Способ измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля для измерения напряженности электромагнитного поля (ЭМП) радиосигналов. Технический результат - обеспечение измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов. Способ включает одновременный прием сигналов антенной решеткой (АР), состоящей из N элементов с количеством 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 и путем их перемножения получают результирующий двумерный угловой спектр. Выделяют максимальный модуль компоненты действительной части двумерного углового спектра, по которому судят о напряженности электромагнитного поля радиосигналов. Устройство содержит АР, калибровочный генератор, антенный коммутатор, двухканальные приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство и вычислитель сверток, формирователь диаграмм направленности, блоки для определения коэффициентов усиления приемника, вычислитель напряженности поля и генератор синхроимпульсов. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля для измерения напряженности электромагнитного поля (ЭМП) радиосигналов.

Известен способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор (Патент Российской Федерации 2144200, G 01 S 3/14, опубл. 2000 г.).

Известный способ включает прием радиосигналов антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов в количестве не менее трех, 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 поддиапазона с получением комплексных амплитуд сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона, формирования двумерных угловых спектров сигналов всем каналам и выделения максимальных модулей действительной части двумерных угловых спектров, аргументы которых соответствуют азимутам и углам наклона фронта волны радиосигналов.

Упомянутое преобразование сигналов многоканальным приемником производят последовательно во времени от пары антенных элементов, причем 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 пар преобразование сигналов производят с антенных элементов, расстояния между которыми являются одинаковыми. Упомянутое формирование двумерных угловых спектров сигналов производят путем запоминания Р групп пар спектров сигналов, дополнительного определения свертки их комплексно сопряженных амплитуд, получая комплексные амплитуды Р пар сигналов, осуществления Р двумерных преобразований Фурье ко всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из Р групп, получая Р составляющих двумерно углового спектра, и перемножения Р составляющих двумерного углового спектра.

Известный многоканальный пеленгатор, содержит 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 и угла наклона фронта электромагнитных волн радиосигналов, 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, причем 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 команд на управляющий вход коммутатора для последовательного во времени подключения коммутатором следующих пар элементов, причем в качестве одного антенного элемента, подсоединяемого к опорному каналу, используется элемент, не входящий в следующую пару антенных элементов.

Эти указанные способ и устройство не позволяют измерить напряженность электромагнитного поля радиосигналов, т. к. до настоящего времени из уровня техники не были известны операции и технические средства, позволяющие произвести такое измерение. Кроме того, при проведении дополнительных операций калибровки приемника с целью получения его коэффициента усиления и калибровки антенной решетки с целью получения ее действующей высоты, которые обычно необходимы для измерения напряженности ЭМП (см., например, Курганов Л.С. , Шаров Э.Э. Техника измерения напряженности поля радиоволн. - М.: Радио и связь, 1982, с.7-18), и введении их непосредственно в упомянутый пеленгатор неизвестна зависимость, по которой можно оценить напряженность ЭМП.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, включающий одновременный прием радиосигналов направленной антенной с известной действующей высотой, последовательное во времени преобразование каждого радиосигнала приемником с известным коэффициентом усиления и полосой пропускания, соответствующей частному поддиапазону каждого радиосигнала, определение параметров каждого радиосигнала, по которым судят о направлении распространения электромагнитного поля каждого радиосигнала, включающий последовательное во времени измерение амплитуд выходных сигналов приемника при сканировании направленной антенны в азимутальной и угломестной плоскостях, сравнение измеренных амплитуд сигналов с целью выбора из них максимального значения, по которому с учетом действующей высоты направленной антенны и коэффициента усиления приемника судят о напряженности электромагнитного поля радиосигналов (Курганов Л. С. , Шаров Э.Э. Техника измерения напряженности поля радиоволн. - М.: Радио и связь, 1982, с.7-18).

Известно также устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, содержащее направленную антенну, выполненную с возможностью сканирования по азимуту и углу места, антенный коммутатор, прибор для регистрации напряженности электромагнитного поля, выполненный в виде последовательно соединенных вольтметра и устройства сравнения, калибровочный генератор, датчик амплитуды калибровочного сигнала, делитель, запоминающее устройство коэффициентов усиления приемного устройства, датчик уровня калибровочной напряженности поля, устройство ориентации направленной антенны, запоминающее устройство действующих высот направленной антенны и генератор синхроимпульсов, выход которого подсоединен к управляющим входам антенного коммутатора, приемного устройства, устройства ориентации направленной антенны, калибровочного генератора, запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства и устройства сравнения.

Причем выходы направленной антенны и калибровочного генератора подсоединены к паре входов антенного коммутатора, выход которого подсоединен к последовательно соединенным приемному устройству и вольтметру, кроме того, выход калибровочного генератора подсоединен к входу датчика амплитуды калибровочного сигнала, выход которого совместно с выходом вольтметра подсоединен к паре входов делителя, выход которого подсоединен к входу запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства, выход которого совместно с выходом датчика уровня калиброванной напряженности поля подсоединен к соответствующим входам устройства сравнения (Заявка Японии (JP) 61-8950, G 01 R 29/08, опубл. 1986 г.).

Ограничением ближайших аналогов способа и устройства является невысокое качество измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, обусловленное: во-первых, низким быстродействием, что связано с необходимостью последовательного во времени преобразования приемником каждого измеряемого радиосигнала и ориентации направленной антенны в направлении прихода электромагнитной волны радиосигнала; во-вторых, погрешностями измерений напряженности ЭМП радиосигналов в случае одновременного приема сигналов от нескольких источников радиоизлучения, частотные составляющие которых полностью или частично попадают в полосу пропускания приемника; в-третьих, погрешностями измерений напряженности ЭМП широкополосных радиосигналов, ширина полосы которых превосходит ширину полосы пропускания приемника.

Кроме того, ограничением ближайших аналогов является сложность конструкции направленной антенны, связанная с необходимостью сканирования в азимутальной и угломестной плоскостях и обеспечения требуемой формы диаграммы направленности при функционировании в широком диапазоне частот. Отмеченные недостатки ограничивают возможности использования указанных способа и устройства при измерении напряженности ЭМП кратковременных и импульсных радиосигналов, радиосигналов с расширенным спектром радиочастот, в частности - радиосигналов со скачкообразным изменением частоты, а также при проведении измерений в условиях сложной радиоэлектронной обстановки, в частности в городских условиях.

Решаемая изобретением задача - повышение качества измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов при одновременном обеспечении возможности измерения напряженности ЭМП кратковременных и импульсных радиосигналов, радиосигналов с расширенным спектром радиочастот, в частности - радиосигналов со скачкообразным изменением частоты.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - повышение точности и быстродействия измерения напряженности ЭМП радиосигналов.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - снижение погрешностей измерения напряженности ЭМП радиосигналов, повышение быстродействия и упрощение конструкции устройства в целом за счет существенного упрощения конструкции направленной антенны.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, включающем прием радиосигналов направленной антенной с известной действующей высотой, преобразование радиосигналов приемником с известным коэффициентом усиления, определение параметров каждого радиосигнала, по которым судят о направлении распространения электромагнитного поля каждого радиосигнала и о напряженности электромагнитного поля радиосигналов, согласно изобретению в качестве направленной антенны используют антенную решетку, состоящую из N идентичных ненаправленных антенных элементов в количестве не менее трех, с использованием дополнительного приемника обеспечивают двухканальный синхронный прием и преобразование радиосигналов одновременно от двух антенных элементов, при преобразовании радиосигналов получают спектральные характеристики каждого радиосигнала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов, разделяют их на выбранные частотные поддиапазоны, получая пары комплексных спектров каждого из одновременно принятых радиосигналов, и определяют свертки пар комплексно сопряженных спектров каждого радиосигнала, нормированные относительно амплитудных спектров радиосигналов дополнительного приемника, принимаемые за опорные, преобразование радиосигналов приемником производят последовательно во времени от пары антенных элементов.

