Фазовый пеленгатор со схемой подстановки частоты гетеродина при работе по множественной цели Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

УДК 623.68:327.84:621.396.969 И. Д. ЗОЛОТАРЁВ

В. А. БЕРЕЗОВСКИЙ

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

Омский НИИ приборостроения

ФАЗОВЫЙ ПЕЛЕНГАТОР СО СХЕМОЙ ПОДСТАНОВКИ ЧАСТОТЫ ГЕТЕРОДИНА ПРИ РАБОТЕ

ПО МНОЖЕСТВЕННОЙ ЦЕЛИ

Исследуется фазовый пеленгатор мониторинга и пеленга источников сигналов в декамет-ровом диапазоне, реализованный схемой с подстановкой частоты гетеродина. Фазовый пеленгатор (ФПГ) рассматривается в сложных условиях работы по множественной цели. Применение матричного метода для рассмотрения работы пеленгатора в указанных условиях обеспечивает быстрое и наглядное представление сигнала на выходе его через комбинационные компоненты, вызванные взаимодействием сигналов множественной цели при прохождении их через нелинейные элементы ФПГ.

Ключевые слова: фазовый пеленгатор, множественные источники излучения, сигнальная матрица, пеленгационная характеристика.

Фазовые пеленгаторы с подстановкой частоты (СПЧ) гетеродина находят широкое применение, так как позволяют свести сигнал, принимаемый в широком диапазоне частот к одной частоте гетеродина [ 1 ]. Если к тому же в гетеродине используется кварцевая стабилизация, то оказывается возможным существенно обузить полосу пропускания фильтров проме-

жуточной частоты после подстановки ее и тем самым улучшить параметры пеленгатора в отношении его помехоустойчивости и минимизации погрешности измерения разности фаз.

Функциональная схема такого пеленгатора представлена на рис. 1. В этой схеме осуществляется двойное преобразование частоты в каждом из каналов.

"я. V,

Классическое построение ФПГ данного типа предполагает симметричные перекрестные связи между фазовыми каналами (ФК). Измеряемая разность фаз между сигналами на входах фазового дискриминатора (ФД) в данной схеме удваивается относительно разности фаз между сигналами на входах пеленгатора.

Сигналы, поступающие с антенн пеленгатора на смесители СМ 1 и СМ2, запишем в виде

где

ОАО = ЇВД =5Х ехр[|ФГ(/)],

/=| І а I

о АО=Х°?(о =Еи~ ехр[/фГ(/)],

ы »=|

ф;1 (О=ш,/+<?;', ф*(0=о,/+^*,

(і)

и‘‘т —амплитуда сигнала, принятого от /'-го источника на антенну Аг им — амплитуда сигнала, принятого от і -го источника на антенну, Л2 а>1— частота /-го источника излучения, ц/“ и — начальные фазы для сигналов, принятых разнесенными антеннами А1 и Л2 фазового радиопеленгатора.

Для / - ой составляющей колебаний разность фаз

Др,= ФГ(0-Ф*(0 = ^в-^‘.

(2)

Вещественные сигналы, поступающие на смесители, получаем из соотношения (/“•*(*) = 1т{(У“>(/)} .

Сигналы, поступающие на гетеродинные входы смесителей СМЗ и СМ4, представим в форме:

(3)

где вещественные сигналы {/*,(/) и I)к2(0 находим из соотношения

1/ш(/)=1«п{|/ш(/)}. (6)

Подставляя (5) в соотношения (1) и (3), получаем развернутую форму для записи сигналов на выходах каналов

йп(0=+(У„гЦ^К ехр[«(Фг-Ф*+ф,.)].

