первым и вторым выходами измерителя частоты, (М+3)-й вход - с выходом уточнителя пеленга, а выход - с управляющим входом уточнителя пеленга. При этом уточнитель пеленга содержит М пар дополнительных приемных антенн, два коммутатора, управляющие входы которых объединены и являются управляющим входом уточнителя, и интерферометр, выход которого является выходом уточнителя. Фокальные оси приемных антенн сдвинуты одна относительно другой таким образом, что их диаграммы направленности в сумме перекрывают сектор 180° левого (или правого) борта корабля.
В этом устройстве осуществляется уточнение результатов измерения направления на источник излучения, поэтому точность пеленгования здесь несколько выше, чем в указанной выше информационно-измерительной системе. Однако это уточнение пеленга осуществляется за счет введения 2 М дополнительных антенн, что делает устройство достаточно сложным и трудно реализуемым. Кроме того, точность пеленгования в ней остается недостаточно высокой, что обусловлено неидентичностью дополнительных антенн и отсутствием уточнения пеленга в направлениях "корма-нос корабля" и противоположном ему.
Целью изобретения является упрощение устройства радиотехнического контроля и повышение точности пеленгования.
Поставленная цель достигается тем, что в известное из описания полезной модели №29783, кл. G01S 3/28, Н04К 3/00 устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений, содержащее последовательно включенные первую приемную антенну, первый УВЧ, первый делитель мощности, измеритель частоты и блок обработки результатов измерения и управления, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй УВЧ и второй делитель мощности, а также последовательно включенные третью приемную антенну и третий УВЧ, введены два перемножителя, два фильтра низких частот, управляемый фазовращатель и измеритель разности фаз, первый и второй входы первого перемножителя соединены соответственно со вторым выходом первого делителя мощности и выходом управляемого фазовращателя, а выход - со входом первого фильтра низких частот, первый и второй входы второго перемножителя соединены соответственно с первым и вторым выходами второго делителя мощности, а выход - со входом второго фильтра низких частот, сигнальный и управляющий входы управляемого фазовращателя соединены соответственно с третьим выходом второго делителя мощности и выходом блока обработки результатов измерений и управления, второй и третий входы этого блока соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров низких частот, первый и второй входы измерителя разности фаз соединены соответственно с третьим выходом первого делителя мощности и выходом третьего УВЧ, а выход - с четвертым входом блока обработки результатов измерений и управления, при этом фокальные оси приемных антенн параллельны и совпадают с направлением на центр сектора пеленгования.
Совокупность вновь введенных перемножителей, фильтров, измерителей разности фаз и их связей, а также конструктивных особенностей антенн и делителей мощности не следует явным образом из уровня техники, поэтому предлагаемое устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
- на фиг.1 - структурная схема предлагаемого устройства;
- на фиг.2 - взаимное расположение источника контролируемого радиосигнала и центров раскрыва антенн.
Устройство содержит на фиг.1 идентичные приемные антенны 1, 8 и 14, идентичные УВЧ 2, 9 и 15, идентичные делители 3 и 10 мощности, идентичные перемножители 4 и 11, идентичные фильтры 5 и 12 низких частот, блок 6 обработки результатов измерений и управления, управляемый фазовращатель 7 с единичным коэффициентом передачи, измеритель 13 частоты и измеритель 16 разности фаз.
Приемная антенна 1, УВЧ 2 и делитель мощности 3 включены последовательно. Первый и второй входы перемножителя 4 соединены соответственно с первым и вторым выходами делителя мощности 3, а выход - со входом фильтра низких частот 5, выход которого подключен к третьему входу блока обработки результатов измерения и управления 6. Сигнальный вход управляемого фазовращателя 7 подключен к третьему выходу делителя мощности 3, управляющий вход - к выходу блока обработки результатов измерения и управления 6, а выход - ко второму входу перемножителя 11, первый вход которого подключен ко второму выходу делителя мощности 10, а выход - ко входу фильтра низких частот 12, подключенного своим выходом ко второму входу блока обработки результатов измерения и управления 6. Приемная антенна 8, УВЧ 9 и делитель мощности 10 соединены последовательно. Измеритель частоты 13 включен между первым выходом делителя мощности 10 и первым входом устройства обработки результатов измерения и управления 6. Вход УВЧ 15 подключен к выходу приемной антенны 14, а выход - ко второму входу измерителя разности фаз 16, первый вход которого подключен к третьему выходу делителя мощности 10, а выход - к четвертому входу блока обработки результатов измерения и управления 6.
Центры раскрыва приемных антенн 1, 2 и 8 расположены на одной прямой, а фокальные оси параллельны одна другой и перпендикулярны этой прямой, их направление 8-1' совпадает с осью симметрии сектора пеленгования. Пеленг θ (направление на источник радиоизлучения) отсчитывается от направления 8-1′ по часовой стрелке. Ширина диаграммы направленности каждой из приемных антенн 1, 8 и 14 составляет 180°. Линейная база а1 между центрами раскрыва приемных антенн 8 и 14 составляет величину порядка 10λmin, а линейная база а2 между центрами раскрыва приемной антенны 1 и 8 - величину порядка 0,25λmin, где λmin - минимальная длина волны пеленгуемого сигнала.