При этом последовательно во времени производят преобразование опорных радиосигналов дополнительным приемником от одного антенного элемента, не входящего в эту пару, последовательно во времени приемником производят преобразования радиосигналов от следующих пар антенных элементов, при этом одновременно дополнительным приемником производят преобразование опорных радиосигналов от одного антенного элемента, не входящего в следующую пару, указанным образом преобразуют радиосигналы со всех возможных пар антенных элементов в количестве образующихся для N-элементной антенной решетки Р групп пар.

Причем в каждой группе пар преобразование сигналов производят с антенных элементов, расстояния между которыми являются одинаковыми, определение параметров, по которым судят о направлении распространения каждого радиосигнала, производят путем запоминания Р групп пар спектральных характеристик каждого радиосигнала, перемножения комплексно сопряженных спектральных характеристик для каждой группы пар, получая комплексные амплитуды Р групп пар сигналов, осуществляют Р двумерных преобразований Фурье по всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из Р групп, получая Р составляющих двумерного углового спектра каждого радиосигнала, по которым для каждого радиосигнала путем перемножения его Р составляющих формируют двумерный угловой спектр, аргументами которого являются азимут Θ и угол β наклона фронта электромагнитной волны каждого радиосигнала, соответствующий диаграмме направленности антенной решетки для каждого принятого радиосигнала, выделяют максимальные модули Q_k и соответствующие углам наклона фронта электромагнитной волны аргументы действительных частей двумерных угловых спектров каждого радиосигнала и определяют напряженность Е_k электромагнитного поля каждого k-гo радиосигнала в соответствии с выражением где k - номер частотного поддиапазона, соответствующий k-му радиосигналу; K_k - коэффициент усиления приемника для k-гo частотного поддиапазона; G_k,β - действующая высота антенной решетки для k-гo частотного поддиапазона и угла β наклона фронта электромагнитной волны.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, содержащее направленную антенну, антенный коммутатор, приемное устройство, прибор для регистрации напряженности электромагнитного поля, калибровочный генератор, датчик амплитуды калибровочного сигнала, делитель, запоминающее устройство коэффициентов усиления приемного устройства, датчик уровня калиброванной напряженности поля и генератор синхроимпульсов, выход которого подсоединен к управляющим входам антенного коммутатора, приемного устройства, прибора для регистрации напряженности электромагнитного поля, калибровочного генератора и запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства, причем выход калибровочного генератора подсоединен к объединенным одному из входов антенного коммутатора и входу датчика амплитуды калибровочного сигнала, выход которого подсоединен к одному из пары входов делителя, выход которого подсоединен к входу запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства, согласно изобретению введены формирователь диаграмм направленности, управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора синхроимпульсов, и функциональный преобразователь вида выход которого подсоединен к другому входу пары входов делителя.

В качестве направленной антенны используют антенную решетку, состоящую из N антенных элементов, идентичных и ненаправленных, в количестве не менее трех и расположенных в азимутальной плоскости, приемное устройство выполнено двухканальным с сигнальным и опорным каналами и с общим гетеродином и включает в себя двухканальный приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра и вычислитель сверток, последовательно соединенные, причем выходы сигнального и опорного каналов блока преобразователя Фурье, входы и выходы сигнального и опорного каналов запоминающего устройства компонент спектра и входы сигнального и опорного каналов вычислителя сверток выполнены двухканальными, синхровходы двухканальных аналого-цифрового преобразователя, блока преобразователя Фурье, запоминающего устройства компонент спектра вычислителя сверток подсоединены к управляющему входу приемного устройства, а пара входов двухканального приемника и пара выходов вычислителя сверток являются соответственно входами сигнального и опорного каналов и парой выходов приемного устройства.

Выходы N антенных элементов подсоединены соответственно к N входам антенного коммутатора, антенный коммутатор выполнен с (N+1) входами и парой выходов с возможностью по соответствующим командам управления от генератора синхроимпульсов подсоединения последовательно во времени его одного входа от калибровочного генератора одновременно к его паре выходов и синхронного подсоединения последовательно во времени любой пары других его N входов от N антенных элементов к паре его выходов, пара выходов антенного коммутатора подсоединена к соответствующей паре входов приемного устройства, пара выходов которого подсоединена к соответствующим парам входов функционального преобразователя вида и формирователя диаграмм направленности, генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью подачи на управляющий вход антенного коммутатора команды для подключения выхода калибровочного генератора к входам сигнального и опорного каналов приемного устройства, команд для последовательного во времени подключения выходов пары антенных элементов к входу сигнального канала, а выхода одного антенного элемента, не входящего в эту пару, к входу опорного канала приемного устройства, а также команд для последовательного во времени подключения выходов следующих пар антенных элементов к входу сигнального канала, а выхода одного антенного элемента, не входящего в следующую пару, к входу опорного канала приемного устройства.

В качестве прибора для регистрации напряженности электромагнитного поля используют вычислитель напряженности поля, первый, второй, третий, четвертый и управляющий входы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам формирователя диаграмм направленности, выходу датчика уровня калиброванной напряженности поля, выходу запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства и выходу генератора синхроимпульсов, при этом вычислитель напряженности поля выполнен с возможностью по соответствующей команде управления от генератора синхроимпульсов определения при калиброванной напряженности поля действующей высоты антенной решетки.

Также возможны дополнительные варианты выполнения устройства для измерения напряженности электромагнитного поля, в которых целесообразно, чтобы: - формирователь диаграмм направленности был выполнен из вычислителя интерференционных векторов, блока двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя и вычислителя максимальной компоненты двумерного углового спектра, соединенных последовательно, причем их синхровходы были подсоединены к управляющему входу формирователя диаграмм направленности, а пара входов вычислителя интерференционных векторов и пара выходов вычислителя максимальной компоненты двумерного углового спектра являлись соответственно парами входов и выходов формирователя диаграмм направленности; - вычислитель напряженности поля был выполнен из Р последовательно соединенных функциональных преобразователей вида где Р - количество групп пар элементов антенной решетки, расстояния между которыми одинаковые, первого и второго дополнительных делителей, первого и второго коммутаторов и запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, причем выход Р-го функционального преобразователя вида подсоединен к первому входу первого дополнительного делителя, выход которого совместно с выходом первого коммутатора подсоединен соответственно к первому и второму входам второго делителя, выход которого подсоединен к входу второго коммутатора, второй выход которого подсоединен к второму входу запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, выход которого подсоединен к второму входу первого коммутатора, управляющий вход которого совместно с управляющими входами второго коммутатора и запоминающего устройства действующих высот антенной решетки подсоединен к управляющему входу вычислителя напряженности поля, причем вход первого функционального преобразователя вида первый вход запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, первый вход первого коммутатора, второй вход первого дополнительного делителя и первый выход второго коммутатора служат соответственно первым, вторым, третьим, четвертым входами и выходом вычислителя напряженности поля.