4 »=1 у=1

й*лп=^итГ£.£иьт,и:, ехР[1(Ф?-ф;+ф,н 4 1-І 7=1

(7)

Для дальнейших исследований удобно переписать в виде

у41(/>=-с г о )££ и:,и:, «Р[/(ц,<+- < л " «-і /=1

^ 7=1

^*,3(о=|^2(о^;.(о={^Е^ехр[/(Ф‘-Ф,.)], =^„(оу; (/)=«ф^ф; - ф(. п

^ /и

Вещественные сигналы

4'Ао(')=Яе{йСА,з(/)}, ^л/Д0=Яс{и(.М4(0}. (4)

Сигналы в фазовых каналах после второго преобразования частоты представим в форме

• ехр[|((й)/. + П„)/ + ц/° -у) + <уг)],

* і-1 7 = 1

•ехр[/((й>,. + 0,;)/ + у/ - V/; + у/()1-После преобразований имеем

У*,(0 = “^т/ |х ®ФР(®г' + А<Р, +¥'/•)] +

+Х X ехр['((«/-+ц, V+- у/, + >]

(=1 м

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК да 3 (83) 2009

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (83) 2009

Оп{0=-ия1.^и1иат1е\р[1(о)г1-А(р1+у/г)]+

+Х X и*и* ехр[/((<а/ + п„ у+- К+М1

1=1 7=1 /*'

Если режим преобразований частоты при первом преобразовании в смесителе СМ2 и втором преобразовании в смесителе С М3 выбран таким, что приведенные к выходу сигналы от одного излучателя антенн оказываются равны, т. е.

t/..=icи

(9)

то первая из формул для сигнала на выходе 1-го канала может быть приведена к виду:

+ 2Z Z U«U- cos(n,/ + ^)exp

При этих же условиях к аналогичному виду могут быть приведены и выражения сигнала на выходе 2-го канала пеленгатора:

Найдем квадратные матрицы порядка л для сигналов на выходе фазовых каналов

=^^,(op;z(o]r. из)

0»(1)=\0лЛ‘)[0Ьл1)]=^-о,лп[о:„(1)]'. (и)

Каждый элемент комплексной матрицы определяет отдельную компоненту сигнала на выходе фазового канала. Так, для матрицы (13)

^(о=^.,^;ехр,[ФГ(г)-Ф;(/)+Ф,.(/)]. i,J е 1 ,#!.

Для матрицы (14)

b,J(i)=^umru:lu:,cxpi[o:(,)-o->t(i)+oru)]

или

4,(0 = ^UmrUlUkmi expi[(<y,. +Cl,/)t+A<plJ +ц/г], K^AVruUlu:, exp,[(«,. +n„)t-A<p,l +Vr],

(15)

I Ії/І ехр[/(-Д« + Ф,.)] +

4 [ГГ (11)

^,^,cos(Q,/ + vv,,)exp

Ы /»<+!

/ A(p,+A<p) / ------ + Ф,

I 2

где = и* ~чг№, Ч'.п, = \{чК + ¥',*)• + <)•

Напряжения, поступающие на сигнальные входы смесителей, представим согласно (1) в виде п-мерных векторов 0Л1(1) и 0А2(1)

ол1 =[и;о),и°2(о...и°„и)]Т, йА1(0=10Ц1),иь2«)...и>(/)]г.

Тогда запишем с учетом (3) сигналы, поступающие на гетеродинные входы смесителей СМЗ и СМ4, в виде п-мерных векторов

'Of uf

(/* 0• , (12)

Pf ■Ь’ •

где {/;=[/" ехР/Ф^(/), У* = £/£, ехр/Ф*(/),

Ф,,’(0 = <а,/ + ^,“, Ф*(0 = й>/ + ^*.

Согласно (3), сигналы и 0СШ(1) опреде-

ляются как суммы элементов соответствующих векторов, т. е.

0сш(1) = ^~it>,‘(0, {/ом(') = ^ і-\ 2

где А<Р0 = у/°-у/, А<р,, =Ц/]П(/ = <и, ~(0Г при / = у получим А<р„ ^А<р,, О,, = 0.

Вещественные элементы матрицы в„(0 или 6;/(/) найдем, определив из (б) мнимую часть этих функций:

а„ (0 = - sin [("г + П* У +А*„ + V'r ].

