Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для одновременного пеленгования нескольких источников радиоизлучения. Достигаемый технический результат - повышение точности пеленгования. Способ включает прием сигналов антенной решеткой (АР), состоящей из N элементов в количестве образующихся Р групп пар. Определением свертки комплексно сопряженных амплитуд сигнала для Р пар сигналов получают их комплексные амплитуды и по ним осуществляют Р двумерных преобразований Фурье, получают Р составляющих двумерного углового спектра, выделяют максимальный модуль компоненты двумерного углового спектра, по которому судят об азимуте и угле наклона фронта волны радиосигнала. Пеленгатор содержит АР, коммутатор, приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра, вычислитель сверток, соединенные последовательно и выполненные двухканальными. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для одновременного пеленгования нескольких источников радиоизлучения.

Известен способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов пятиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решеткой, выполненной из ненаправленных антенн, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование радиосигналов многоканальным приемником, измерение разностей фаз между преобразованными сигналами, принятыми отдельными парами ненаправленных антенн, сравнение всех измеренных разностей фаз между преобразованными сигналами, по которому судят о значении пеленга. (1).

Известен также многоканальный пеленгатор, содержащий многоэлементную антенную решетку, расположенную в плоскости пеленгования, коммутатор, входы которого соединены с выходами соответствующих антенн антенной решетки, а пара выходов с парой входов двухканального приемника, пара выходов которого соединена с парой входов измерителя разности фаз, выход которого соединен с вычислителем пеленга (2).

Ограничением способа и устройства являются: недостаточно высокое качество пеленгации, что обусловлено снижением точности пеленгации при уменьшении отношения сигнал/шум, а также отсутствием в результате пеленгации информации об угле наклона фронта волны источника радиосигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование сигналов многоканальным приемником, выполненным с возможностью приема опорного сигнала и с общим гетеродином для всех каналов, получение спектральных характеристик каждого канала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, разделение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном поддиапазоне путем запоминания спектров сигналов, определения свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного диапазона, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона, и путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, выделяя максимальный модуль компоненты спектров сигналов свертки преобразования Фурье, и по значению аргумента максимального модуля компоненты суждение о значении пеленга (3).

Известен также многоканальный пеленгатор, содержащий антенную решетку, выполненную из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, коммутатор, подсоединенный к ней, приемник, подсоединенный к коммутатору и выполненный многоканальным с опорным и сигнальным каналом на своем выходе и с общим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра, вычислитель сверток, выполненные двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналом и соединенные последовательно, вычислитель пеленга, выполненный с возможностью вычисления азимута, подсоединенный своим входом к выходу вычислителя сверток, генератор синхроимпульсов, подсоединенный к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектра, вычислителя сверток, вычислителя пеленга. (3).

Ограничениями ближайшего аналога являются, во-первых, низкая точность пеленгации при сканировании в широком диапазоне частот, что обусловлено необходимостью при однозначном пеленговании ограничения межэлементного расстояния в антенной системе половиной длины минимальной волны рабочего диапазона, приводящего к усилению отрицательного влияния взаимной связи между антенными элементами, что в результате снижает качество пеленгации системы; во-вторых, отсутствие в результате пеленгации информации об угле наклона фронта волны источника радиосигнала, что также снижает качество радиопеленгации.

Решаемая изобретением задача - повышение качества пеленгации и расширение арсенала средств при пеленгации источников радиоизлучений.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - повышение точности пеленгации.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение точности и упрощение конструкции в целом за счет упрощения конструкции антенной системы.

Поставленная задача решается тем, что в способе пеленгации радиосигналов, включающем прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование сигналов многоканальным приемником, выполненным с возможностью приема опорного сигнала и с общим гетеродином для всех каналов, получение спектральных характеристик каждого канала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, разделение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном поддиапазоне путем запоминания спектров сигналов, определения свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного диапазона, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона, и путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, выделяя максимальный модуль компоненты спектров сигналов свертки преобразования Фурье, и по значению аргумента максимального модуля компоненты суждение о значении пеленга, согласно изобретению в качестве элементов антенной решетки используют идентичные ненаправленные антенны, преобразование сигналов многоканальным приемником производят последовательно во времени от пары элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в эту пару, последовательно во времени производят преобразование сигналов от следующих пар элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в следующую пару, указанным образом преобразуют сигналы со всех возможных пар элементов антенной решетки, в количестве образующихся для N элементной антенной решетки P групп пар, причем в каждой группе пары преобразование сигналов производят с элементов расстояния между которыми являются одинаковыми, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов производят путем запоминания P групп пар спектров сигналов, дополнительное определение свертки комплексно сопряженных амплитуд сигнала для P пар сигналов, получая комплексные амплитуды P пар сигналов, осуществления P двумерных преобразований Фурье по всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из P групп, получая P составляющих двумерного углового спектра, по которым формируют двумерный угловой спектр, соответствующий радиосигналу для выбранного частотного поддиапазона, путем перемножения P составляющих, выделения максимального модуля компоненты двумерного углового спектра и суждения по значению аргументов максимального модуля компоненты об азимуте и угле наклона фронта волны радиосигнала.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы: - в качестве антенной системы использовали M-кольцевую многоэлементную эквидистантную антенную решетку, выполненную с количеством M колец - не менее одного; - количество M колец выбирали не менее двух, а количество элементов на каждом кольце - одинаковым и нечетным, при этом отношение радиусов r_m+1 и r_m соседних колец выбирали бы из выражения r_m+1/r_m=a_m+ 0,5, где m = 1, 2,... M-1, a_m - целые положительные числа, не равные нулю, а взаимную ориентацию в плоскости пеленгования первых элементов соседних колец выбирали π радиан.