Решение поставленной задачи с достижением технического результата обусловлено следующим.

Во-первых, за счет одновременного преобразования приемником совокупности радиосигналов во всех частотных поддиапазонах, соответствующих каждому принятому радиосигналу, повышается быстродействие как способа, так и устройства, его реализующего.

Во-вторых, за счет синхронного приема и преобразования радиосигналов одновременно от двух ненаправленных антенных элементов решетки обеспечивается возможность формирования направленных диаграмм направленности, каждая из которых ориентируется путем электрического сканирования в направлении приема соответствующего радиосигнала, что также повышает быстродействие способа и устройства.

В-третьих, за счет формирования групп пар нормированных комплексных амплитуд сигналов, соответствующих группам пар антенной решетки, осуществления соответствующих групп двумерных преобразований Фурье с последующим их перемножением обеспечивается возможность формирования диаграмм направленности с высоким коэффициентом направленного действия, что позволяет повысить точность ориентации синтезируемых диаграмм направленности антенной решетки в направлении приема электромагнитных волн радиосигналов и увеличить действующую высоту направленной антенны, что повышает точность измерения напряженности электромагнитного поля.

В-четвертых, за счет выполнения устройства с сигнальным и опорным каналами приемника, с антенным коммутатором, обладающим возможностью попарного подсоединения любого его входа к любому из его выходов, введения формирователя диаграмм направленности, осуществляющего вычисление двумерных угловых спектров с возможностью вычисления максимальной компоненты действительной части двумерного углового спектра с определением ее аргумента, выполнение прибора для регистрации напряженности электромагнитного поля в виде соответствующего вычислителя, учитывающего структуру формируемых диаграмм направленности, обеспечивает возможность использования в качестве направленной антенны антенной решетки, состоящей из совокупности ненаправленных антенных элементов, без необходимости ее ориентации в пространстве механическим способом, что существенно упрощает конструкцию направленной антенны и устройства в целом и повышает быстродействие проведения измерений напряженности электромагнитного поля.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры. Поскольку способ измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов реализуется в процессе работы устройства, то его сущность раскрыта при описании работы устройства для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов.

Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов; фиг.2 - функциональную схему формирователя диаграмм направленности; фиг.3 - функциональную схему вычислителя напряженности поля; фиг. 4 - схему расположения ненаправленных антенн антенной решетки в азимутальной плоскости.

На фиг. 1 показаны: антенная решетка 1; калибровочный генератор 2; антенный коммутатор 3; приемное устройство 4; датчик 5 амплитуды калибровочного сигнала; делитель 6; запоминающее устройство 7 коэффициентов усиления приемного устройства; формирователь 8 диаграмм направленности; функциональный преобразователь 9 вида датчик 10 уровня калиброванной напряженности поля; вычислитель 11 напряженности поля; генератор 12 синхроимпульсов; двухканальный приемник 13; двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14; двухканальный блок 15 преобразования Фурье; двухканальное запоминающее устройство (ЗУ) 16 компонент спектра; вычислитель 17 сверток.

Устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов (фиг. 1) содержит антенную решетку 1, выполненную из не менее трех элементов - идентичных ненаправленных антенн, калибровочный генератор 2, причем выход калибровочного генератора 2 и выходы каждой идентичной ненаправленной антенны соединены с соответствующими входами антенного коммутатора 3. Коммутатор 3 соединен двумя выходами с приемным устройством 4, выполненным двухканальным с сигнальным и опорным каналами и с общим гетеродином. Выход калибровочного генератора 2, кроме того, соединен с входом датчика 5 амплитуды калибровочного сигнала, выход которого соединен с одним из входов делителя 6, выход которого соединен с входом запоминающего устройства 7 коэффициентов усиления приемного устройства. Пара выходов приемного устройства 4 соединена с соответствующими парами входов формирователя 8 диаграмм направленности и функционального преобразователя 9 вида выход которого соединен с другим входом делителя 6. Первый и второй выходы формирователя 8 диаграмм направленности, выход датчика 10 уровня калиброванной напряженности и выход запоминающего устройства 7 коэффициентов усиления приемного устройства соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым входами вычислителя 11 напряженности поля, управляющий вход которого совместно с управляющими входами калибровочного генератора 2, антенного коммутатора 3, приемного устройства 4, запоминающего устройства 7 коэффициентов усиления приемного устройства и формирователя 8 диаграмм направленности соединен с выходом генератора синхроимпульсов 12.

Приемное устройство 4 содержит двухканальные приемник 13, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14, блок 15 преобразования Фурье, запоминающее устройство (ЗУ) 16 компонент спектра, вычислитель 17 сверток, последовательно соединенные. Выходы сигнального и опорного каналов блока 15 преобразования Фурье, входы и выходы сигнального и опорного каналов ЗУ 16 компонент спектра и входы сигнального и опорного каналов вычислителя 17 сверток выполнены двухканальными. Синхровходы двухканальных АЦП 14, блока 15 преобразования Фурье, ЗУ 16 компонент спектра и вычислителя 17 сверток соединены с управляющим входом приемного устройства 4. Входами сигнального и опорного каналов и парой выходов приемного устройства 4 являются соответственно пара входов двухканального приемника 13 и пара выходов вычислителя 17 сверток. Выход вычислителя 11 напряженности поля является выходом устройства для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов.

Антенная решетка 1 выполнена из ненаправленных антенн с идентичными характеристиками, размещенных для упрощения конструкции в азимутальной плоскости. Калибровочный генератор 2 выполнен с возможностью последовательного или одновременного формирования на его выходе калиброванного уровня сигнала для различных поддиапазонов в пределах рабочего диапазона частот приемного устройства 4.

Антенный коммутатор 3 выполнен с возможностью в режиме проведения измерений или калибровки действующих высот антенной решетки 1 синхронного подсоединения к паре входов приемного устройства 4 любой пары элементов антенной решетки 1, а в режиме калибровки коэффициентов усиления приемного устройства 4 - подсоединения к паре входов приемного устройства 4 выхода калибровочного генератора 2. Формирователь 8 диаграмм направленности выполнен с возможностью вычисления двумерных угловых спектров сигналов, выделения максимальных значений их действительных частей с определением углов прихода радиосигналов в угломестной плоскости. Вычислитель 11 напряженности поля выполнен с возможностью определения напряженности поля радиосигналов по измеренному максимальному значению действительной части с учетом известных значений коэффициента усиления приемного устройства 4 и действующей высоты антенной решетки 1 для соответствующего угла наклона фронта волны и возможностью определения при калиброванной напряженности поля действующей высоты антенной решетки 1.

На фиг. 2 показаны: вычислитель 18 интерференционных векторов; блок 19 двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов; двумерный перемножитель 20; вычислитель 21 максимальной компоненты двумерного углового спектра; Вх. 1, Вх.2, Вых.1, Вых.2 и Упр. - первый и второй входы, первый и второй выходы и управляющий вход формирователя 8 диаграмм направленности.