ь„ (0 = 7sin [(®г + Ql;)/ - Д+ у/,. ].

(16)

Вещественные сигналы найдем, воспользовавшись операцией (4).

Во всех приведенных квадратных матрицах, как и ранее, номер строки относится к /-му излучателю сигналов (первый индекс элемента матрицы). При этом первый индекс определяет направление, поступающее на сигнальный входсмесителейСМЗи СМ4. Второй индекс (номер столбца) относится к сигналу /-го излучателя (второй индекс элемента матрицы). Сигналы су-м индексом поступают после первого преобразования частоты на гетеродинные входы смесителей СМЗ и СМ4.

Инверсия индексов при определении А<р/( (формулы (15) и (16)) вытекает из выбранной записи разности фаз А<р, = ц/° - ц/*, откуда и было принято Д(рч =у/“ —1///. Согласно этому определению, разность фаз находится вычитанием начальных фаз сигналов, снимаемых с антенны А2 (индекс «Ь»), из начальных фаз сигналов, снимаемых с антенны А1 (индекс «а»). Поскольку элементы определены так, что <-й индекс соответствует сигналам, поступающим с антенны А2, иу-й — сигналам с антенны А1, то получаем в выражении для Ьч разностьфаз Д^.гдедля конкретного источника индексы для разности фаз и знак инвертированы относительно определения компонент сигнала в первом канале. Отсюда на выходе ФДдля определенного источника имеем удвоенное значение разности фаз. Следовательно, крутизна пеленгационной характеристики для ФПГсо схемой подстановки частоты в 2 раза выше, чем при каноническом построении схемы ФПГ.

При реальном режиме ФПГ, когда имеем С/м =

= иат - 11ьш, V/ е 1, п, можно записать вытекающее из (9) соотношение

и°1/1 = иьми° = и“иьм. (17)

пч ш/ пч /я/ /иу и/

В этом случае ма трица амплитуд становится симметрической, то есть

ит„=ит1г (18)

Перейдем к рассмотрению фазовых матриц для сигналов на выходе фазовых каналов. В соответствии с выражением (13) найдем матрицу (ркх, элементы которой

<Р„ = ф‘! ~ +ф/ (19)

или (0 = [(<у, - <«,) + <уг ]'+< - К +^Г=(®Г+Ц),+

+ Д(Р,; \уг определяют фазовые соотношения для отдельных комбинационных компонент сигнала, задаваемых элементами сигнальной матрицы 0к1(1),

представленной в форме (13).

С учетом (19) можно записать:

%,(/) = ДФ*,(/) + Ф,(0, (20)

где ДФ*,(0 = Ф„(0 - Ф^ (/) —квадратная матрицап-го порядка, Ф, (/) имеетвсе одинаковые элементы, равные Ф ДО-

Определим фазовые матрицы для сигнала на выходе второго канала. Согласно матрице (14),

£„(/) = ДФ„(/)+Фг(0. (21)

Каждый элемент Сизовой матрицы <рк2(I) определен из (14) как

^(') = Ф*-Ф“+Ф, (22)

или

<Р„(0 = [(®,~ О),) + <»/- ] ' + Уь, - + V,- =

= (в>/.+Пч)г-А^+^г.

Рассмотрим структуры матриц, определяющих сигналы па выходе фазовых каналов. Сигналы, снимаемые на ФД с каждого из фазовых каналов, определяются в общем случае выражениями (7) и, следовательно, могутбыть найдены суммированием всех элементов матриц (13) для {/*,(/) и (14) для 0к1(1).

На главной диагонали этих матриц расположены элементы, определяющие собственные комбинационные частоты, приведенные к частоте гетеродина. Число этих составляющих равно числу излучателей п. Сумма собственных комбинационных компонент определена как след матрицы

Зр{#н(0} = \ит1 ехр[/'(®,7-Д<Р,+Ч/Г%

4 1-1

$р{Ои(п}=^ итГ £ иат,Ь'1 ехр[/(<у;7 + Д <р, + у/;.)).

