Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА ИСТОЧНИК СИГНАЛА

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам.

Известно устройство для определения направления [1], содержащее электронно-лучевую трубку, последовательно соединенные первые магнитную антенну, полосовой фильтр, усилитель, синхронный детектор и формирователь сигналов, последовательно соединенные вторые магнитную антенну, полосовой фильтр, усилитель, синхронный детектор и формирователь сигналов, последовательно соединенные электрическую антенну, третий полосовой фильтр, третий усилитель, фазовращатель и ограничитель, причем выход последнего подключен ко вторым входам первого и второго синхронных детекторов, а выходы формирователей сигналов подключены к электронно-лучевой трубке.

Это устройство не обеспечивает возможности пространственной селекции источников сигналов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для определения направления на источник сигнала [2], содержащее последовательно соединенные первую магнитную антенну, первый усилитель, первый повторитель и первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору), последовательно соединенные вторую магнитную антенну, второй усилитель, второй повторитель и второй АЦП, подключенный к ПЭВМ, а также последовательно соединенные третью антенну, третий усилитель, третий повторитель и третий АЦП, подключенный к ПЭВМ, причем первая и вторая магнитные антенны ориентированы, соответственно, в направлениях Север-Юг и Запад-Восток, третья электрическая антенна выполнена с круговой диаграммой направленности, а ПЭВМ начинает цикл управления приемом и обработкой информации при превышении заданной величины сигналом от любой из указанных трех антенн, причем при появлении полезного сигнала производится вычисление направления на источник сигналов.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности селекции источника сигналов в трехмерном пространстве.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность селекции источника сигналов в трехмерном пространстве.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения направления на источник сигнала, содержащее последовательно соединенные первую магнитную антенну и первый усилитель, последовательно соединенные вторую магнитную антенну, перпендикулярную первой магнитной антенне, и второй усилитель, последовательно соединенные третью антенну и третий усилитель, а также первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи (АЦП), подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору), которая начинает цикл управления приемом и обработкой информации при превышении заданной величины сигналом от любой из указанных трех антенн, причем при появлении полезного сигнала производится вычисление направления на источник сигналов, дополнительно содержит блок системы единого времени (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные четвертый усилитель, первый смеситель, первый управляемый фильтр и четвертый АЦП, последовательно соединенные пятый усилитель, второй смеситель, второй управляемый фильтр и пятый АЦП, последовательно соединенные шестой усилитель, третий смеситель, третий управляемый фильтр и шестой АЦП, последовательно соединенные первый коммутатор, четвертый управляемый фильтр и седьмой АЦП, последовательно соединенные второй коммутатор, пятый управляемый фильтр и восьмой АЦП, последовательно соединенные третий коммутатор, шестой управляемый фильтр и девятый АЦП, последовательно соединенные четвертый коммутатор, седьмой управляемый фильтр и десятый АЦП, последовательно соединенные пятый коммутатор, восьмой управляемый фильтр и одиннадцатый АЦП, последовательно соединенные шестой коммутатор, девятый управляемый фильтр и двенадцатый АЦП, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и первый калибратор, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные третий ЦАП и третий калибратор, последовательно соединенные четвертый ЦАП и формирователь, а также десятый, одиннадцатый и двенадцатый управляемые фильтры, подключенные входами, соответственно, к первому, второму и третьему усилителям, а выходами подключенные, соответственно, к первому, второму и третьему АЦП, а также гониометр с тремя взаимно перпендикулярными осями X, Y, Z, выполненный с ротором, связанным посредством пружинных опор с тремя цифровыми снабженными энкодерами приводами поворота ротора, соответственно, по осям X, Y, Z, с размещенными на роторе взаимно перпендикулярно по осям X, Y, Z экранированными друг от друга первой, второй и третьей полевыми обмотками, подключенными, соответственно, к первому, второму и третьему усилителям, а также с m неподвижными первыми искательными обмотками и m неподвижными вторыми искательными обмотками, размещенными равномерно вокруг оси Z ротора и подключенными, соответственно, к первому и второму коммутаторам, с n неподвижными третьими искательными обмотками и n неподвижными четвертыми искательными обмотками, размещенными равномерно вокруг оси Y ротора и подключенными, соответственно, к третьему и четвертому коммутаторам, с s неподвижными пятыми искательными обмотками и s неподвижными шестыми искательными обмотками, размещенными равномерно вокруг оси X ротора и подключенными, соответственно, к пятому и шестому коммутаторам, причем искательные обмотки разделены экранами, первый, второй и третий смесители вторыми входами подключены, соответственно, к выходам первого коммутатора, третьего коммутатора и пятого коммутатора, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители выполнены управляемыми по фазовому сдвигу и усилению с управляющими входами, подключенными к ПЭВМ, третья антенна выполнена магнитной и ориентирована перпендикулярно первой и второй магнитным антеннам, управляющие входы управляемых фильтров подключены к выходу формирователя, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам, четвертый, пятый и шестой усилители подключены входами, соответственно, к третьему, второму и первому усилителям, а приводы роторов, энкодеры, входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, выходы с четвертого по двенадцатый АЦП и управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов подключены к ПЭВМ.