Для дополнительного повышения точности измерения напряженности электромагнитного поля формирователь 8 диаграмм направленности выполнен (фиг.2) из вычислителя 18 интерференционных векторов, блока 19 двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя 20, вычислителя 21 максимальной компоненты двумерного углового спектра, соединенных своими парами входов и выходов последовательно, причем их синхровходы подсоединены к управляющему входу формирователя 8 диаграмм направленности, а пара входов вычислителя 18 интерференционных векторов и пара выходов вычислителя 21 максимальной компоненты двумерного углового спектра являются соответственно парами входов и выходов формирователя 8 диаграмм направленности.

На фиг.3 показаны: 22.1, 22.2, ..., 22.Р - первый, второй и Р-ый функциональные преобразователи (ФП) вида первый и второй дополнительные делители 23 и 24 соответственно; первый и второй коммутаторы 25 и 26 соответственно; запоминающее устройство (ЗУ) 27 действующих высот антенной решетки; Вх. 1, Вх. 2, Вх.3, Вх.4, Упр. и Вых. - первый, второй, третий и четвертый входы, управляющий вход и выход вычислителя 11 напряженности поля.

Для обеспечения возможности определения при калиброванной напряженности электромагнитного поля действующей высоты антенной решетки 1 и дополнительного повышения точности измерений напряженности поля вычислитель 11 напряженности поля (фиг.3) выполнен из Р последовательно соединенных функциональных преобразователей (ФП) 22.1, 22.2, ..., 22.Р вида первого и второго дополнительных делителей 23 и 24 соответственно, первого и второго коммутаторов 25 и 26 соответственно и ЗУ 27 действующих высот антенной решетки. При этом выход ФП 22.Р вида соединен с первым входом первого дополнительного делителя 23, выход которого совместно с выходом первого коммутатора 25 соединен соответственно с первым и вторым входами второго дополнительного делителя 24, выход которого соединен с входом второго коммутатора 26, второй выход которого соединен с вторым входом ЗУ 27 действующих высот антенной решетки, выход которого соединен с вторым входом первого коммутатора 25. Управляющие входы первого и второго коммутаторов 25 и 26 и ЗУ 27 действующих высот антенной решетки соединены с управляющим входом вычислителя 11 напряженности поля. При этом вход первого ФП 22.1 вида первые входы ЗУ 27 действующих высот антенной решетки и первого коммутатора 25, второй вход первого дополнительного делителя 23 и первый выход второго коммутатора 26 являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым входами и выходом вычислителя 11 напряженности поля.

Необходимо отметить, что параметром Х обозначен сигнал, поступающий на вход ФП 22.1, 22.2, ..., 22.Р, а параметрами ₁ и Х₂ - пара сигналов, поступающих на соответствующую пару входов ФП 9.

Работает устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов (фиг.1) следующим образом.

Структура антенной решетки 1 (фиг.4), состоящей из N ненаправленных антенн А_n (причем N≥3), при приеме радиосигналов обеспечивает появление фазовых задержек ΔФ_n1,n2 между соответствующими частотными составляющими пар сигналов, принятых всевозможными парами антенных элементов (АЭ):
ΔФ_n1,n2 = Ф_n1(t)-Ф_n2(t),
где n₁=1, 2, 3, ..., N - порядковый номер первых АЭ в паре;
n₂=1, 2, 3, ..., N - порядковый номер вторых АЭ в паре;
n₁≠n₂;
Ф_n1(2)(t) - фаза частотной составляющей сигнала, принимаемого n1(n2) ненаправленной антенной, которая в общем случае представляется в виде

где ω_k - круговая частота радиосигнала в k-ом радиоканале, соответствующем k-ому частотному поддиапазону;
t-время;
ϕ_k(t) - закон изменения фазы, обусловленный угловой модуляцией принимаемого радиосигнала в k-ом радиоканале;
ϕ_ko - начальная фаза радиосигнала k-гo радиоканала в центре антенной решетки 1;
λ - длина волны радиосигнала;
r_n1(2) - расстояние от центра антенной решетки 1 до точки размещения n₁₍₂₎-го АЭ;
β - угол наклона фронта волны (угол места) радиосигнала, то есть угол между направлением вектора распространения электромагнитной волны радиосигнала и проекцией направления на азимутальную плоскость (фиг.4);
Θ - азимут - угол между проекцией направления вектора распространения электромагнитной волны радиосигнала на азимутальную плоскость и опорным направлением ОС, проходящим через центр О антенной решетки 1 и точку расположения первого AЭ антенной решетки 1;
α_n1(2) - угол ориентации n₁₍₂₎-й ненаправленного АЭ относительно выбранного опорного направления (который, например, для выбранного первого АЭ равен нулю, т.е. α₁ = 0)).

Определение фазовых задержек ΔФ_n1,n2 между сигналами, принимаемыми элементами антенной решетки 1, позволяет сформировать (синтезировать) направленную диаграмму направленности (ДН) антенной решетки 1, главный лепесток которой ориентирован в направлении приема радиосигнала, что обеспечивает наилучшие условия приема радиосигналов с различных направлений и наиболее точное измерение напряженностей их электромагнитных полей. При этом, в случае приема радиосигнала, характеризуемого азимутом Θ и углом β наклона фронта волны, величины ΔФ_n1,n2 зависят как от угла γ_n1,n2 (на фиг.4, 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. 4, например, показана база b₂₃ между второй и третьей ненаправленными антеннами), которое в общем случае описывается выражением

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 Р антенных решеток (например, кольцевых и в общем случае неэквидистантных) с диаметрами b_p, где р=1, 2, ..., Р. Количество элементов на каждом сформированном таким образом кольце определяется количеством неповторяющихся углов γ_n1,n2 ориентации соответствующих пар элементов антенной решетки 1. Параметр Р зависит как от количества антенных элементов N, так и от структуры антенной решетки 1 - эквидистантная, неэквидистантная, включающая центральный антенный элемент или не включающая центральный антенный элемент.

Например, для трехэлементной эквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах равностороннего треугольника, N=3, Р=1. Для трехэлементной неэквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах равнобедренного треугольника, N=3, Р=2. Для трехэлементной неэквидистантной антенной решетки 1, элементы которой расположены в вершинах треугольника с различными углами, N=3, Р=3.

Для извлечения максимальной (неповторяющейся) информации о структуре электромагнитного поля радиосигналов путем определения различающихся между собой фазовых задержек радиосигналов ΔФ_n1,n2 с целью формирования направленных ДН антенной решетки 1 с наиболее узким главным (основным) лепестком и наименьшими уровнями боковых лепестков (УБЛ) для заданного количества N антенных элементов антенной решетки 1 и, соответственно, повышения качества измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, и с учетом обеспечения равномерного качества формирования направленных ДН антенной решетки 1 в азимутальной плоскости в пределах изменения азимута от 0^o до 360^o целесообразно, чтобы антенная решетка 1 представляла собой в общем случае эквидистантную кольцевую (в том числе многокольцевую) антенную решетку 1 с нечетным порядком Р_c группы симметрии. В состав антенной решетки 1 может входить ненаправленная антенна, идентичная другим ненаправленным антеннам и размещенная в центре (в этом случае соответствующий радиус r_n1(n2) полагается равным нулю).

