Способ автоматизированного контроля источников импульсных радиоизлучений
Владельцы патента RU 2351944:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения пеленга и частоты источника импульсных радиоизлучений. Способ основан на приеме радиоимпульсов двумя идентичными антеннами, центры раскрыва которых разнесены в плоскости пеленгования на расстояние, в 5…10 раз превышающее длину волны контролируемых радиоимпульсов, измерении их несущей частоты, измерении разности фаз между радиоимпульсами, принятыми первой и второй антеннами, вычислении нескольких значений пеленга источника радиоимпульсов по измеренной разности фаз по формуле
,
где Θ - вычисляемое значение пеленга, отсчитываемое по часовой стрелке от перпендикуляра к прямой, соединяющей центры раскрыва антенн; d - расстояние между центрами раскрыва антенн; с=3·108 м/с - скорость света; f - измеренная несущая частота радиоимпульсов; Δφ - измеренная разность фаз сигналов с выходов первой и второй антенн; n - натуральное число или ноль, сравнении их с грубой оценкой Θг пеленга и принятии наиболее близкого к ней в качестве пеленга на источник радиоимпульса. Введенные прием радиоимпульсов третьей антенной, измерение временного сдвига между радиоимпульсами, принятыми первой и третьей антеннами, и вычисление грубой оценки пеленгов по результатам этих измерений обеспечивают достижение технического результата изобретения - расширение сектора пеленгования. 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения пеленга и частоты источника импульсных радиоизлучений.
Известен амплитудный способ пеленгования радиоизлучений, основанный на приеме сигнала источника радиоизлучения двумя антеннами с общим центром раскрыва, фокальные оси которых сдвинуты одна относительно другой примерно на ширину диаграммы направленности (ДН), измерении амплитуд сигналов на выходах антенн и последующем их сравнении [А.И.Леонов, К.И.Фомичев. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Сов. радио, 1984, с.6, рис.1.1 а].
Признаком этого способа, совпадающим с признаками заявляемого способа, является прием сигнала источника радиоизлучения разными антеннами.
Причиной, препятствующей достижению данным способом пеленгования требуемого технического результата, является низкая точность, обусловленная неидентичностью приемных каналов и нелинейностью рабочих участков ДН антенн, необходимых для реализации способа.
Более высокую точность дает фазовый способ пеленгования, основанный на приеме сигнала источника радиоизлучения двумя антеннами, фокальные оси которых совпадают по направлению, а центры раскрыва разнесены в пространстве, и последующем измерении фазового сдвига между принятыми сигналами на выходах антенн [А.И.Леонов, К.И.Фомичев. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Сов. радио, 1984, с.6, рис.1.1б]. Все перечисленные признаки этого способа совпадают с существенными признаками заявляемого способа.
Причиной, препятствующей достижению данным способом пеленгования требуемого технического результата, является неоднозначность результатов пеленгования при большой ширине ДН антенн. Уменьшение же ширины ДН антенн ведет к соответствующему уменьшению сектора пеленгования, обеспечиваемому двумя антеннами, либо к увеличению числа антенн и приемных каналов, что затруднительно при создании бортовых средств контроля источников радиоизлучений. Другим недостатком этого способа является относительно низкая точность пеленгования, обусловленная отличием истинной длины волны контролируемого сигнала от расчетной, для устранения которого необходимо вводить поправку по частоте. Третьим недостатком этого способа, присущим и указанному выше амплитудному способу, являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что в средствах автоматизированного контроля источников радиоизлучений часто необходимо знать не только пеленг на источник радиоизлучений, но и несущую частоту излучаемого радиоимпульса, а описанные способы пеленгования определить эту частоту не позволяют.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (прототипом) является способ автоматизированного контроля источников радиоизлучений, защищенный патентом РФ №2260814 от 13.05.2004 г. кл. МПК 7 G01S 3/02. Он основан на приеме радиоимпульсов двумя идентичными антеннами, центры раскрыва которых разнесены в плоскости пеленгования на расстояние, в 5…10 раз превышающее длину волны контролируемых радиоимпульсов, измерении их несущей частоты, измерении разности фаз радиоимпульсов, принятых первой и второй антеннами, вычислении нескольких значений пеленга источника радиоимпульсов по измеренной разности фаз по формуле
,
где Θ - вычисленное значение пеленга, отсчитываемое по часовой стрелке от перпендикуляра к прямой, соединяющей центры раскрыва антенн;
d - расстояние между центрами раскрыва антенн;
с=3·108 м/с - скорость света;
f - измеренная несущая частота радиоимпульсов;
Δφ - измеренная разность фаз сигналов с выходов первой и второй антенн;
n - натуральное число или ноль,
сравнении их с грубой оценкой Θг пеленга и принятии наиболее близкого к ней в качестве пеленга на источник радиоимпульса. При этом фокальные оси антенн сдвигают одну относительно другой в плоскости пеленгования примерно на половину ширины диаграммы направленности, а грубую оценку Θг пеленга осуществляют путем измерения амплитуд, принятых антеннами радиоимпульсов, и вычисления отношения разности амплитуд, принятых антеннами радиоимпульсов, к их сумме.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются описанные прием радиоимпульсов двумя идентичными антеннами, измерение их несущей частоты и разности фаз, вычисление нескольких значений пеленга, сравнение их с грубой оценкой пеленга и принятие наиболее близкого к ней в качестве пеленга на источник радиоимпульса.