Поставленная задача решается, тем, что в многоканальном пеленгаторе, содержащем антенную решетку, выполненную из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, коммутатор, подсоединенный к ней, приемник, подсоединенный к коммутатору и выполненный многоканальным с опорным и сигнальным каналом на своем выходе и с общим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра, вычислитель сверток, выполненные двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналом и соединенные последовательно, вычислитель пеленга, выполненный с возможностью вычисления азимута, подсоединенный своим входом к выходу вычислителя сверток, генератор синхроимпульсов, подсоединенный к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектра, вычислителя сверток, вычислителя пеленга, согласно изобретению в качестве элементов антенной решетки использованы идентичные ненаправленные антенны, коммутатор выполнен с возможностью подключения последовательно во времени пары элементов и с возможностью подсоединения к опорному каналу одного элемента, не входящего в эту пару, генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью выдачи команды на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения коммутатором следующих пар элементов, причем в качестве одного элемента, подсоединяемого к опорному каналу, использован элемент, не входящий в следующую пару элементов, при этом вычислитель пеленга выполнен с возможностью вычисления угла наклона фронта волны радиосигнала.

Также возможны дополнительные варианты выполнения пеленгатора, в которых целесообразно, чтобы: - вычислитель пеленга был выполнен из дополнительного вычислителя сверток для вычисления интерференционных векторов, блока двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя, вычислителя аргументов компоненты двумерного углового спектра с максимальным значением модуля, соединенных последовательно, причем их синхровходы были подсоединены к синхровходу вычислителя пеленга; - антенная решетка выполнена в виде M-кольцевой многоэлементной эквидистантной антенной решетки с количеством M колец - не менее одного; - количество M колец было выбрано не меньше двух, а количество ненаправленных антенн на каждом кольце - одинаковым и нечетным, при этом отношение радиусов r_m+1 и r_m соседних колец было выбрано соответствующим выражению r_m+1/r_m= a_m+ 0,5, где m = 1, 2,...M-1, a_m - целые положительные числа, не равные нулю, а взаимная ориентация в плоскости пеленгования первых элементов соседних колец была бы выбрана равной π радиан.

За счет формирования групп пар комплексных амплитуд сигналов, соответствующих группам пар антенн антенной системы, осуществления соответствующих групп двумерных преобразований Фурье с последующим их перемножением, а также за счет структуры точек приема радиосигнала, любые пары которых имеют различную ориентацию в плоскости пеленгования (например, реализуемую кольцевой эквидистантной антенной решеткой с нечетным числом антенн), или при одинаковой ориентации - отношение межэлементных расстояний, не кратное целому числу, с максимально возможным удалением между ближайшими ненаправленными антеннами (например, реализуемое в многокольцевой многоэлементной эквидистантной антенной решетке с одинаковым нечетным количеством ненаправленных антенн на каждом кольце и с соответствующей ориентацией первых ненаправленных антенн соседних колец), а также за счет выполнения многоканального пеленгатора с коммутатором, обладающим возможностью попарного подсоединения любого его входа к любому из его выходов, введения двумерного вычислителя пеленга, удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. Поскольку способ пеленгации реализуется в процессе работы устройства, то его сущность раскрыта при описании работы многоканального пеленгатора.

Фиг. 1 изображает функциональную схему многоканального пеленгатора; фиг. 2 - схема расположения ненаправленных антенн антенной решетки в плоскости пеленгования; фиг. 3 - то же, что фиг. 2, другой вариант.

