Устройство радиотехнического контроля источников радиосигналов
Владельцы патента RU 2316017:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Таганрогский научно-исследовательский институт связи" (ФГУП "ТНИИС") (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения пеленга и частоты радиосигнала в системах радиотехнического контроля. Достигаемым техническим результатом является упрощение устройства и повышение точности пеленгования. Указанный результат достигается за счет того, что устройство радиотехнического контроля источников радиосигналов дополнительно содержит два преобразователя частоты, управляемый гетеродин и два измерителя разности фаз, определенным образом соединенные между собой и остальными элементами устройства, при этом фокальные оси используемых в заявленном устройстве приемных антенн параллельны, центры раскрыва разнесены на расстояние, примерно на порядок превышающее длину волны контролируемого радиосигнала, а ширина диаграммы направленности каждой из антенн составляет 180°. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения пеленга и частоты радиосигнала в системах радиотехнического контроля.
Известно устройство радиотехнического контроля источников радиоизлучений, описанное в статье Э.В.Чекрыгина и др. «Информационно-измерительная система источников радиоизлучений. Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия ОВР, Москва-Таганрог, вып.1, 2003, с.7...14». Оно содержит тракт измерения частоты и тракт измерения направления на источник излучения. Тракт измерения частоты содержит измеритель частоты, последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты (УВЧ) и частотно-измерительный блок, а также ряд частотных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные детектор, видеоусилитель и аналого-цифровой преобразователь, входы частотных каналов соединены с выходами частотно-измерительного блока, а выходы - со входами измерителя частоты. Тракт измерения направления на источник излучения содержит вычислитель и ряд приемных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно включенные приемную антенну, УВЧ, детектор, видеоусилитель и аналого-цифровой преобразователь, фокальные оси антенн сдвинуты одна относительно другой таким образом, что диаграммы направленности антенн в сумме перекрывают сектор 180°.
Недостатком этого устройства является низкая точность пеленгования, обусловленная неидентичностью приемных каналов тракта определения направления, и сложность, обусловленная наличием отдельной приемной антенны и УВЧ для тракта определения частоты и большим количеством приемных каналов в тракте определения направления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство радиотехнического контроля источников излучений, входящие в состав корабельной станции радиотехнической разведки, защищенной свидетельством на полезную модель №29783, кл. G01S 3/28, Н04K 3/00, опубл. 2003 г. Оно содержит М≥4 приемных антенн, М УВЧ, входы которых соединены с выходами антенн, М делителей мощности, входы которых соединены с выходами УВЧ, М приемников, входы которых соединены с первыми выходами делителей мощности, измеритель частоты, М входов которого соединены со вторыми выходами делителей мощности, уточнитель пеленга и блок обработки результатов измерения и управления, первые М входов которого соединены с выходами приемников, (М+1)-й и (М+2)-ой входы - с первым и вторым выходами измерителя частоты, (М+3)-й вход - с выходом уточнителя пеленга, а выход - с управляющим входом уточнителя пеленга. При этом уточнитель пеленга содержит М пар дополнительных приемных антенн, два коммутатора, управляющие входы которых объединены и являются управляющим входом уточнителя, и интерферометр, выход которого является выходом уточнителя. Фокальные оси приемных антенн сдвинуты одна относительно другой таким образом, что их диаграммы направленности в сумме перекрывают сектор 180° левого (или правого) борта корабля.
В этом устройстве осуществляется уточнение результатов измерения направления на источник излучения, поэтому точность пеленгования здесь несколько выше, чем в указанной выше информационно-измерительной системе. Однако это уточнение пеленга осуществляется за счет введения 2М дополнительных антенн, что делает устройство достаточно сложным и трудно реализуемым. Кроме того, точность пеленгования в ней остается недостаточно высокой, что обусловлено неидентичностью дополнительных антенн и отсутствием уточнения пеленга в направлениях «корма-нос корабля» и противоположном ему.
Целью изобретения является упрощение устройства радиотехнического контроля и повышение точности пеленгования.