Остальные («' -я) комбинационных компонент определены элементами ма триц (13) и (14), лежащих вне главных диагоналей.

Фазовая матрица, определяющая текущее значение фазы компонент сигнала, определится как

6,=О*. + Фг(0. (23)

где Ф, (/) — треугольная матрица, все ненулевые элементы которой равны Фг(0 = со, I + у/.

Рассмотрим преобразованную к треугольному виду фазовую матрицу 0 = аг§ ач. Эта матрица может быть записана в виде

А<р, Д^+Д^ Др, + Д«’„.1 Д«о, + Д <Р„

2 2 2

0 Д ч>2 Д <р2 + Д<о„_, 2 Дрз + Др* 2

0 0 0 д<г,

Запишем (13) в виде

У*,(0 = ^г(0ё(0, (25)

где 0(1) —треугольная матрица. Сопоставляя (10) и (11) для сигналов 0к1(1) и 0к2(1), замечаем, что треугольная матрица для £/*,(/) можетбытьпредставлена матрицей (25), комплексно-сопряженной 0 , т. е.

1>»2(0 = 7^г(0^(0. (26)

4

Следовательно, амплитудная матрица для 0к1(1) совпадаете амплитудной матрицей (/„*,(/). Фазовая матрица _ <рк2(1) = ©*2 + Ф,.(/), где матрица 0П = (-1)©,,. Здесь 04| определяется из (24).

Быстрый рост числа комбинационных компонент с ростом числа излучателей, приводящий к разрушению фазовых соотношений между сигналами, обусловливает резкое усложнение исследований из-за существенно возрастающей громоздкости аналитических преобразований. Поэтому при ограниченном на практике числе пеленгуемых излучателей нецелесообразно рассматривать общий случай произвольного числа излучателей, т. к. быстрое размножение числа комбинационных составляющих с ростом п может привести при поиске методов решения поставленной задачи разрешения сигналов к потере иногда очень небольших возможностей, которые позволяют обеспечить раздельный пеленг при работе ФПГ по множественному сигналу [2 — 5].

Кроме того, как следует из треугольных матриц (24), множественность пеленгуемой цели существенно ухудшает характер пеленгационной характеристики, что не позволяет получать высоких точностей пеленгации каждого из множества объектов. Тем не менее использование специальных схем укорочения принятых радиоимпульсных сигналов, атакже путем усложнения аппаратуры созданием нулевых зон приема удается улучшить возможности раздельной пеленгации множественной цели |2,5 —8].

Библиографический список

1. Шредер, К.А. Измерение фаз и выходные данные системы «Минитрэк» [Текст] / К.А. Шредер, К.Г. Луней, Г.Е. Карпентер: сокращенный перевод части V Руководства по эксплуатации системы «Мини-трек». — М., 1959. — 37с.

2. Царьков, Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители [Текст| / Н.М. Царьков. — М.: Сов. радио, 1980. — 192 с.

3. Цветнов, В.В. Фазовые корреляционные свойства сигналов и помех в двухканальных фазовых системах [Тскст| / В.В. Цветнов//Радиотехника. — 1958. — №4. — С. 59 —62.

4. Леонов, А.Н. Моноимпульсная радиолокация [Текст] / АН. Леонов, К.Н. Фомичев. — 2-е изд., доп. и перераб. — М. : Радио и связь, 1984. — 312 с.

5. Ширман, Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов [Текст] / ЯД. Ширман. — М.: Сов. радио, 1974. — 360 с.

6. Золотарев, ИД Исследование прохождения радиоимпульсов с прямоугольной огибающей через систему укорочения «колебательный контур-резистор» [Текст] / И.Д. Золотарев // Магнитные и электрические измерения : межвуз. сб. — Омск:ОмПИ, 1980. - С. 135-138.