Многоканальный пеленгатор (фиг. 1) содержит антенную решетку 1, выполненную из не менее трех элементов - идентичных ненаправленных антенн. Выход каждой идентичной ненаправленной антенны соединен с соответствующими входами коммутатора 2. Коммутатор 2 соединен двумя выходами с приемником 3, выполненным двухканальным с опорным и сигнальным каналом и с общим гетеродином. Аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), блок 5 преобразования Фурье, запоминающее устройство 6 (ЗУ) компонент спектра, вычислитель 7 сверток, вычислитель 8 пеленга выполнены, как и в ближайшем аналоге, двухканальными и соединены последовательно. Генератор 9 синхроимпульстов, подсоединен к управляющему входу коммутатора 2 и к синхровходам АЦП 4, блока 5, ЗУ 6, вычислителей 7 и 8.

Антенная решетка 1 выполнена из ненаправленных антенн с идентичными характеристиками для упрощения конструкции размещенных в плоскости пеленгования на одинаковом расстоянии друг от друга. Коммутатор 2 выполнен с возможностью одновременной коммутации к приемнику 3 двух элементов. Приемник 3, АЦП 4, блок 5, ЗУ 6, вычислитель 7 выполнены двухканальными. Вычислитель 8 пеленга выполнен с возможностью вычисления угла наклона фронта волны радиосигнала.

Для дополнительного повышения точности пеленгования вычислитель 8 пеленга выполнен из дополнительного вычислителя 10 для вычисления интерференционных векторов, блока 11 двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя 12, вычислителя 13 аргументов компоненты двумерного углового спектра с максимальным значением модуля, соединенных последовательно, причем их синхровходы подсоединены к синхровходу вычислителя 8 пеленга.

Работает многоканальный пеленгатор (фиг. 1) следующим образом.

Структура антенной решетки 1, состоящей из N ненаправленных антенн (причем N ≥ 3), способна определить величины фазовых задержек ΔΦ_n1,n2 между соответствующими частотными составляющими пар сигналов, принятых всевозможными парами элементов антенной решетки 1: ΔΦ_n1,n2 = Φ_n1(t)-Φ_n2(t), где n₁ = 1, 2...N;
n₂=1, 2...N;
n₁ ≠ n₂;
Ф_n1(2)(t) - фаза частотной составляющей сигнала, принимаемого n₁₍₂₎ ненаправленной антенной, которая в общем случае представляется в виде:

где ω_k - круговая частота радиосигнала в k-ом радиоканале;
t - время;
ϕ_k(t) - закон изменения фазы, обусловленный угловой модуляцией принимаемого радиосигнала в k-ом канале;
ϕ_k0 - начальная фаза радиосигнала k-го канала в центре антенной системы 1;
λ - длина волны радиосигнала;
r_n1(2) - расстояние от центра антенной системы 1 до точки размещения n₁₍₂₎-ой антенны;
β - угол наклона фронта волны радиосигнала, т.е. угол между направлением вектора S^_→ распространения электромагнитной волны радиосигнала на плоскость пеленгования и опорным направлением OC (фиг. 2, 3), проходящим через центр антенной системы 1 O, и проекцией направления S^_→ на плоскость пеленгования;
Θ - азимут - угол между проекцией направления вектора S^_→ распространения электромагнитной волны радиосигнала на плоскость пеленгования и опорным направлением OC, проходящим через центр антенной системы 1 O и точку расположения первой ненаправленной антенны антенной системы 1;
α_n1(2) - угол ориентации n₁₍₂₎-ой ненаправленной антенны относительно выбранного опорного направления (который, например, для выбранной первой ненаправленной антенны равен нулю, т.е. α₁ = 0).
При приеме радиосигнала, характеризуемого азимутом Θ и углом β наклона фронта волны, величины ΔΦ_n1,n2 зависят как от угла γ_n1,n2 (на фиг. 2, например, показан угол ориентации γ₂₀ между второй и нулевой, например центральной ненаправленной антенной) ориентации относительно опорного направления линии, соединяющей n₂-ую и n₁-ую антенны, так и от расстояния (базы) b_n1,n2 (на фиг. 2, например, показана база b₂₃ между второй и третьей ненаправленными антеннами) между n₁-ой и n₁-ой ненаправленными антеннами, которое в общем случае описывается выражением:
b_n1,n2 = [r²_n1+r²_n2-2r_n1r_n2cos(α_n1-α_n2)]^1/2.
Осуществляя группирование пар ненаправленных антенн антенной решетки 1 по критерию равенства баз b_n1,n2 в общем случае, антенную решетку 1 можно представить как состоящую из P антенных решеток (например, кольцевых и в общем случае неэквидистантных) с радиусом b_p, где p = 1, 2,...,P. Количество элементов ненаправленных антенн на каждом сформированном таким образом колец определяется количеством неповторяющихся углов γ_n1,n2 ориентации соответствующих пар элементов антенной решетки 1. Параметр P зависит как от количества элементов N, так и от структуры антенной решетки 1 - эквидистантная, неэквидистантная, включающая центральный элемент или не включающая эквидистантный элемент. Например, для трехэлементной эквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах равностороннего треугольника N = 3, P = 1. Для трехэлементной неэквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах равнобедренного треугольника N = 3, P = 2. Для трехэлементной неэквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах треугольника с различными углами N = 3, P = 3.