На фиг.4 показана схема расположения ненаправленных антенн кольцевой эквидистантной четырехэлементной (N=4) антенной решетки 1 с минимальным нечетным порядком группы симметрии _c=3, определяемым количеством ненаправленных антенн, расположенных на кольце. На фиг.4 соответственно обозначены: А₀, А₁, А₂, А₃ - центральная, первая, вторая и третья ненаправленные антенны; О - центр антенной решетки; ОС - опорное направление; r₁ - радиус антенной решетки. Для показанной антенной решетки 1 целесообразно сформировать две группы пар антенн (Р=2). При этом первая группа пар антенн имеет базу b₁=r₁ и включает следующие три пары ненаправленных антенн: А₁-А₀, А₂-А₀; А₃-А₀; вторая группа пар ненаправленных антенн имеет базу и включает следующие три пары ненаправленных антенн: A₁-A₂; A₂-А₃; А₃-А₁.

В зависимости от выбранного вида антенной решетки 1, количества N антенных элементов, апертуры антенной решетки (отношения баз пар антенных элементов к длине волны радиосигнала) изменяются только количество и величины сдвигов фаз ΔФ_n1,n2 и соответственно значение максимального модуля компоненты двумерного углового спектра радиосигнала и, в свою очередь, параметры синтезируемой направленной ДН: действующая высота, ширина главного лепестка, уровень боковых лепестков.

Для конкретного выбранного вида антенной решетки 1 так же, как в ближайшем аналоге изобретения, экспериментальным путем определяется действующая высота (ДВ) G_k,β антенной решетки 1 для k-гo частотного поддиапазона и углов β наклона фронта электромагнитных волн. Значения ДВ G_k,β антенной решетки 1 используются так же, как в ближайшем аналоге, для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов. В связи с этим, в зависимости от выбранного вида антенной решетки 1 формирователь 8 диаграмм направленности, определяющий параметры синтезируемой ДН антенной решетки, отличается только некоторым различием решаемых математических выражений, однако сами функции и функциональные связи между вычислителем 18 интерференционных векторов, блоком 19, перемножителем 20 и вычислителем 21 при этом не изменяются.

При проведении измерений напряженности электромагнитного поля радиосигналов совокупности радиосигналов от различных источников радиоизлучения принимаются элементами антенной решетки 1 и поступают на соответствующие входы антенного коммутатора 3, который одновременно во времени пропускает из всей совокупности выходов антенной решетки 1 пару сигналов на пару входов приемного устройства 4. Последовательно во времени на пару входов приемного устройства 4 пропускаются другие пары сигналов с выходов антенной решетки 1. При этом на сигнальный вход приемного устройства 4 пропускаются радиосигналы с выходов всех элементов антенной решетки 1, а на опорный вход приемного устройства 4 - 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 от элементов антенной решетки 1, последовательно во времени подключаемых к сигнальному входу приемного устройства 4, сигналы антенной решетки 1, подключаемые к опорному каналу приемного устройства 4, поступают с одной (общей) ненаправленной антенны для каждой вышеуказанной пары элементов.

Последовательность подключения ненаправленных антенн решетки 1 посредством антенного коммутатора 3 к сигнальному (обозначенному индексом С) и опорному (обозначенному индексом О) каналам приемного устройства 4 может быть рассмотрена на примере четырехэлементной антенной решетки 1 (фиг.4), а группы пар могут быть сформированы, например, следующим образом. В первый момент времени t₁ пусть ненаправленная антенна А₁ подключается к сигнальному входу приемного устройства 4 A_1C(t₁) и одновременно, в этот же момент времени t₁, ненаправленная антенна А₃ подключается к опорному входу приемного устройства 4 А_3О(t₁). То есть, одновременно подключенной парой ненаправленных антенн является пара A_1C(t₁)-А_3О(t₁).

Аналогичным образом в другие моменты времени t₂, t₃,... получают следующие подключенные пары ненаправленных антенн: A_OC(t₂)-А_3О(t₂), А_2C(t₃)-А_3О(t₃), А_3C(t₄)-A_1О(t₄), А_OC(t₅)-A_1О(t₅), А_2C(t₆)-А_1О(t₆),
А_3C(t₇)-A_2О(t₇), A_1C(t₈)-A_2О(t₈). Таким образом, для пар ненаправленных антенн А₁-А₀, последовательно во времени подключаемых коммутатором 3 к сигнальному входу приемного устройства 4, общей является антенна А₃, то есть для А₁-А₀ (А₃) и аналогично для других пар ненаправленных антенн: А₂-А₀ (А₃), А₃-А₀ (A₁), A₁-А₂ (А₃), А₂-А₃ (A₁), А₃-A₁ (A₂).

Для описанного варианта и других возможных вариантов подключения ненаправленных антенн антенной решетки 1 возможна иная последовательность подключения ненаправленных антенн к входам приемного устройства 4, однако сами функции и функциональные связи антенного коммутатора 3 в составе устройства для измерения напряженности электромагнитного поля не изменяются.

Радиосигналы, поступившие на входы приемного устройства 4, переносятся в двухканальном приемнике 13 на промежуточную частоту, а при необходимости - на видеочастоту. С пары выходов двухканального приемника 13 сигналы поступают на соответствующую пару входов АЦП 14, где синхронно преобразуют сигналы промежуточной частоты в цифровые сигналы, соответствующие радиосигналам, и эти последовательности отсчетов с пары выходов АЦП 14 объемом N_n каждая поступают на соответствующую пару входов блока 15 преобразования Фурье (дискретного), на парах выходов сигнального и опорного каналов которого получают цифровые сигналы в виде действительных и мнимых частей сигнального и опорного каналов и характеризующие спектры совокупностей сигналов от источников радиоизлучения 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-гo радиоканала соответствует сигналу от k-гo источника радиоизлучения.

Сигналы в k-ом радиоканале для сигнального и опорного трактов могут быть представлены следующим выражением:


где h_k - действующая высота каждого из идентичных антенных элементов решетки 1 для k-гo радиоканала, приведенная к входу приемного устройства 4;
E_k - амплитуда напряженности электромагнитного поля радиосигнала в k-ом радиоканале;
K_k и К_k' - коэффициенты усиления соответственно сигнального и опорного трактов приемного устройства 4 для k-ro радиоканала;
фазовые задержки сигнала соответственно в сигнальном и опорном трактах приемного устройства 4 для k-гo радиоканала;
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 двухканальном запоминающем устройстве 16 получают цифровые сигналы, соответствующие компонентам действительных и мнимых частей спектров в полосе анализа df для сигнального и опорного каналов, при этом каждой компоненте спектра соответствует порядковый номер, соответствующий частоте компоненты, и номер величины амплитуды, проградуированный в соответствии со значением компоненты амплитуды спектра.

В результате на каждом из двух выходов сигнального и опорного каналов ЗУ 16 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 ΔF=df/(N_п/2)=2 кГц, при этом на один канал приходится максимальное количество комплексных отсчетов q_max, определяемое по формуле q_max = (dF/ΔF+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 сигнального и опорного каналов ЗУ 16 получают совокупности номеров компонент спектра, соответствующих границам радиоканалов с сигналами n_max'(1) и n_max'(1); n_min'(2) и n_max'(2),... n_min'(k) и n_max'(k).

Цифровые сигналы с пары выходов сигнального и опорного каналов ЗУ 16 поступают на соответствующие пары входов сигнального и опорного каналов вычислителя 17 сверток. В вычислителе 17 для каждого радиоканала, в котором обнаружены сигналы, производят операцию свертки 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 17, позволяет выделить спектральную составляющую, соответствующую немодулируемой несущей радиосигнала, принятого в радиоканале с номером k. Данная операция соответствует перемножению сигналов сигнального и опорного трактов во временной области с получением параметра и приводит к устранению собственной модуляции в принятом радиосигнале, т.е. с учетом ранее приведенных математических выражений:

где


Таким образом, в результате обработки сигналов в вычислителе 17 уже получают информацию о напряженности E_k электромагнитного поля k-гo радиосигнала. Эта информация в принципе может быть обработана различным образом в формирователе 8 диаграмм направленности, однако для дополнительного повышения точности измерений и упрощения конструкции его целесообразно выполнять по приведенной на фиг.2 функциональной схеме.