7. Золотарев, ИД,. Временное разрешение радиоимпульсных сигналов системой укорочения [Текст| / И.Д. Золотарев, С.П. Седельников // Электронные и электромагнитные измерительные устройства и преобразователи: межвуз. сб. науч. трудов. — Омск: ОмПИ, 1981. - С. 93-97.

8. Золотарев. И.Д. Исследование фазовых соотношений при высокочастотном дифференцировании радиоимпульсов с прямо-

угольной огибающей [Текст] / И.Д Золотарев, С И. Журавлев // Электронные и электромагнитные устройства в измерительной технике: межвуз. сб. трудов. — Омск:ОмПИ. 1982. — С. 141 - 145.

ЗОЛОТАРЁВ Илья Давыдович, доктор технических наук, профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф. М. Достоевского.

Адрес для переписки: e-mail: izolotarev@navsystcm. ru БЕРЕЗОВСКИЙ Владимир Александрович, кандидат технических наук, директор Омского НИИ приборостроения.

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 05.10.2009 г.

© И. Д. Золотарев, В. Л. Березовский

УДК 623.68:327.84: 621.396.969 Ц. Д. ЗОЛОТАРЁВ

В. А. БЕРЕЗОВСКИЙ

Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского

Омский НИИ приборостроения

ФАЗОВЫЕ ПЕЛЕНГАТОРЫ В УСЛОВИЯХ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ БОРЬБЫ_____________________________________________________

Рассмотрена работа фазового пеленгатора (ФПГ) мониторинга и пеленга источников сигналов в декаметровом диапазоне. Исследован ФПГ, функционирующий в условиях радиоэлектронной борьбы. Для анализа канонической схемы ФПГ с перестраиваемым гетеродином в этих условиях потребовалось разработать матричный метод. На главной диагонали матрицы содержатся элементы, соответствующие собственным комбинационным частотам, другие элементы матрицы отражают взаимно комбинационные составляющие сигнала на выходе фазового дискриминатора. Применительно к работе ФПГ с общим гетеродином в декаметровом диапазоне предложены решения, обеспечивающие независимую пеленгацию разнесенных в пространстве источников излучения копий сигналов.

Ключевые слова: фазовый пеленгатор, источники излучения копий сигналов, сигнальные матрицы, пеленгационная характеристика.

Одним из важнейших направлений использования ФПГ является применение их для разведки и определения пеленга «чужих» источников излучения [1—4]. В условиях радиоэлектронной борьбы эффективным средст во противодействия фазовой пеленгации является создание разнесенных в рамках одной позиции одновременно работающих источников копий наложенных сигналов. Это приводит к трудно предсказуемой деформации пеленгационной характеристики ФПГ. Применительно к решению задачи наведения летательного аппарата на источник излучения, подлежащий огневому уничтожению, за счет сигналов, разнесенных в пространстве отвлекающих излучателей, осуществляется «силовой» отвод управляемого аппарата от цели. Имеющаяся в этом случае множественность сигналов существенно усложняет функционирование и исследование работы бортовых ФПГ по критерию минимизации ошибки пеленга.

Исследуем преобразование сигналов при каноническом построении схемы двухканального фазового пеленгатора с общим перестраиваемым гетеродином (поисковый режим пеленгации подиапазону) в условиях работы ФПГ по множественной цели (рис. 1).

Примем, что в схеме преобразователя частоты на выходе включен полосовой фильтр (ПФ), для фазового дискриминатора (ФД) —фильтр низких частот (ФНЧ). Комбинационные составляющие, возникающие при взаимодействии на нелинейных элементах (НЭ) сигналов, принятых на разнесенные антенны ФП Г от одного и того же источника излучен ия, определим как собственные комбинационные составляющие (компоненты) (СКС, СКК). Комбинационные составляющие, образуемые взаимодействием на НЭ сигналов от различных излучателей, определим как взаимные комбинационные составляющие (компоненты) (ВКС, ВКК).