Для извлечения максимальной (неповторяющейся) информации о структуре электромагнитного поля радиосигнала и обеспечения равномерной точности пеленгования по азимутальной плоскости в пределах от 0^o до 360^o целесообразно, чтобы антенная решетка 1 представляла собой в общем случае многокольцевую многоэлементную эквидистантную антенную решетку с нечетным количеством ненаправленных антенн на каждом кольце. В состав антенной решетки 1 может входить ненаправленная антенна, идентичная другим ненаправленным антеннам и размещенная в центре (в этом случае соответствующий радиус r_n1(2) полагается равным нулю).

В случае использования многокольцевой антенной решетки с числом колец два и более целесообразно, чтобы на окружностях каждого из колец антенной решетки 1 содержалось одинаковое нечетное количество элементов, а взаимная ориентация первых выбранных ненаправленных антенн соседних колец составляла π радиан. В этом случае при одинаковом диаметре колец и количестве ненаправленных антенн расстояния между ближайшими элементами антенной решетки 1 будут наибольшими, что дополнительно уменьшает отрицательное влияние взаимной связи ненаправленных антенн на результат пеленгования радиосигнала. Кроме того, выбор радиусов соседних колец антенной решетки 1 с отношениями, некратными целым положительным числам, позволяет при увеличенном более половины минимальной длины волны λ радиосигнала расстоянии между ближайшими ненаправленными антеннами (на кольце минимального радиуса) обеспечить однозначность пеленгования в азимутальной плоскости в пределах 360^o.

На фиг. 2 показана схема расположения ненаправленных антенн A_n, где n= 1, 2...N, N - общее количество элементов антенной решетки 1 одноколmцевой (M = 1) эквидинстантной четырехэлементной (N = 4) антенной решетки с минимальным нечетным количеством ненаправленных антенн на кольце, равном трем, и при наличии в центре антенной решетки центральной ненаправленной антенны. На фиг. 2 соответственно обозначены: A₀, A₁, A₂, A₃ - центральная, первая, вторая и третья ненаправленные антенны; О - центр антенной решетки; OC - опорное направление; r₁ - радиус однокольцевой антенной решетки. Для показанной антенной системы 1 целесообразно сформировать две группы пар антенн (P = 2). При этом, первая группа пар антенн имеет базу b₁ = r₁ и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₁ - A₀; A₂ - A₀; A₃ - A₀; вторая группа пар ненаправленных антенн имеет базу и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₁ - A₂; A₂ - A₃; A₃ - A₁.

На фиг. 3 показана схема расположения ненаправленных антенн A_n двухкольцевой (M = 2) эквидинстантной шестиэлементной (N = 6) антенной решетки с минимальным одинаковым нечетным количеством ненаправленных антенн на кольцах, равном трем. На фиг. 3 соответственно обозначены: A₁, A₂, A₃ - первая, вторая и третья ненаправленные антенны первого кольца радиусом r₁; A₄, A₅, A₆ - первая, вторая и третья ненаправленные антенны второго кольца радиусом r₂ = 1,5 r₁; О - центр антенной решетки; OC - опорное направление. Для показанной на фиг. 3 антенной системы 1 целесообразно сформировать четыре группы пар антенн (P =4). При этом, первая группа пар антенн имеет базу b₁ = r₁ и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₁ - A₂; A₂-A₃; A₃ - A₁; вторая группа пар ненаправленных антенн имеет базу b₂ = r₁ и включает следующие шесть пар ненаправленных антенн: A₁ - A₆; A₆ - A₂; A₂ - A₄; A₄ - A₃; A₃ - A₅ и A₅ - A₁; третья группа пар ненаправленных антенн имеет базу b₃ =(5/2)r₁ и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₁ - A₄; A₂ - A₅; A₃ - A₆; четвертая группа пар ненаправленных антенн имеет базу и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₄-A₅; A₅-A₆; A₆-A₄.

В зависимости от выбранного вида антенной системы 1 изменяются только величины сдвига фаз ΔΦ_n1,n2 и значения максимального модуля компоненты двумерного углового спектра радиосигнала, поэтому вычислитель 8 пеленга отличается в случае использования различных антенных систем 1 только некоторым различием решаемых математических выражений, однако сами функции и функциональные связи между дополнительным вычислителем 10 для вычисления интерференционных векторов, блоком 11, перемножителем 12 и вычислителем 13 при этом не изменяются.

