Синтез схемы дальномера-пеленгатора на основе процедур пересечения и объединения с обработкой сигнала во временной области Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.96

СИНТЕЗ СХЕМЫ ДАЛЬНОМЕРА-ПЕЛЕНГАТОРА НА ОСНОВЕ ПРОЦЕДУР ПЕРЕСЕЧЕНИЯ И ОБЪЕДИНЕНИЯ С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ

А.В. Волков, В.М. Питолин, Н.А. Самоцвет

На основе использования сферичности фронта волны и процедур безмультипликативной обработки разработан дальномер-пеленгатор, который позволяет на относительно малых базах с использованием одного пункта приема не только определить направление на источник радиоизлучения (ИРИ), но и локализовать его

Ключевые слова: дальномер-пеленгатор, источник радиоизлучения, пересечение, объединение

В настоящее время при выявлении специальных электронных устройств перехвата информации (СЭУПИ) в выделенных помещениях возникает необходимость определения местоположения источника радиоизлучения (ИРИ) на ограниченной территории с использованием одного пункта приема [1]. Эта задача может быть решена угломерно-дальномерным способом на основе измерения фазовых сдвигов в элементах антенных пар с учетом сферичности фронта волны, что позволит на относительно малых базах, на расстояниях в пределах нескольких сотен метров не только определить направление излучения, но и локализовать его.

Целью данной статьи является разработка дальномер-пеленгатора на основе использования сферичности фронта волны и процедур безмультипликативной обработки.

Возможность определения местоположения СЭУПИ по измеренным фазовым сдвигам в горизонтальной плоскости представлена на рис. 1, когда источник радиоизлучения находится на нормали к базе антенной системы.

А2 А м « А1

Рис.1. Разность хода волн

На рис.1 обозначено: АО, А1, А2 - элементы антенной системы; ё - расстояние между элементами (база), Я1 и Я2 - расстояние от ИРИ до центрального элемента АО, г1 и г2 - разность хода волн.

На основе рис.1 фазовый сдвиг между сигналами принятыми центральным элементом антенной решетки и крайними при произвольном расстоянии Я от АО до ИРИ определяется аналитическим выражением:

f1,g -

2-л

~Г

d 2 + R 2 - R

(1)

Волков Алексей Витальевич - ВУНЦ ВВС «ВВА», адъюнкт, тел. 8-950-764-76-80

Питолин Владимир Михайлович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2238018 Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, студент, тел. 8-951-871-87-04

Соответствие между фазовым сдвигом и расстоянием, позволяет определить расстояние до ИРИ.

Г Ф 1,0 • I ^2

d 2 -

R -

2л

(2)

2 -

Г ФЇ

2л

Одновременное измерение фазового сдвига (пеленга) и дальности позволяет решить задачу определения местоположения ИРИ угломерно-дальномерным способом.

На основе изложенного подхода предложена структурная схема дальномер-пеленгатора (рис. 2), который позволяет на основе измеренных фазовых сдвигов и процедур безмультипликативной обработки определить месторасположение ИРИ.

А1 А0 А2

Пр-к 1

*■ П1

Пр-к l

' ’

і

Пр-к 3

ФНЧ-1 I

fft

П4

ПЗ «

П2

X

ФНЧ-2 I

U1

ФНЧ-3 Блок сигнала

пеленга

ип1 -Ul •

I

ПУ

Блок

частоты

Блок

определения

дальности

С датчика угла

Блок

определения

пеленга

R

Q

Рис.2. Структурная схема пеленгатора

Пояснение работы схемы проведем с использованием результатов, полученных при имитационном моделировании в системе Mathcad.

Пусть антенными элементами (АО, А1, А 2) в виде активный вибратор-рефлектор с конкретными параметрами и аналитическим заданием нормированной диаграммы направленности F (в) принят гармонический немодулированный сигнал, который на выходе будет иметь вид:

U 0 ( )-F G (q) - Vm 0 - sin[wt + j0 ] + n 0 (t ), (3)

U l ( )- F 1 (q) - Vm 1 - sin [on +jl ] + n 1 (t), (4)

U 2( )=F 2(q) ■ Vm 2 • sm[wt + j2] + n 2( ) , (5)

где информация о дальности и пеленге ИРИ вводится в начальную фазу относительно средней антенны.