В устройстве используется фазовый метод пеленгования, основанный на приеме пеленгуемого сигнала двумя антеннами с параллельными фокальными осями и разнесенными центрами раскрыва и последующем измерении разности фаз принятых сигналов. Известно (см., например, Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Сов. радио, 1984, с.6, 7), что в этом случае разность фаз Δϕ принятых сигналов связана с пеленгом 9 источника сигнала, его длиной λ волны и базой "а" между центрами раскрыва антенн соотношением
Устройство работает следующим образом.
Излучаемый радиосигнал, подлежащий контролю, принимается приемными антеннами 1, 8 и 14 и усиливается усилителями высокой частоты 2, 9 и 15 соответственно. С выходов усилителей УВЧ 2 и 9 усиленные сигналы поступают на входы делителей мощности 3 и 10 соответственно. Каждый из этих делителей мощности делит поступившие на их входы сигналы на три равные части.
Сигнал с первого выхода делителя мощности 10 поступает на вход измерителя частоты 13, сигнал с его второго выхода - на первый вход перемножителя 11, а сигнал с его третьего выхода - на первый вход измерителя разности фаз 16, на второй вход которого поступает сигнал с выхода усилителя УВЧ 15.
Измеритель частоты 13 осуществляет измерение частоты f контролируемого сигнала, и результат измерения поступает с его выхода на первый вход блока обработки результатов измерения и управления 6.
На второй вход перемножителя 11 через управляемый фазовращатель 7, управляемый сигналом с выхода блока обработки результатов измерения и управления 6, поступает сигнал с третьего выхода делителя мощности 3. Перемножитель 11 осуществляет перемножение поступивших на его входы сигналов, и результат перемножения с его выхода через фильтр низких частот 12 поступает на второй вход блока обработки результатов измерения и управления 6.
На первый и второй входы перемножителя 4 поступают сигналы соответственно с первого и второго выходов делителя мощности 3. Перемножитель 4 осуществляет перемножение поступивших на его входы сигналов, и результат перемножения с его выхода через фильтр низких частот 5 поступает на третий вход блока обработки результатов измерения и управления 6.
Измеритель разности фаз 16 осуществляет измерение разности фаз сигналов на своих входах, и результат измерения с его выхода поступает на четвертый вход блока обработки результатов измерения и управления 6.
Блок обработки результатов измерения и управления 6 осуществляет преобразование поступающих на его входы сигналов в цифровую форму, если они аналоговые (в принципе как измерители частоты и разности фаз 13 и 16, так и фильтры низких частот 5 и 12 могут быть цифровыми), и производит над этими сигналами ряд математических операций, о которых будет сказано ниже. Кроме того, он формирует управляющий сигнал для управляемого фазовращателя 7.
Поступившее на первый вход блока 6 значение частоты f используется для вычисления длины λ волны контролируемого сигнала. Расчет производится в блоке 6 по формуле
λ=с/f,
где с=3·10 м/с - скорость света.
Кроме того, с учетом значения частоты f в блоке обработки результатов измерения и управления 6 формируется управляющий сигнал, под действием которого управляемый фазовращатель 7, имеющий единичный коэффициент передачи, осуществляет задержку поступившего на его вход сигнала на время 1/4f, то есть поворачивает его по фазе на π/2.
Сигналы на входах перемножителя 4 имеют частоту f, одинаковые уровни U и совпадают по фазе. Результат перемножения на выходе перемножителя 4 имеет две составляющие - постоянную с уровнем 0,5KпU2, где Кп - коэффициент передачи перемножителей 4 и 11, и переменную с амплитудой 0,5KпU2 и частотой 2f. Переменная составляющая подавляется фильтром низких частот 5, а постоянная проходит через этот фильтр на третий вход блока обработки результатов измерения и управления 6. Таким образом, на третий вход блока обработки результатов измерения и управления 6 поступает постоянный сигнал с уровнем U3, определяемым равенством
U3=0,5KпКфU2,
где Кф - коэффициент передачи фильтров 5 и 12.
Сигналы на входах перемножителя 11 имеют частоту f, одинаковые уровни U и сдвинуты по фазе один относительно другого на величину Δϕ1, определяемую равенством
При этом первая составляющая этого фазового сдвига сформирована фазовращателем 7, а вторая обусловлена разностью фаз сигналов на входах (и выходах) антенн 1 и 8. Результат перемножения на выходе перемножителя 11 имеет две составляющие - постоянную с уровнем 0,5КпUcosΔϕ1 и переменную частотой 2f. Переменная составляющая подавляется фильтром низких частот 12, а постоянная проходит через этот фильтр на второй вход блока обработки результатов измерения и управления 6. Таким образом, на второй вход блока обработки результатов измерения и управления 6 поступает постоянный сигнал с уровнем U2, определяемым равенством
Совместное решение уравнений (2), (3) и (4) дает
поэтому грубое значение θг пеленга определяется путем вычисления в блоке обработки результатов измерения и управления 6 по формуле
Расчет по формуле (5) дает значение истинного пеленга θ с большой погрешностью, обусловленной неидентичностью каналов формирования сигналов U2 и U3 на входах блока обработки результатов измерения и управления 6 и погрешностью их измерения.