Совокупности радиосигналов от различных пеленгуемых источников с выходов антенной решетки 1 поступают на соответствующие входы коммутатора 2, который одновременно во времени пропускает из всей совокупности выходов антенной решетки 1 пару сигналов на пару входов приемника 3. Последовательно во времени на пару входов приемника 3 пропускаются другие пары сигналов с выходов антенной решетки 1. При этом, на сигнальный вход приемника 3 пропускаются радиосигналы с выходов всех элементов антенной решетки 1, а на опорный вход приемника 3 - радиосигналы с выхода таких элементов, которые не входят в сформированные вышеизложенным образом пары ненаправленных антенн антенной решетки 1. Кроме того, для каждой сформированной пары сигналов элементов антенной решетки 1, последовательно во времени подключаемых к сигнальному входу приемника 3, сигналы антенной решетки 1, подключаемые к опорному каналу приемника 3, поступают с одной (общей) ненаправленной антенны для каждой вышеуказанной пары элементов.

Последовательность подключения ненаправленных антенн посредством коммутатора 2 к сигнальному (обозначенному индексом с) и опорному (обозначенному индексом о) каналам приемника 3 может быть рассмотрена на примере четырехэлеметной антенной решетки 1 (фиг. 2), а группы пар могут быть сформированы, например, следующим образом. В первый момент времени t₁ пусть ненаправленная антенна A₁ подключается к сигнальному входу приемника 3 A_1C(t₁) и одновременно, в этот же момент времени t₁, ненаправленная антенна A₃ подключается к опорному входу приемника 3 A_3O(t₁). To есть одновременно подключенной парой ненаправленных антенн является пара A_1C(t₁) - A_3O(t₁). Аналогичным образом в другие моменты времени t₂, t₃... получаем следующие подключенные пары ненаправленных антенн: A_0C(t₂) - A_3O(t₂), A_2C(t₃) - A_3O(t₃), A_3C(t₄) - A_1O(t₄), A_0C(t₅) - A_1O(t₅), A_2C(t₆) - A_1O(t₆), A_1C(t₈) - A_2O(t₈). Таким образом, для пар ненаправленных антенн A₁ - A₀, последовательно во времени подключаемых коммутатором 2 к сигнальному входу приемника 3, общей антенной, подключенной к опорному входу приемника 3, является антенна A₃, то есть для A₁ - A₀ (A₃) и аналогично для других пар ненаправленных антенн: A₂ - A₀ (A₃), A₃ - A₀ (A₁), A₁ - A₂ (A₃), A₂ - A₃ (A₁), A₃ - A₁ (A₂).

Для описанного варианта и других возможных вариантов подключения ненаправленных антенн антенной системы 1 возможная иная последовательность подключения ненаправленных антенн к входам приемника 3, однако сами функции и функциональные связи коммутатора 2 в составе многоканального пеленгатора не изменяются.

Радиосигналы, поступившие на входы приемника 3, переносятся на промежуточную частоту, а при необходимости на видеочастоту. С пары выходов приемника 3 сигналы поступают на соответствующую пару входов АЦП 4, где синхронно преобразуют сигналы промежуточной частоты в цифровые сигналы, соответствующие радиосигналам, и эти последовательности отсчетов с пары выходов АЦП 4 объемом N_n каждая поступают на соответствующую пару входов блока 5 преобразования Фурье (дискретного), на паре выходов которого получают цифровые сигналы, характеризующие спектры совокупностей сигналов от пеленгуемых источников в сигнальном и опорном трактах объемом N_n комплексных отсчетов каждый. В дальнейшем для упрощения обработки используют только N_n/2 комплексных отсчетов каждого спектра, а остальные N_n/2 отсчетов, соответствующих отрицательным частотам, полагают равными нулю. Спектр для k-го радиоканала соответствует сигналу от k-го источника.

Сигналы в k-ом радиоканале для сигнального и опорного трактов может быть представлен следующими выражениями:

где U_1k и - U_2k - амплитуды принимаемого радиосигнала в сигнальном (индекс 1) и опорном (индекс 2) k-ых каналах,
ϕ_пр1(к) и ϕ_пр2(к) - фазовая задержка сигнала в сигнальном и опорном k-ых каналах,
n₁ = 1, 2,...N; n₂ = 1, 2,...N; n₃ = 1, 2,...N; n₁ ≠ n₂ ≠ n₃;
Ф_n1(2)(t) - фаза сигнала, принимаемого n₁₍₂₎-ой ненаправленной антенной (описываемая ранее приведенным выражением);
Ф_n3(t) - фаза сигнала, принимаемого n₃-ой ненаправленной антенной, являющейся общей по крайней мере для двух антенн: n₁-ой и n₂-ой.