Цифровые сигналы в виде действительной и мнимой компонент с пары выходов вычислителя 17 в этом случае поступают на пару входов вычислителя 18 интерференционных векторов, реализующего выполнение операции перемножения комплексно сопряженных 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 ненаправленных антенн, который описывается выражением

В результате выполнения операции свертки на выходах действительной и мнимой компонент вычислителя 18 получают действительные и мнимые компоненты интерференционных векторов пар сигналов, зависящие от напряженности поля радиосигнала, координат расположения соответствующих пар элементов антенной решетки и не зависящие от неидентичности фазовых задержек в каналах приема. Эти сигналы с пары выходов вычислителя 18 поступают на пару входов блока 19 двумерного преобразования Фурье (дискретного) интерференционных векторов.

В блоке 19 вычисляют Р двумерных угловых спектров сигнала в k-ом радиоканале в соответствии с выражением

где р= 1, 2, ..., Р - порядковый номер углового спектра сигнала, полученного по всем N_p парам сигналов, принятых n₁-ми и n₂-ми элементами антенной решетки 1, имеющих одинаковую базу b_p=bn₁,n₂=const_p;
l_p= 1, 2, . . . , N_p - порядковый номер пары n₁-гo и n₂-гo элементов, удовлетворяющих указанному выше условию;
Λ_ΘδΘ - аргумент азимута углового спектра,
dΘ - шаг вычисления азимута углового спектра,
L_βdβ - аргумент угла наклона фронта волны углового спектра, dβ - шаг вычисления угла наклона фронта волны углового спектра,
сдвиг фаз между сигналами, принимаемыми n₁-й и n₂-й ненаправленными антеннами для k-го радиоканала, определяемый выражением

С учетом вышеизложенных выражений каждый из р двумерных угловых спектров сигнала, получаемых в блоке 19, зависит как от напряженности поля E_k радиосигнала для k-го радиоканала, так и от синтезированной диаграммы направленности в соответствии с выражением

где

Для обеспечения повышения качества результирующей синтезирующей диаграммы направленности (повышения действующей высоты, коэффициента направленного действия, уменьшения ширины главного лепестка и уровня боковых лепестков) сигналы, соответствующие Р двумерным угловым спектрам сигнала в k-ом радиоканале, с выходов действительной и мнимой компонент блока 19 поступают на пару входов двумерного перемножителя 20, где производят операцию перемножения всех Р двумерных угловых спектров с целью получения результирующего двумерного углового спектра

где р=1, 2, ..., Р;
результирующая синтезированная диаграмма направленности антенной решетки 1 для k-гo радиоканала.

Компоненты действительной и мнимой частей двумерного углового спектра сигнала для k-гo радиоканала с пары выходов двумерного перемножителя 20 поступают на пару входов вычислителя 21, где производится вычисление наибольшего значения модуля действительной части компоненты двумерного углового спектра _k для k-ro радиосигнала по всем аргументам L_ΘdΘ и L_βdβ:

по всем значениям
Кроме того, в вычислителе 21 производится определение значения β, равного аргументу L_βdβ, при котором модуль компоненты действительной части двумерного углового спектра принимает максимальное значение _k.

Сигналы, соответствующие наибольшему значению модуля действительной части компоненты двумерного углового спектра _k и вычисленному значению угла β наклона фронта электромагнитной волны, совместно с сигналом, соответствующим коэффициенту усиления К_k приемного устройства 4 для k-гo частотного поддиапазона, с первого и второго выходов вычислителя 21 и выхода запоминающего устройства 7 поступают на первый, второй и четвертый входы вычислителя 11 напряженности поля, который содержит информацию о действующих высотах G_k,β антенной решетки 1 для каждого k-ro частотного поддиапазона и угла β наклона, где производят определение напряженности E_k электромагнитного поля для каждого k-гo радиосигнала в соответствии с выражением

Определение напряженности электромагнитного поля радиосигналов в соответствии с вышеуказанным выражением в вычислителе 11 может производиться различным образом, однако для дополнительного повышения точности измерений за счет более точного определения действующих высот G_k,β антенной решетки и упрощения конструкции устройства вычислитель 11 напряженности поля целесообразно выполнять по приведенной на фиг.3 функциональной схеме.

При проведении измерений напряженности электромагнитного поля радиосигналов по соответствующей команде управления, поступающей на управляющие входы первого и второго коммутаторов 25 и 26, второй вход первого коммутатора 25 соединяется с его выходом, а вход второго коммутатора 26 - с его первым выходом. Сигнал, соответствующий Q_k и поступающий на первый вход вычислителя 11, подвергается в Р последовательно соединенных ФП 22.1, 22.2, ... , 22.Р преобразованию вида и с выхода ФП 22.Р совместно с сигналом, поступающим на четвертый вход вычислителя 11 и соответствующим коэффициенту усиления K_k, сигналы поступают соответственно на первый и второй входы дополнительного делителя 23, где производится определение отношения По сигналу, поступающему на второй вход вычислителя 11, являющийся первым входом запоминающего устройства 27, на его выходе появляется сигнал, соответствующий выбранной для измеренного значения угла β действующей высоте G_k,β антенной решетки для k-гo частотного поддиапазона, который через второй вход первого коммутатора 25 с его выхода поступает совместно с выходным сигналом первого дополнительного делителя 23 соответственно на второй и первый входы второго дополнительного делителя 24. С выхода второго дополнительного делителя 24 сигнал, соответствующий вычисленному значению напряженности E_k электромагнитного поля k-го радиосигнала, поступает на вход второго коммутатора 26 и далее - на его первый выход, являющийся выходом устройства для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов.

При проведении измерений напряженности электромагнитного поля синхронизация описанных действий над сигналами в антенном коммутаторе 3, элементах приемного устройства 4 (АЦП 14, блоке 15, ЗУ 16, вычислителе 17), запоминающем устройстве 7, элементах формирователя 8 диаграмм направленности (вычислителе 18, блоке 19, перемножителе 20, вычислителе 21) и элементах вычислителя 11 напряженности поля (коммутаторах 25 и 26, ЗУ 27) производится по синхроимпульсам, поступающим с выхода генератора 12 синхроимпульсов на их управляющие входы.