Поставленная цель достигается тем, что в известное из описания полезной модели №29783 кл. G01S 3/28, Н04K 3/00 устройство радиотехнического контроля источников радиосигналов, содержащее последовательно включенные первую приемную антенну, первый УВЧ, первый делитель мощности, приемник и блок обработки результатов измерений и управления, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй УВЧ, второй делитель мощности и измеритель частоты, выход которого подключен ко второму входу блока обработки результатов измерений и управления, и третий делитель мощности, введены два преобразователя частоты, управляемый гетеродин и два измерителя разности фаз, первый и второй входы первого измерителя разности фаз подключены ко вторым выходам соответственно первого и второго делителей мощности, а выход - к третьему входу блока обработки результатов измерений и управления, вход управляемого гетеродина подключен к выходу блока обработки результатов измерений и управления, а выход - ко входу третьего делителя мощности, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго преобразователей частоты, вторые входы первого и второго преобразователей частоты подключены к третьим выходам соответственно первого и второго делителей мощности, а выходы - соответственно к первому и второму входам второго измерителя разности фаз, выход которого подключен к четвертому входу блока обработки результатов измерений и управления, при этом фокальные оси приемных антенн параллельны, центры раскрыва разнесены на расстояние, примерно на порядок превышающее длину волны контролируемого радиосигнала, а ширина диаграммы направленности каждой из антенн составляет 180°.
Совокупность вновь введенных преобразователей частоты, управляемого гетеродина и измерителей разности фаз и их связей, а также конструктивных особенностей антенн и делителей мощности не является самостоятельным устройством и не следует явным образом из уровня техники, поэтому заявляемое устройство радиотехнического контроля следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг.1 - структурная схема заявляемого устройства;
на фиг.2 - взаимное расположение источника контролируемого радиосигнала и центров раскрыва антенн.
Устройство содержит на фиг.1: идентичные приемные антенны 1 и 11, идентичные УВЧ 2 и 12, делители 3, 9 и 13 мощности, идентичные преобразователи 4 и 14 частоты, приемник 5 с широким динамическим диапазоном, блок 6 обработки результатов измерений и управления, измерители 7 и 10 разности фаз, управляемый гетеродин 8 и измеритель 15 частоты.
Приемная антенна 1, УВЧ 2, делитель мощности 3, приемник 5 и блок обработки результатов измерений и управления 6 включены последовательно. Также последовательно включены приемная антенна 11, УВЧ 12, делитель мощности 13 и измеритель частоты 15, выход которого подключен ко второму входу блока обработки результатов измерений и управления 6. Первый и второй входы измерителя разности фаз 7 подключены ко вторым выходам делителей мощности 3 и 13 соответственно, а выход - к третьему входу блока обработки результатов измерений и управления 6. Вход управляемого гетеродина 8 подключен к выходу УВЧ 2, а выход - ко входу делителя мощности 9, первый и второй выходы которого подключены к первым входам преобразователей частоты 4 и 14 соответственно. Вторые входы преобразователей частоты 4 и 14 подключены к третьим выходам делителей мощности 3 и 9 соответственно, а выходы - соответственно к первому и второму входам измерителя разности фаз 10, выход которого подключен к четвертому входу блока обработки результатов измерений и управления 6.
Ширина диаграммы направленности на фиг.2 каждой из приемных антенн 1 и 11 составляет 180°. Линейная база d между центрами раскрыва приемных антенн 1 и 11 составляет величину порядка 10λ, где λ - длина волны контролируемого радиосигнала. Фокальные оси приемных антенн 1 и 11 параллельны между собой и перпендикулярны прямой «1 - 11», соединяющей центры раскрыва антенн. Их направление совпадает с осью симметрии сектора пеленгования. Пеленг θ (направление на источник радиосигнала) отсчитывается от этого направления по часовой стрелке.
В устройстве используется фазовый метод пеленгования, основанный на приеме пеленгуемого сигнала двумя антеннами с параллельными фокальными осями и разнесенными центрами раскрыва и последующем измерении разности фаз принятых сигналов. Известно (см., например, Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Сов. радио, 1984, с.6, 7), что в этом случае разность Δϕ фаз принятых сигналов связана с пеленгом θ источника сигнала, его длиной λ волны и базой d между центрами раскрыва антенн соотношением
Устройство работает следующим образом.