Значения центральных частот f_k радиоканалов в полосе анализа df и ширина радиоканала dF априорно известны. Полоса анализа df определяется принятой аппаратной реализацией. В ЗУ 6 получают цифровые сигналы, соответствующие компонентам спектров в полосе анализа df для сигнального и опорного каналов, при этом поскольку сигналы выражены в цифровой форме каждой компоненте спектра соответствует порядковый номер, соответствующей частоте компоненты, и номер величины амплитуды, проградуированный в соответствии со значением компоненты амплитуды спектра.

В результате на каждом из двух выходов ЗУ 6 получают совокупности цифровых сигналов, соответствующие принятым значениям номеров радиоканалов {k} (1 < k < k_max, k_max = df/dF), в которых обнаружены радиосигналы. Каждому из этих номеров соответствуют значения границ радиоканала, пересчитанные в номера компонент спектра с учетом полосы анализа df, объема N_n и ширины радиоканала dF, например при df = 4 мГц и dF = 25 кГц ---> k_max = 160. Если N_n = 4000 в результате дискретного преобразования Фурье получают 2000 пар комплексных отсчетов спектра, следующих через DF = df/(N_n/2) = 2 кГц, при этом на один канал приходится q_max = (df/DF+1), т.е. 13 комплексных отсчетов, каждый из которых включает действительную и мнимую компоненты или модуль и фазу спектрального отсчета. Присваивая компонентам спектра соответствующие номера, на каждом из двух выходов ЗУ 6 получают совокупности номеров компоненты спектра, соответствующих границам радиоканалов с сигналами n'_min(1), n'_max(1); n'_min(2), n'_max(2);... n'_min(k), n'_max(k).

Цифровые сигналы с пары выходов ЗУ 6 поступают на соответствующую пару входов вычислителя 7 сверток. В вычислителе 7 для каждого радиоканала, в котором обнаружены сигналы, производится операция сверки S_СВ спектра сигнала сигнального тракта с комплексно сопряженным спектром сигнала опорного тракта в соответствии с выражением (вычисляется только нулевая спектральная составляющая свертки, так как остальные равны нулю):

где k - номер радиоканала с сигналами, 1≅k≅k_max;
i - текущий индекс при суммировании, n'_min(k) ≅ i ≅ n'_max(k);
n₁₍₂₎, n₃ - номера ненаправленных антенн, n₁ = 1, 2,...N; n₂ = 1, 2,... N; n₃ = 1, 2,...N; n₁ ≠ n₂ ≠ n₃.

Операция свертки спектров, производимая в вычислителе 7, позволяет выделить спектральную составляющую, соответствующую немодулированной несущей пеленгуемого сигнала, принятого в радиоканале с номером k. Данная операция соответствует перемножению сигналов сигнального и опорного трактов во временной области и приводит к устранению собственной модуляции в принятом радиосигнале, т.е. с учетом ранее приведенных математических выражений:

где

В результате выполнения операции свертки получаются комплексные амплитуды сигнала в k-ом радиоканале с n₁₍₂₎-ых ненаправленных антенн, отсчитанные относительно сигнала с n₃-их ненаправленных антенн, включающих информацию о пеленге и неидентичности фазовых сдвигов сигнала в каналах приема:

Таким образом, в результате обработки сигналов в вычислителе 7 уже получают информацию о пеленге, а именно об азимуте и угле наклона фронта волны от пеленгуемого источника. Эта информация в принципе может быть обработана различным образом в вычислителе 8 пеленга, однако для дополнительного повышения точности измерений и упрощения конструкции его целесообразно выполнять по приведенной на фиг. 1 функциональной схеме.

Цифровые сигналы с выхода вычислителя 7 в этом случае поступают на вход дополнительного вычислителя 10 сверток для вычисления интерференционных векторов пар сигналов, реализующего выполнение операции сверки комплексных амплитуд пар сигналов в k-ом радиоканале с n₁-ых и n₂-ых элементов антенной решетки 1 в соответствии с выражением:

где интерференционный вектор пары сигналов в k-ом радиоканале с n₁-ой и n₂-ой ненаправленной антенны, который описывается выражением:

В результате выполнения операции свертки на выходе вычислителя 10 получаются интерференционные вектора пар сигналов, зависящие только от координат расположения элементов антенной решетки 1 и пеленга радиосигнала и не зависящие от неидентичности фазовых сдвигов ϕ_пр1(к) и ϕ_пр2(к) сигнала в каналах приема. Эти сигналы поступают на вход блока 11 двумерного преобразования Фурье (дискретного) интерференционных векторов.