С целью устранения зависимости точности измерений напряженности электромагнитного поля радиосигналов от нестабильности коэффициентов усиления приемных трактов в заявленном способе и устройстве для измерения напряженности электромагнитного поля так же, как и в ближайшем аналоге, периодически осуществляется калибровка, позволяющая получить требуемые для проведения измерений коэффициенты усиления K_k приемного устройства 4. При этом, по сигналу управления, поступающему с выхода генератора 12 на управляющий выход калибровочного генератора 2, в нем последовательно или одновременно в рабочем диапазоне частот для каждого k-гo частотного поддиапазона формируются калибровочные сигналы с известной амплитудой, которые поступают на один из входов антенного коммутатора 3 и вход датчика 5, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий отцифрованному значению амплитуды U_k сигнала калибровочного генератора в k-ом частотном поддиапазоне, который поступает на второй вход делителя 6. По сигналу управления, поступающему с выхода генератора 12 на управляющий вход антенного коммутатора 3, калибровочные сигналы с его входа одновременно поступают на входы сигнального и опорного каналов приемника 13. Далее в АЦП 14, блоке 15, ЗУ 16 и вычислителе 17 по синхроимпульсам, поступающим с выхода генератора 12 на их управляющие входы, производят действия над сигналами, аналогичные вышеупомянутым действиям, проводимым при измерении напряженности поля. При этом с пары выходов вычислителя 17 на пару входов ФП 9 поступают действительные и мнимые компоненты спектральных составляющих для k-гo радиочастотного поддиапазона, определяемых выражением

При этом, на выходе ФП 9 формируется сигнал, соответствующий амплитуде комплексных спектральных составляющих:
.

Сигнал с выхода ФП 9 поступает на первый вход делителя 6, где производится вычисление коэффициентов усиления К_k приемного устройства для k-гo частотного поддиапазона в соответствии с выражением

Сигналы, соответствующие значениям К_k, с выхода делителя 6 поступают на вход запоминающего устройства 7. Хранящиеся в ЗУ 7 значения параметров К_k периодически обновляются. Частота обновления параметров К_k определяется стабильностью характеристик приемника 13 и зависит от его аппаратной реализации.

Определение действующей высоты G_k,β антенной решетки 1 в заявляемом способе и устройстве для измерения напряженности электромагнитного поля так же, как в ближайшем аналоге, производят по известной методике (см., например, Фрадин A.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. - М. : Связь, 1972, с.193-196) путем создания в месте расположения антенной решетки 1 электромагнитного поля с известной напряженностью Е_k' для k-гo частотного поддиапазона и известным наклоном фронта электромагнитной волны. При определении действующей высоты G_k,β действия над сигналами в антенной решетке 1, антенном коммутаторе 3, приемном устройстве 4 и формирователе 8 диаграмм направленности производятся так же, как и при проведении измерений напряженности электромагнитного поля вышеописанным образом. При этом на третий вход вычислителя 11 с выхода датчика 10 поступают оцифрованные значения известной напряженности поля Е_k', а на управляющий вход вычислителя 11 - команда с выхода генератора синхроимпульсов 12, поступающая на управляющие входы первого и второго коммутаторов 25 и 26 и ЗУ 27, по которой первый вход первого коммутатора 25 соединяется с его выходом, вход второго коммутатора 26 соединяется с его вторым выходом, а ЗУ 27 устанавливается в режим запоминания параметров.

Сигналы, поступающие с первого и четвертого входов вычислителя 11 на ФП 22.1, 22.2, ..., 22.Р и первый дополнительный делитель 23 подвергаются преобразованию так же, как и при измерении напряженности поля вышеупомянутым образом. Кроме того, сигнал, соответствующий отцифрованному значению известной напряженности поля Е_k', поступающий на первый вход первого коммутатора 25, с его выхода совместно с выходным сигналом первого дополнительного делителя 23 соответственно поступает на второй и первый входы второго дополнительного делителя 24, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий действующей высоте G_k,β антенной решетки, определяемой выражением

Сигнал с выхода второго дополнительного делителя 24 поступает на вход второго коммутатора 26, а с его второго выхода - на второй вход ЗУ 27, где для измеренного значения β, поступающего на первый вход ЗУ 27, записывается значение G_k,β. Хранящиеся в ЗУ 27 значения действующих высот G_k,β антенной решетки 1 периодически обновляются. Частота обновления параметров G_k,β определяется стабильностью характеристик антенной решетки 1, зависящей от ее аппаратной реализации и от стабильности параметров подстилающей поверхности, над которой размещается антенная решетка 1.

В устройстве, реализующем предложенный способ, используются известные типовые для измерителей напряженности электромагнитного поля блоки: коммутатор, приемник, калибровочный генератор, антенные элементы. Реализация этих блоков описана в ряде научно-технических источников информации [Нефедов Е.И. , Саидов А.С., Тагилаев А.Р. Широкополосные микрополосковые управляющие устройства СВЧ. - М.: Радио и связь, 1994, а также Саидов А.С., Тагилаев А.Р., Н. М. Алиев, Г.К.Асланов. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов. - М.: Радио и связь, 1997]. Реализация блоков устройства, основанных на цифровой обработке сигналов, описана, например, в работе Марпл мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.

Выполнение приемного устройства 4 на современной элементной базе с шириной полосы пропускания, составляющей единицы или десятки мегагерц, и высокой скоростью перестройки рабочего диапазона частот позволяет с использованием предложенных способа и устройства проводить измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов практически в "реальном" масштабе времени. Кроме того, за счет формирования групп пар комплексных амплитуд сигналов, соответствующих группам пар ненаправленных антенн антенной решетки 1, разнесенных на одинаковые расстояния, определения по соответствующим группам пар сигналов нескольких независимых компонент двумерного углового спектра, соответствующих синтезируемым парциальным диаграммам направленности антенной решетки, с последующим их перемножением, использования антенной решетки с нечетным порядком группы симметрии сужается главный лепесток и уменьшаются уровни боковых лепестков результирующей диаграммы направленности, что приводит, во-первых, к возможности более точной ориентации синтезируемой диаграммы направленности в направлении приема каждого принятого радиосигнала и, соответственно, к повышению точности измерения напряженности электромагнитного поля; во-вторых, к возможности увеличения при фиксированном уровне боковых лепестков межэлементных расстояний в антенной решетке 1, что упрощает реализацию антенной системы при необходимости функционирования в широком диапазоне частот. При меньшем (в среднем в два раза) количестве ненаправленных антенн может быть достигнута требуемая апертура (диаметр) антенной решетки, что приводит к существенному упрощению конструкции антенной системы 1 и в целом устройства для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов за счет упрощения коммутатора и уменьшения необходимого для измерений напряженности поля количества переключений в коммутаторе.

Наиболее успешно заявленные способ и устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов могут быть использованы в радиотехнике при поиске несанкционированных излучений, в радиоконтроле аналоговых и цифровых систем связи, измерении параметров сигналов, включая кратковременные и импульсные радиосигналы, радиосигналы с расширенным спектром радиочастот (в частности, радиосигналов со скачкообразным изменением частоты), при работе в составе систем радиомониторинга в качестве стационарных и подвижных средств контроля напряженности электромагнитного поля радиосигналов.