Этот способ позволяет определять как пеленг источников радиоимпульсов, так и несущую частоту последних. Причиной, препятствующей достижению данным способом контроля требуемого технического результата, является относительно узкий сектор пеленгования, обусловленный относительно узкой шириной ДН антенн. Увеличение же их ширины свыше 45°…60° вызывает настолько большую погрешность грубой оценки пеленга амплитудным методом при больших отклонениях направления на источник радиоизлучения от равносигнального, что она не позволяет исключить неоднозначность точной оценки пеленга фазовым методом.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение сектора пеленгования.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе автоматизированного контроля источников импульсных радиоизлучений, основанном на приеме радиоимпульсов двумя идентичными антеннами, центры раскрыва которых разнесены в плоскости пеленгования на расстояние, в 5…10 раз превышающее длину волны контролируемых радиоимпульсов, измерении их несущей частоты, измерении разности фаз радиоимпульсов, принятых первой и второй антеннами, вычислении нескольких значений пеленга источника радиоимпульсов по измеренной разности фаз по формуле
,
где Θ - вычисленное значение пеленга, отсчитываемое по часовой стрелке от перпендикуляра к прямой, соединяющей центры раскрыва антенн;
d - расстояние между центрами раскрыва антенн;
с=3·108 м/с - скорость света;
f - измеренная несущая частота радиоимпульсов;
Δφ - измеренная разность фаз сигналов с выходов первой и второй антенн;
n - натуральное число или ноль,
сравнений их с грубой оценкой Θг пеленга и принятии наиболее близкого к ней в качестве пеленга на источник радиоимпульса, число n выбирают из условия, чтобы значение Θ по модулю не превышало 0,5π, радиоимпульсы принимают еще и третьей антенной, центр раскрыва которой устанавливают на одной прямой с центрами раскрыва первых двух на расстоянии порядка 10 метров от центра раскрыва первой, при этом фокальные оси всех трех антенн устанавливают в плоскости пеленгования перпендикулярно этой прямой и параллельно одна другой, измеряют временной сдвиг между радиоимпульсами, принятыми первой и третьей антеннами, а грубую оценку Θг пеленга вычисляют по формуле
,
где τ - измеренный временной сдвиг между радиоимпульсами, принятыми первой и третьей антеннами;
d1 - расстояние между центрами раскрыва первой и третьей антенн.
Совокупность вновь введенных операций с контролируемыми радиоимпульсами и вычислений не следует явным образом из уровня техники, поэтому заявляемый способ следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведено взаимное расположение источника контролируемых импульсов и приемных антенн.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1, 2 и 3 - первая, вторая и третья приемные антенны соответственно;
4 - источник контролируемых радиоимпульсов;
Θ - пеленг на источник 4;
d - расстояние между центрами раскрыва первой и второй антенн;
d1 - расстояние между центрами раскрыва первой и третьей антенн.
Стрелками на чертеже показаны направления фокальных осей антенн (они параллельны между собой и перпендикулярны прямой, соединяющей центры раскрыва), направление отсчета пеленга Θ от фокальных осей антенн и линейные размеры d и d1. Пунктиром на чертеже показаны диаграммы направленности антенн в плоскости пеленгования. Ширина каждой из этих диаграмм составляет 180°.
Сущность предлагаемого способа автоматизированного контроля источников импульсных радиоизлучений заключается в следующем.
Радиоимпульсы источника 4 принимают идентичными антеннами 1, 2 и 3, центры раскрыва которых расположены на одной прямой. При этом фокальные оси антенн перпендикулярны этой прямой и параллельны между собой, а направление на источник 4 (пеленг источника 4) образует с фокальными осями антенн угол Θ, отсчитываемый по часовой стрелке. Ширина диаграммы направленности каждой из антенн 1, 2 и 3 в плоскости пеленгования составляет 180°. Расстояние d между центрами раскрыва антенн 1 и 2 в 5…10 раз превышает длину волны принимаемых радиоимпульсов, а расстояние d1 между центрами раскрыва антенн 1 и 3 составляет величину порядка 10 метров.