Далее сигналы (3), (4), (5) подвергаются преобразованию и усилению на радиочастоте в приемниках 1, 2, 3. С выходов приемников сигналы поступают на входы блоков пересечения 1, 2, 3, которые реализуют выполнение процедуры Zn = х П у = \х + у | - \х - у | . где я и у - входные

сигналы, сдвинутые по фазе. Сущность работы блоков пересечения 1, 2, 3 во много схожа с работой балансного фазового детектора

п _ . jxm , приxm £Уm

x I У = 2cos Д j \ и осуществ-

[ Ут , при Ут £xm ляет сравнение фаз входных сигналов.

С выходов блоков пересечения сигналы подаются на соответствующие ФНЧ 1, 2 и 3 которые обеспечивают интегрирование по времени и снимают, временную зависимость выходных напряжений (рис. 3).

О 10 ЗО Ї0 »0 J0 60 70 80 90 100 110 130 130 140 1» 160 170 1Є0

Рис.3. Сигналы на выходах ФНЧ

Зависимости (рис. 6) 1, 2, 3 представляют

сигналы с выходов блоков ФНЧ 1, 2 и 3 соответственно. Из рис. 3 видно, что модуляция сигналов диаграммой направленности антенны, позволяет исключить неоднозначность за счет приема по боковым лепесткам.

Далее следует процесс формирования узкой области измерения (отсчета) параметров и, прежде всего, пеленга, который реализуется блоками пересечения 4 и объединения [2] для фазовых сдвигов между центральным элементом антенной решетки и крайними на основе системы уравнений:

Ф пА(в) = 0,5( ф 100) + Ф 2 00 ) - Ф100) - Ф 2 00 ))

■II. I . (6)

Ф и(0 ) = 0,5(Ф !,0(0 ) + Ф 2,0(0 ) + Ф 1,0(0 ) - Ф 2,0(0 ))

Данная система имеет решение только в том случае, когда ф 10(0) = Ф2 0(0). А это возможно, если

направление пеленга совпадает с направлением на ИРИ.

Таким образом, если из напряжений, пропорциональных данным фазовым сдвигам сформировать напряжения пересечения 4 и объединения в соответствии с формулами, то возможно выделение области отсчета пеленга и дальности. Решающее правило с учетом действия шумов будет иметь вид: С • Ф^4(0) > Фи(в), (7)

где С — пороговый коэффициент, от значений которого зависит точность определения пеленга.

Для пояснения процесса формирования области измерения рассмотрим поведение зависимостей

в окрестностях пеленга (р = 65°) показанных крупным планом на рис. 4.

Рис.4. Сигналы для формирования области измерения

На рисунке представлены выходные сигналы блока пересечения 4 (зависимость 1) блока объединения (зависимость 2), а так же сигнал пропорциональный фазовому сдвигу Ф12, между крайними

антеннами (зависимость 3). Откуда видно, что блок пересечения 4 фиксирует равенство фазовых сдвигов Ф 10 и Ф 2 0, и совместно с блоком объединения формирует сигнал пеленга в узкой области измерения в виде обостренного пика. Амплитуда этого экстремума пропорциональна дальности до ИРИ, поскольку это точка совпадения фазовых сдвигов сигналов между центральной и крайними элементами антенны.

Сигнал с выхода блока сигнала пеленга формируется разностью амплитуд сигнала с выхода ФНЧ-3 в точке пеленга между крайними антенными элементами и сигналом пересечения 4 между крайней и центральной антенной в виде и БСП (е ) = и ФНЧ -3 (е) - СП П4 (е), который представлен на рис. 5.

*1.

гг

* к

г'

■ - -

г*'

л

о 20 40 60 80 100 120140 1601Я0 200 220 240 260 380100 ПО МО 160

^ис.э. Сигнал пеленга и нормированная диаграмма направленности

Сигнал с блока сигнала пеленга подается на первый вход порогового устройства. На второй и третий входы этого устройства подаются два пороговых напряжения. Первый порог Ппі выбирается исходя из дальней границы требуемой зоны обзора по дальности К тах и заданного уровня шумов приемника. Второй порог Пп2 выбирается в соответствии с ближней границей этой зоны К т;п .