Для уточнения пеленга θ используется измеряемая измерителем разности фаз 16 сигналов на выходах приемных антенн 8 и 14 величина.
Разность фаз Δϕф сигналов на выходах приемных антенн 8 и 14 составит
Учитывая, что база а1=10λmin, она может значительно (в разы) превышать величину 2π. Измеритель разности фаз 16 не реагирует на целую часть отношения Δϕф/2π, а измеряет только остаток от деления Δϕф и 2π. Фактическая Δϕф и измеренная Δϕ разности фаз связаны соотношением Δϕф=Δϕ+2π·n,
где n=0,±1, ±2,...,±m, а m - целая часть отношения a1/λ.
Поэтому уравнение (6) следует записать в виде
или
Уравнение (7) содержит неопределенность - одному значению измеренной разности Δϕ фаз соответствуют 2m+1 значений пеленга θ. Для разрешения этой неопределенности в блоке обработки результатов измерения и управления 6 рассчитываются в соответствии с уравнением (7) все эти значения, или часть их, сравниваются со значением 
рассчитанным по формуле (5), и ближайшее к нему принимается в качестве результата пеленгования.
Заявляемое устройство радиотехнического контроля достаточно легко реализуемо.
В качестве приемных антенн 1, 8 и 14 могут быть использованы щелевые антенны в экране ограниченных размеров (см., например. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.В.Дулина, М.С.Жука. - М.: Энергия, 1977, с.528,529).
В качестве усилителей УВЧ 2, 9 и 15 могут быть использованы серийно выпускаемые модули типа М421135.
В качестве перемножителей 4 и 11 могут быть использованы перемножители общего применения (см., например, Радиоприемные устройства. Под ред. Барулина Л.Г. - М.: Радио и связь, 1984 с.102, 103).
В качестве управляемого фазовращателя 7 может быть использован цифровой дискретный фазовращатель со встроенным драйвером.
Фильтры низких частот 5 и 12 могут быть выполнены на аналоговых интегральных микросхемах.
Делители мощности 3 и 10 могут быть выполнены на основе пассивных микросборок.
Измеритель частоты 13 может быть выполнен на однорезонаторных направленных фильтрах с функциональной обработкой откликов выходных сигналов на программируемых логических интегральных схемах (см., например, Э.В.Чекрыгин и др. Информационно-измерительная система источников радиоизлучений. Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия ОВР, Москва-Таганрог, вып.1, 2003, с.7...14).
В качестве измерителя разности фаз 16 может быть использован цифровой тюнер типа АРК-ЦТ.
В качестве блока обработки результатов измерения и управления 6 может служить ПЭВМ типа "Pentium", дополненная элементами сопряжения с фильтрами низких частот 5 и 12, измерителями частоты и разности фаз 13 и 16 и управляемым фазовращателем 7.
Технический результат от использования предлагаемого устройства радиотехнического контроля заключается в том, что оно проще прототипа, так как содержит как минимум вчетверо меньше приемных антенн и гораздо меньше УВЧ и делителей мощности. Кроме того, оно имеет более высокую точность пеленгования, так как точное значение пеленга в нем определяется фазовым методом, что исключает погрешность из-за неидентичности приемных каналов.
Устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений, содержащее последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый делитель мощности, измеритель частоты и блок обработки результатов измерения для определения значения пеленга источника радиоизлучения и формирования управляющего сигнала для управляемого фазовращателя, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты и второй делитель мощности, а также последовательно включенные третью приемную антенну и третий усилитель высокой частоты, отличающееся тем, что в него введены два перемножителя, два фильтра низких частот, управляемый фазовращатель и измеритель разности фаз, первый и второй входы первого перемножителя соединены соответственно со вторым выходом первого делителя мощности и выходом управляемого фазовращателя, а выход - со входом первого фильтра низких частот, первый и второй входы второго перемножителя соединены соответственно с первым и вторым выходами второго делителя мощности, а выход - со входом второго фильтра низких частот, сигнальный и управляющий входы управляемого фазовращателя соединены соответственно с третьим выходом второго делителя мощности и выходом блока обработки результатов измерения для определения значения пеленга источника радиоизлучения и формирования управляющего сигнала для управляемого фазовращателя, второй и третий входы этого блока соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров низких частот, первый и второй входы измерителя разности фаз соединены соответственно с третьим выходом первого делителя мощности и выходом третьего усилителя высокой частоты, а выход - с четвертым входом блока обработки результатов измерения для определения значения пеленга источника радиоизлучения и формирования управляющего сигнала для управляемого фазовращателя, при этом фокальные оси приемных антенн параллельны и совпадают с направлением на центр сектора пеленгования.