Измеряют несущую частоту f принятых радиоимпульсов.
Измеряют разность фаз Δφ радиоимпульсов, принятых одновременно антеннами 1 и 2.
Кроме того, измеряют временной сдвиг между радиоимпульсами, принятыми одновременно (в течение одного радиоимпульса) антеннами 1 и 3 (процесс измерения временного сдвига будет описан ниже).
В соответствии с чертежом разность путей сигнала от источника 4 до центров раскрыва антенн 1 и 3 составляет величину d1SinΘ, а временной сдвиг τ между радиоимпульсами на входах антенн 1 и 3 определится
Уравнение (1) можно записать в виде
Погрешность измерения временного сдвига τ достаточно велика, следовательно, оценку пеленга, осуществленную в соответствии с уравнением (2), следует считать грубой. Поэтому уравнение (2) следует записать в виде
имея в виду, что Θг - грубая оценка пеленга. Итак, по формуле (3) производят грубую оценку пеленга.
Для уточнения пеленга, как и в способе-прототипе, используют результаты измерения разности фаз Δφ радиоимпульсов, принятых антеннами 1 и 2 одновременно, и результат измерения несущей частоты f. Для этого рассчитывают ряд значений пеленга по формуле
где n - целое число или ноль.
Число n выбирают из условия, чтобы пеленг Θ находился в пределах 
. Это условие можно записать в виде
.
Рассчитанные значения пеленга сравнивают с грубой оценкой Θг, полученной по формуле (3), и наиболее близкое к ней принимают в качестве пеленга на источник радиоимпульсов.
Нетрудно видеть, что в предлагаемом способе с помощью трех пеленгационных каналов обеспечивается сектор пеленгования 180°, в то время как в способе-прототипе с помощью двух пеленгационных каналов обеспечивается сектор пеленгования 45°…60°, а с помощью трех - 90°…120°. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ обеспечивает более широкий сектор пеленгования, чем прототип.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым в предлагаемом способе контроля, является расширение сектора пеленгования.
Заявляемый способ достаточно легко реализуем.
Измерение временного сдвига τ может быть осуществлено путем преобразования радиоимпульса, принятого антеннами 1 и 3, в видеоимпульсы, формирования интервала времени между передними фронтами этих видеоимпульсов и подсчета числа импульсов достаточно высокой эталонной стабильной частоты, умещающихся в этом интервале.
В качестве антенн 1…3 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]. Измерение разности фаз Δφ может быть осуществлено с помощью фазового детектора типа ФИФК с аналоговыми выходами. Измерение несущей частоты f может быть осуществлено с помощью однорезонаторных направленных фильтров с функциональной обработкой выходных сигналов на программируемых логических интегральных схемах типа FLEX фирмы "ALTERA". На этих же схемах могут быть выполнены вычисления по формулам (3) и (4).
Способ автоматизированного контроля источников импульсных радиоизлучений, основанный на приеме радиоимпульсов двумя идентичными антеннами, центры раскрыва которых разнесены в плоскости пеленгования на расстояние, в 5…10 раз превышающее длину волны контролируемых радиоимпульсов, измерении их несущей частоты, измерении разности фаз между радиоимпульсами, принятыми первой и второй антеннами, вычислении нескольких значений пеленга источника радиоимпульсов по измеренной разности фаз по формуле
где Θ - вычисляемое значение пеленга, отсчитываемое по часовой стрелке от перпендикуляра к прямой, соединяющей центры раскрыва антенн;
d - расстояние между центрами раскрыва антенн;
с=3·108 м/с - скорость света;
f - измеренная несущая частота радиоимпульсов;
Δφ - измеренная разность фаз сигналов с выходов первой и второй антенн;
n - натуральное число или ноль,
сравнении их с грубой оценкой Θг пеленга и принятии наиболее близкого к ней в качестве пеленга на источник радиоимпульса, отличающийся тем, что число n выбирают из условия, чтобы значение Θ по модулю не превышало 0,5π, радиоимпульсы принимают еще и третьей антенной, центр раскрыва которой устанавливают на одной прямой с центрами раскрыва первых двух на расстоянии порядка 10 м от центра раскрыва первой, при этом фокальные оси всех трех антенн устанавливают в плоскости пеленгования перпендикулярно этой прямой и параллельно одна другой, измеряют временной сдвиг между радиоимпульсами, принятыми первой и третьей антеннами, а грубую оценку Θг пеленга вычисляют по формуле
где τ - измеренный временной сдвиг между радиоимпульсами, принятыми первой и третьей антеннами;
d1 - расстояние между центрами раскрыва первой и третьей антенн.