В блоке 11 вычисляются P двумерных угловых спектров сигнала в k-ом радиоканале в соответствии с выражением:

где p=1, 2...P - порядковый номер углового спектра сигнала, полученного по всем N_p парам сигналов, принятых n₁-ыми и n₂-ыми элементами антенной решетки 1, имеющих одинаковую базу b_p= b_n1,n2= const_p;
1_p = 1, ...N_p - порядковый номер пары n₁-ого и n₂-ого элементов, удовлетворяющих указанному выше условию;
L_ΘdΘ - аргумент азимута углового спектра, 0 ≅ L_Θ ≅ L_Θmax-1, dΘ - шаг вычисления азимута углового спектра, dΘ = 2π/L_Θmax;
L_βdβ - аргумент угла наклона фронта волны углового спектра, 0 ≅ L_β ≅ L_βmax-1;
dβ - шаг вычисления угла наклона фронта волны углового спектра, dβ = π/2L_βmax;
Φ_lp(L_Θ,L_β) - сдвиг фаз между сигналами, принимаемыми n₁-ой и n₂-ой ненаправленными антеннами для k-ого канала, определяемый выражением:

Сигналы, соответствующие P двумерным угловым спектрам сигнала в k-ом радиоканале, с выхода блока 11 поступают на вход двумерного перемножителя 12, где производится операция перемножения всех P двумерных угловых спектров:

Компоненты двумерного углового спектра сигнала для k-ого радиоканала с выхода двумерного перемножителя 12 поступают на вход вычислителя 13, где производится определение значений азимута Θ и угла β наклона фронта волны радиосигнала k-ого радиоканала как аргументов L_ΘdΘ и L_βdβ, соответствующих наибольшему значению модуля компоненты двумерного углового спектра Q_max(L_ΘdΘ,L_βdβ) = |F_k(L_ΘdΘ, L_βdβ)|_max по всем значениям
Синхронизация описанных действий над сигналами в коммутаторе 2, АЦП 4, блоке 5, ЗУ 6, вычислителе 6, а также в элементах вычислителя 8 производится по синхроимпульсам, поступающим с выхода генератора 9 на управляющий вход коммутатора 2 и синхровходы остальных блоков.

Шаг аргументов dΘ, dβ при вычислении двумерного углового спектра определяется требуемой инструментальной точностью многоканального пеленгатора.

Таким образом, за счет формирования групп пар комплексных амплитуд сигналов, соответствующих группам пар ненаправленных антенн антенной системы 1, разнесенных на одинаковые расстояния, определения по соответствующим группам пар сигналов нескольких независимых компонент двумерного углового спектра с последующим их перемножением сужается основной лепесток и уменьшаются уровни боковых лепестков результирующего углового спектра радиосигнала, что приводит, во-первых, к повышению точности пеленгования (особенно в случае пеленгования радиосигналов при относительно низких отношениях сигнал/шум(помеха), во-вторых, к возможности увеличения при фиксированном уровне боковых лепестков межэлементного расстояния в антенной решетке антенной системы 1 более половины минимальной длины волны радиосигнала, что ослабляет отрицательное влияние взаимной связи ненаправленных антенн в антенной системе 1 и соответственно приводит к дополнительному повышению точности пеленгования.

Наиболее эффективно сужение основного лепестка и уменьшение уровней боковых лепестков результирующего углового спектра радиосигнала наблюдается при использовании многокольцевой эквидистантной антенной решетки, на окружностях каждого из колец которой содержится одинаковое нечетное количество ненаправленных антенн с отношением радиусов соседних колец, не кратным целым числам. Возможность увеличения расстояния между ближайшими ненаправленными антеннами в антенной системе 1 при сохранении однозначности пеленгования в азимутальной плоскости в пределах от 0 до 360^o зависит от общего количества ненаправленных антенн. Так, например, для 4-х и 6-ти элементных решеток (фиг. 2, 3) межэлементное разнесение ненаправленных антенн может быть увеличено на 15% и 100% относительно максимального межэлементного разнесения (половина длины минимальной волны радиосигнала) в антенной системе 1 ближайшего аналога. При меньшем (в среднем в два раза) количестве ненаправленных антенн может быть достигнута требуемая апертура (диаметр) антенной решетки, что приводит к существенному упрощению конструкции.

Наиболее успешно заявленные способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор могут быть использованы в радиотехнике при поиске несанкционированных излучений и пеленговании источников, в радиоконтроле аналоговых и цифровых систем связи и измерении параметров сигналов, при работе в составе систем определения местоположения.

Источники информации:
1. Заявка Великобритании N 2140238, G 01 S 3/48, опубл. 1984 г.