Контролируемый радиосигнал принимается приемными антеннами 1 и 11, усиливается УВЧ 2 и 12 и поступает на входы делителей мощности 3 и 13. Делители мощности 3 и 13 делят поступившие на их входы сигналы на 3 части.
Сигнал с первого выхода делителя мощности 3 поступает на вход приемника 5, в котором собственно осуществляется обнаружение радиосигнала и измеряются его амплитуда и длительность. Результаты измерения с выхода приемника поступают на первый вход блока обработки результатов измерений и управления 6.
Сигнал с первого выхода делителя мощности 13 поступает на вход измерителя частоты 15, где измеряется частота f контролируемого радиосигнала. Результат измерения поступает на второй вход блока обработки результатов измерений и управления 6.
Сигналы со вторых входов делителей мощности 3 и 13 поступают соответственно на первый и второй входы измерителя разности фаз 7, в котором измеряется разность фаз этих сигналов, равная в силу идентичности каналов прохождения сигналов «приемная антенна 1 - УВЧ 2 - делитель мощности 3» и «приемная антенна 11 - УВЧ 12 - делитель мощности 13» разности фаз сигналов на выходах приемных антенн 1 и 11. Результат Δϕ измерения указанной разности фаз поступает на третий вход блока обработки результатов измерений и управления 6.
Сигналы с третьих выходов делителей мощности 3 и 13 поступают на вторые входы преобразователей частоты 4 и 14 соответственно.
Блок обработки результатов измерений и управления 6 по результату измерения частоты f измерителем частоты 15 вырабатывает сигнал управления управляемым гетеродином 8, обеспечивающий поддержание частоты fг последнего, равной 
, где с=3·108 м/с - скорость света. Этот сигнал поступает с выхода блока обработки результатов измерений и управления 6 на управляющий вход управляемого гетеродина 8.
Управляемый гетеродин 8 формирует сигнал частотой fг, который поступает на вход делителя мощности 9. Этот сигнал делителем мощности 9 делится на две равные части, которые поступают с его выходов на первые входы преобразователей частоты 4 и 14 соответственно.
Учитывая, что разность частот fг и f на первом и втором входах каждого из преобразователей частоты 4 и 14 равна промежуточной частоте fпр, равной 
, на выходах последних формируются сигналы промежуточной частоты fпр, которые поступают на первый и второй входы измерителя разности фаз 10.
В измерителе разности фаз 10 осуществляется измерение разности фаз поступивших на его входы сигналов промежуточной частоты fпр, и результат Δϕпр измерения поступает на четвертый вход блока обработки результатов измерений и управления 6.
С учетом уравнения (1) разность Δϕпр фаз связана с длиной λпр волны сигнала промежуточной частоты, базой d и пеленгом θ источника сигнала соотношением
.
Учитывая, что 
, можно записать
Полученное соотношение позволяет осуществить грубую оценку θг пеленга θ по формуле
Эта операция выполняется в блоке обработки результатов измерений и управления 6.
Расчет по формуле (2) дает грубое значение θг пеленга θ, так как точность оценки пеленга определяется крутизной пеленгационной характеристики - зависимости Δϕпр(θ), а она в данном случае невелика и составляет 
. Для уточнения пеленга используется результат Δϕ измерения разности фаз принятых приемными антеннами 1 и 11 сигналов и зависимость (1).
Фактическая разность Δϕ' фаз сигналов на выходах приемных антенн 1 и 11 может значительно (в разы) превышать 2π. Реально измеритель разности фаз 7 не реагирует на целую часть отношения Δϕ'/2π, а измеряет только остаток от деления Δϕ' на 2π.
Фактическая Δϕ' и измеренная Δϕ разности фаз связаны соотношением Δϕ'=Δϕ+2πn,
где n=0,±1,±2,...,±K, а K - целая часть отношения 
.
Поэтому уравнение (1) следует записать в виде
Учитывая, что λ=c/f, получим
Уравнение (3) содержит неопределенность - одному значению разности Δϕ фаз соответствует 2K+1 значений пеленга θ.