Разрешающий сигнал с выхода порогового устройства поступает на первые входы блоков определения частоты, дальности и пеленга.

Для определения частоты сигнал опорного канала с выхода приемника 2 поступает в блок спектрального анализа /. с выхода которого напряжение, пропорциональное энергетическому спектру,

поступает в блок определения частоты, соответствующее максимуму спектра.

С выхода блока определения частоты найденное значение F поступает на вход блока определения дальности и, одновременно на выход пеленгатора.

Блок определения дальности производит расчет дальности до ИРИ, используя для этого сигнал с выхода блока пересечения 4, несущий информацию о дальности, и измеренное значение частоты. Расчет производится в момент нахождения ИРИ на направлении нормали к базе антенной системы. Этот момент определяется разрешающим сигналом с выхода порогового устройства. Оценка дальности

п *

К выдается в качестве измеренного параметра.

Для оценки эффективности предлагаемой схемы были выбраны следующие вероятностные показатели: вероятность ложного срабатывания (ложной тревоги) при определении пеленга в условиях действия только шума Р лт , вероятность правильного обнаружения пеленга Р об , относительная погрешность измерения дальности 8 д , которые представлены на рис. 6.

0.3 О 18 0.16 С. 14 0.13 0.1 П rift 0.06 0.04 0.02

—N

\

\

4

0.01 0.020.05 0.04 U .030.06 O.J7U.OV 0.09 0.1

а

V 3

1 >

<r

Рис.6. Зависимости показателей качества работы схемы

На рис.6а представлена зависимость вероятности ложной тревоги при обнаружении пеленга от относительного порога обнаружения. Полученная зависимость позволяет выбрать порог обнаружения при заданном уровне шума.

На рис.6б представлены зависимости вероятности правильного обнаружения пеленга от отношения сигнал/шум, где обозначено: зависимость 1 -Рлт = 10-2, зависимость 2 - Рлт = 4 10-2, откуда видно, что гарантированное обнаружение пеленга в предлагаемой схеме возможно при отношении сигнал/шум более пяти.

На рис.6,в (зависимость 2) представлена зависимость относительной погрешности определения дальности, которая рассчитывалась в соответствии с выражением:

\R о - R R п

-100%,

(8)

где R о - истинное значение дальности (зависи-

- 1 N

мость 3), R - — ^Rt - среднее значение дально-

і=1

сти, найденное по результатам N опытов для каждого фиксированного отношения сигнал/шум на выходе (зависимость 1).

Как следует из рис.бв приемлемые значения относительной погрешности измерения дальности достигаются при отношении сигнал /шум более десяти.

Таким образом, результаты исследование показали, что предложенный дальномер-пеленгатор позволяет на относительно малых базах с использованием одного пункта приема, на расстояниях в пределах нескольких сотен метров не только определить направление на излучение специального устройства перехвата информации в выделенном помещении, но и локализовать его, за счет измерения набега фазы в антенных элементах и применения процедур безмультипликативной обработки.

Литература

1. Чердинцев В.А. Радиотехнические системы. Минск, «Вышэйшая школа», 1988, 369с.

2. Гордиенко В.И., Дубровский С.Е., Рюмшин Р.И., Фенев Д.В. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации. / Изв. Вузов Радиоэлектроника.- 1998.- № 3.- с. 13.

б

в

Воронежский государственный технический университет

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

SYNTHESIS OF THE SCHEME OF A RANGE FINDER OF A DIRECTION FINDER ON THE BASIS OF CROSSING AND JOIN PROCEDURES WITH SIGNAL PROCESSING IN A TIME DOMAIN A.V. Volkov, V.M. Pitolin, N.A. Samosvet

On the basis of the use of ware front sphericity and non-multiplication processing procedures range/direction finders are designed. On relatively small bases with one receiving point the range finders allow not only to determine the direction to radiation source, but also to locate it

Key words: range/direction, radio emission source, crossing, join