2. Заявка Германии N4128191, G 01 S 3/46, опубл 1993 г.

3. Патент Российской Федерации N 2096793, G 01 S 3/14, опубл. 1997 г.

Формула изобретения

1. Способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, преобразование сигналов многоканальным приемником, выполненным с возможностью приема опорного сигнала и с общим гетеродином для всех каналов, получение спектральных характеристик каждого канала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала, разделение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном диапазоне путем запоминания спектров сигналов, определения свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного диапазона, получая комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона, и путем осуществления преобразования Фурье по всем каналам, выделяя максимальный модуль компоненты спектров сигналов свертки преобразования Фурье, отличающийся тем, что в качестве элементов антенной решетки используют идентичные ненаправленные антенны, преобразование сигналов многоканальным приемником производят последовательно во времени от пары элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в эту пару, последовательно во времени производят преобразование сигналов от следующих пар элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в следующую пару, указанным образом преобразуют сигналы со всех возможных пар элементов антенной решетки, в количестве образующихся для N элементной антенной решетки Р групп пар, причем в каждой группе пары преобразование сигналов производят с элементов, расстояния между которыми являются одинаковыми, сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов производят путем запоминания Р групп пар спектров сигналов, дополнительное определение сверстки комплексно сопряженных амплитуд сигнала для Р пар сигналов, получая комплексные амплитуды Р пар сигналов, осуществления Р двумерных преобразований Фурье по всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из Р групп, получая Р составляющих двумерного углового спектра, по которым формируют двумерный угловой спектр, соответствующий радиосигналу для выбранного частотного поддиапазона, путем перемножения Р составляющих, выделения максимального модуля компоненты двумерного углового спектра, и суждения по значению аргументов максимального модуля компоненты об азимуте и угле наклона фронта волны радиосигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве антенной системы используют М-кольцевую многоэлементную эквидистантную антенную решетку, выполненную с количеством М колец не менее одного.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что количество М колец выбирают не менее двух, а количество элементов на каждом кольце - одинаковым и нечетным, при этом отношение радиусов r_m+1 и r_m соседних колец выбирают из выражения r_m+1/r_m = a_m + 0,5, где m = 1, 2, ...... М-1, а_m - целые положительные числа, не равные нулю, а взаимную ориентацию в плоскости пеленгования первых элементов соседних колец выбирают π радиан.

4. Многоканальный пеленгатор, содержащий антенную решетку, выполненную из N элементов в количестве не менее трех, расположенных в плоскости пеленгования, коммутатор, подсоединенный к ней, приемник, подсоединенный к коммутатору и выполненный многоканальным с опорным и сигнальным каналом на своем выходе и с общим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра, вычислитель сверток, выполненные двухканальными соответственно с опорным и сигнальным каналом и соединенные последовательно, вычислитель пеленга, выполненный с возможностью вычисления азимута, подсоединенный своим входом к выходу вычислителя сверток, генератор синхроимпульсов, подсоединенный к управляющему входу коммутатора и к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, запоминающего устройства компонент спектра, вычислителя сверток, вычислителя пеленга, отличающийся тем, что в качестве элементов антенной решетки использованы идентичные ненаправленные антенны, коммутатор выполнен с возможностью подключения последовательно во времени пары элементов и с возможностью подсоединения к опорному каналу одного элемента, не входящего в эту пару, генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью выдачи команды на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения коммутатором следующих пар элементов, причем в качестве одного элемента, подсоединяемого к опорному каналу, использован элемент, не входящий в следующую пару элементов, при этом вычислитель пеленга выполнен с возможностью вычисления угла наклона фронта волны радиосигнала.

5. Многоканальный пеленгатор по п.4, отличающийся тем, что вычислитель пеленга выполнен из дополнительного вычислителя сверток для вычисления интерференционных векторов, блока двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя, вычислителя аргументов компоненты двумерного углового спектра с максимальным значением модуля, соединенных последовательно, причем их синхровходы подсоединены к синхровходу вычислителя пеленга.

6. Многоканальный пеленгатор по п.4, отличающийся тем, что антенная решетка выполнена в виде М-кольцевой многоэлементной эквидистантной антенной решетки с количеством М колец - не менее одного.

7. Многоканальный пеленгатор по п.6, отличающийся тем, что количество М колец выбрано не меньше двух, а количество ненаправленных антенн на каждом кольце одинаковым и нечетным, при этом отношение радиусов r_m+1 и r_m соседних колец выбрано соответствующим выражению r_m+1/r_m = a_m, где m = 1, 2, ...... М-1, a_m - целые положительные числа, не равные нулю, а взаимная ориентация в плоскости пеленгования первых элементов соседних колец выбрана равной π радиан.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3