Для разрешения этой неопределенности в блоке обработки результатов измерений и управления 6 все эти значения рассчитываются и сравниваются со значением θг, рассчитанным в соответствии с уравнением (2), и наиболее близкое из них принимается в качестве результата пеленгования.
Заявляемое устройство достаточно легко реализуемо.
В качестве приемных антенн 1 и 11 могут быть использованы щелевые антенны в экране ограниченных размеров (см., например, Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.В.Дулина, М.С.Жука. М., «Энергия», 1977, с.528, 529).
В качестве УВЧ 2 и 12 могут быть использованы серийно выпускаемые модули типа М421135.
Делители мощности 3, 9 и 13 могут быть выполнены на полосковых элементах (см., например, Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под ред. М.К.Белкина. Киев, Выща школа, 1982, с.212).
Преобразователи частоты 4 и 14 могут быть реализованы на основе перемножения входных сигналов и последующей фильтрации сигнала промежуточной частоты (см., например, Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г.Барулина. - М.: Радио и связь, 1984, с.151-158).
В качестве приемника 5 может быть использован приемник с цифровой обработкой сигнала (см., например, Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г.Барулина. - М.: Радио и связь, 1984, с.16).
В качестве блока обработки результатов измерений и управления 6 может служить ПЭВМ типа «Pentium», дополненная элементами сопряжения с приемником 5, измерителями разности фаз 7, 10 и частоты 15 и управляемым гетеродином 8.
Измерители разности фаз 7 и 10 могут быть выполнены на базе цифровых фазометров (см., например, Соловьев В.Я. Фазовые измерения. М., 1973, с.27...45).
Управляемый гетеродин 8 может быть реализован на базе цифрового синтезатора частоты (см., например, Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г.Барулина. - М.: Радио и связь, 1984, с.68-72).
Измеритель частоты 15 может быть выполнен на однорезонаторных направленных фильтрах с функциональной обработкой откликов выходных сигналов на программируемых логических интегральных схемах (см., например, Э.В.Чекрыгин и др. «Информационно - измерительная система источников радиоизлучений». Вопросы специальной радиоэлектроники. Серия ОВР, Москва-Таганрог, вып.1, 2003, с.7-14).
Технический результат от использования заявляемого устройства радиотехнического контроля источников радиосигналов заключается в том, что оно значительно проще прототипа, так как содержит как минимум в шесть раз меньше антенн и УВЧ и гораздо меньше делителей мощности. Кроме того, оно имеет более высокую точность пеленгования, так как точное значение пеленга в нем определяется фазовым методом, что исключает погрешность из-за неидентичности приемных каналов.
Устройство радиотехнического контроля источников радиосигналов, содержащее последовательно включенные первую приемную антенну, первый усилитель высокой частоты, первый делитель мощности, приемник и блок управления частотой гетеродина и обработки результатов измерений для определения пеленга источников радиосигналов, последовательно включенные вторую приемную антенну, второй усилитель высокой частоты, второй делитель мощности и измеритель частоты, выход которого подключен ко второму входу блока управления частотой гетеродина и обработки результатов измерений для определения пеленга источников радиосигналов, и третий делитель мощности, отличающееся тем, что в него введены два преобразователя частоты, управляемый гетеродин и два измерителя разности фаз, первый и второй входы первого измерителя разности фаз подключены ко вторым выходам соответственно первого и второго делителей мощности, а выход - к третьему входу блока управления частотой гетеродина и обработки результатов измерений для определения пеленга источников радиосигналов, вход управляемого гетеродина подключен к выходу блока управления частотой гетеродина и обработки результатов измерений для определения пеленга источников радиосигналов, а выход - ко входу третьего делителя мощности, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго преобразователей частоты, вторые входы первого и второго преобразователей частоты подключены к третьим выходам соответственно первого и второго делителей мощности, а выходы - соответственно к первому и второму входам второго измерителя разности фаз, выход которого подключен к четвертому входу блока управления частотой гетеродина и обработки результатов измерений для определения пеленга источников радиосигналов, при этом фокальные оси приемных антенн параллельны, центры раскрыва разнесены на расстояние, примерно на порядок превышающее длину волны контролируемого радиосигнала, а ширина диаграммы направленности каждой из антенн составляет 180°.