Формула изобретения

1. Способ измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, включающий прием радиосигналов направленной антенной с известной действующей высотой, преобразование радиосигналов приемником с известным коэффициентом усиления, определение параметров каждого радиосигнала, по которым судят о направлении распространения электромагнитного поля каждого радиосигнала и о напряженности электромагнитного поля радиосигналов, отличающийся тем, что в качестве направленной антенны используют антенную решетку, состоящую из N идентичных ненаправленных антенных элементов в количестве не менее трех, с использованием дополнительного приемника обеспечивают двухканальный синхронный прием и преобразование радиосигналов одновременно от двух антенных элементов, при преобразовании радиосигналов получают спектральные характеристики каждого радиосигнала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов, разделяют их на выбранные частотные поддиапазоны, получая пары комплексных спектров каждого из одновременно принятых радиосигналов, и определяют свертки пар комплексно сопряженных спектров каждого радиосигнала, нормированные относительно амплитудных спектров радиосигналов дополнительного приемника, принимаемые за опорные, преобразование радиосигналов приемником производят последовательно во времени от пары антенных элементов, при этом последовательно во времени производят преобразование опорных радиосигналов дополнительным приемником от одного антенного элемента, не входящего в эту пару, последовательно во времени приемником производят преобразования радиосигналов от следующих пар антенных элементов, при этом одновременно дополнительным приемником производят преобразование опорных радиосигналов от одного антенного элемента, не входящего в следующую пару, указанным образом преобразуют радиосигналы со всех возможных пар антенных элементов в количестве образующихся для N-элементной антенной решетки Р групп пар, причем в каждой группе пар преобразование сигналов производят с антенных элементов, расстояния между которыми являются одинаковыми, определение параметров, по которым судят о направлении распространения каждого радиосигнала, производят путем запоминания Р групп пар спектральных характеристик каждого радиосигнала, перемножения комплексно сопряженных спектральных характеристик для каждой группы пар, получая комплексные амплитуды Р групп пар сигналов, осуществляют Р двумерных преобразований Фурье по всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из Р групп, получая Р составляющих двумерного углового спектра каждого радиосигнала, по которым для каждого радиосигнала путем перемножения его Р составляющих формируют двумерный угловой спектр, аргументами которого является азимут Θ и угол β наклона фронта электромагнитной волны каждого радиосигнала, соответствующий диаграмме направленности антенной решетки для каждого принятого радиосигнала, выделяют максимальные модули Q_к и соответствующие углам наклона фронта электромагнитной волны аргументы действительных частей двумерных угловых спектров каждого радиосигнала и определяют напряженность Е_к электромагнитного поля каждого k-го радиосигнала в соответствии с выражением

где k - номер частотного поддиапазона, соответствующий k-му радиосигналу;
К_k - коэффициент усиления приемника для k-го частотного поддиапазона;
G_k,β - действующая высота антенной решетки для k-го частотного поддиапазона и угла β наклона фронта электромагнитной волны.

2. Устройство для измерения напряженности электромагнитного поля радиосигналов, содержащее направленную антенну, антенный коммутатор, приемное устройство, прибор для регистрации напряженности электромагнитного поля, калибровочный генератор, датчик амплитуды калибровочного сигнала, делитель, запоминающее устройство коэффициентов усиления приемного устройства, датчик уровня калиброванной напряженности поля и генератор синхроимпульсов, выход которого подсоединен к управляющим входам антенного коммутатора, приемного устройства, прибора для регистрации напряженности электромагнитного поля, калибровочного генератора и запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства, причем выход калибровочного генератора подсоединен к объединенным одному из входов антенного коммутатора и входу датчика амплитуды калибровочного сигнала, выход которого подсоединен к одному из пары входов делителя, выход которого подсоединен к входу запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства, отличающееся тем, что введены формирователь диаграмм направленности, управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора синхроимпульсов, и функциональный преобразователь вида выход которого подсоединен к другому входу пары входов делителя, в качестве направленной антенны используют антенную решетку, состоящую из N антенных элементов, идентичных и ненаправленных, в количестве не менее трех и расположенных в азимутальной плоскости, приемное устройство выполнено двухканальным с сигнальным и опорным каналами и с общим гетеродином и включает в себя двухканальные приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, запоминающее устройство компонент спектра и вычислитель сверток, последовательно соединенные, причем выходы сигнального и опорного каналов блока преобразователя Фурье, входы и выходы сигнального и опорного каналов запоминающего устройства компонент спектра и входы сигнального и опорного каналов вычислителя сверток выполнены двухканальными, синхровходы двухканальных аналого-цифрового преобразователя, блока преобразователя Фурье, запоминающего устройства компонент спектра вычислителя сверток подсоединены к управляющему входу приемного устройства, а пара входов двухканального приемника и пара выходов вычислителя сверток являются соответственно входами сигнального и опорного каналов и парой выходов приемного устройства, выходы N антенных элементов подсоединены соответственно к N входам антенного коммутатора, антенный коммутатор выполнен с (N+1) входами и парой выходов с возможностью по соответствующим командам управления от генератора синхроимпульсов подсоединения последовательно во времени его одного входа от калибровочного генератора одновременно к его паре выходов и синхронного подсоединения последовательно во времени любой пары других его N входов от N антенных элементов к паре его выходов, пара выходов антенного коммутатора подсоединена к соответствующей паре входов приемного устройства, пара выходов которого подсоединена к соответствующим парам входов функционального преобразователя вида и формирователя диаграмм направленности, генератор синхроимпульсов выполнен с возможностью подачи на управляющий вход антенного коммутатора команды для подключения выхода калибровочного генератора к входам сигнального и опорного каналов приемного устройства, команд для последовательного во времени подключения выходов пары антенных элементов к входу сигнального канала, а выхода одного антенного элемента, не входящего в эту пару, к входу опорного канала приемного устройства, а также команд для последовательного во времени подключения выходов следующих пар антенных элементов к входу сигнального канала, а выхода одного антенного элемента, не входящего в следующую пару, к входу опорного канала приемного устройства, в качестве прибора для регистрации напряженности электромагнитного поля используют вычислитель напряженности поля, первый, второй, третий, четвертый и управляющий входы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам формирователя диаграмм направленности, выходу датчика уровня калиброванной напряженности поля, выходу запоминающего устройства коэффициентов усиления приемного устройства и выходу генератора синхроимпульсов, при этом вычислитель напряженности поля выполнен с возможностью по соответствующей команде управления от генератора синхроимпульсов определения при калиброванной напряженности поля действующей высоты антенной решетки.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что формирователь диаграмм направленности выполнен из вычислителя интерференционных векторов, блока двумерного преобразования Фурье интерференционных векторов, двумерного перемножителя и вычислителя максимальной компоненты двумерного углового спектра, двухканальных и соединенных последовательно, причем их синхровходы подсоединены к управляющему входу формирователя диаграмм направленности, а пара входов вычислителя интерференционных векторов и пара выходов вычислителя максимальной компоненты двумерного углового спектра являются соответственно парами входов и выходов формирователя диаграмм направленности.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вычислитель напряженности поля выполнен из Р последовательно соединенных функциональных преобразователей вида где Р - количество групп пар элементов антенной решетки, расстояния между которыми одинаковые, первого и второго дополнительных делителей, первого и второго коммутаторов и запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, причем выход Р-го функционального преобразователя вида подсоединен к первому входу первого дополнительного делителя, выход которого совместно с выходом первого коммутатора подсоединены соответственно к первому и второму входам второго делителя, выход которого подсоединен к входу второго коммутатора, второй выход которого подсоединен к второму входу запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, выход которого подсоединен к второму входу первого коммутатора, управляющий вход которого совместно с управляющими входами второго коммутатора и запоминающего устройства действующих высот антенной решетки подсоединены к упомянутому управляющему входу вычислителя напряженности поля, причем вход первого функционального преобразователя вида первый вход запоминающего устройства действующих высот антенной решетки, первый вход первого коммутатора, второй вход первого дополнительного делителя служат соответственно упомянутыми первым, вторым, третьим, четвертым входами вычислителя напряженности поля, а первый выход второго коммутатора служит выходом вычислителя напряженности поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4