Такое выполнение устройства для определения направления обеспечивает возможность селекции источника сигналов в трехмерном пространстве.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, полевые обмотки показаны без экранов, показаны для примера в виде антенн, параллельных первой, второй и третьей магнитным антеннам и создающих поле, подобное принимаемому антеннами.

На фиг.2 представлены пример укладки 2m обмоток в одном слое и фрагмент обмоток, показано размещение искательных обмоток вокруг ротора и размещение первых и вторых искательных обмоток вокруг оси Z ротора. Третьи и четвертые, пятые и шестые обмотки размещаются аналогично вокруг осей Y и X.

Принятые обозначения: 1 - первая магнитная антенна, 2 - первый усилитель, 3 - вторая магнитная антенна, 4 - второй усилитель, 5 - третья антенна, 6 - третий усилитель, 7 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 8 - второй АЦП, 9 - третий АЦП, 10 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ или микропроцессор), 11 - блок системы единого времени (GPS или Глонасс), 12 - блок связи с абонентами, 13 - четвертый усилитель, 14 - первый смеситель, 15 - первый управляемый фильтр, 16 - четвертый АЦП, 17 - пятый усилитель, 18 - второй смеситель, 19 - второй управляемый фильтр, 20 - пятый АЦП, 21 - шестой усилитель, 22 - третий смеситель, 23 - третий управляемый фильтр, 24 - шестой АЦП, 25 - первый коммутатор, 26 - четвертый управляемый фильтр, 27 - седьмой АЦП, 28 - второй коммутатор, 29 - пятый управляемый фильтр, 30 - восьмой АЦП, 31 - третий коммутатор, 32 - шестой управляемый фильтр, 33 - девятый АЦП, 34 - четвертый коммутатор, 35 - седьмой управляемый фильтр, 36 - десятый АЦП, 37 - пятый коммутатор, 38 - восьмой управляемый фильтр, 39 - одиннадцатый АЦП, 40 - шестой коммутатор, 41 - девятый управляемый фильтр, 42 - двенадцатый АЦП, 43 - первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 44 - первый калибратор, 45 - второй ЦАП, 46 - второй калибратор, 47 - третий ЦАП, 48 - третий калибратор, 49 - четвертый ЦАП, 50 - формирователь, 51 - десятый управляемый фильтр, 52 - одиннадцатый управляемый фильтр, 53 - двенадцатый управляемый фильтр, 54 - гониометр, 55 - ротор, 56 - пружинные опоры, 57 - первый цифровой привод, 58 - первый энкодер, 59 - второй цифровой привод, 60 - второй энкодер, 61 - третий цифровой привод, 62 - третий энкодер, 63 - первая полевая обмотка, 64 - вторая полевая обмотка, 65 - третья полевая обмотка, 66 - m первых искательных обмоток, 67 - m вторых искательных обмоток, 68 - n третьих искательных обмоток, 69 - n четвертых искательных обмоток, 70 - s пятых искательных обмоток, 71 - s шестых искательных обмоток, 72 - экраны.

Устройство для определения направления на источник сигнала содержит последовательно соединенные первую магнитную антенну 1 и первый усилитель 2, последовательно соединенные вторую магнитную антенну 3, перпендикулярную первой магнитной антенне, и второй усилитель 4, последовательно соединенные третью антенну 5 и третий усилитель 6, а также первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, второй АЦП 8 и третий АЦП 9, подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ) 10 (или микропроцессору), которая начинает цикл управления приемом и обработкой информации при превышении заданной величины сигналом от любой из указанных трех антенн, причем при появлении полезного сигнала производится вычисление направления на источник сигналов, а также блок системы единого времени 11 (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами 12, подключенные к ПЭВМ 10, последовательно соединенные четвертый усилитель 13, первый смеситель 14, первый управляемый фильтр 15 и четвертый АЦП 16, последовательно соединенные пятый усилитель 17, второй смеситель 18, второй управляемый фильтр 19 и пятый АЦП 20, последовательно соединенные шестой усилитель 21, третий смеситель 22, третий управляемый фильтр 23 и шестой АЦП 24, последовательно соединенные первый коммутатор 25, четвертый управляемый фильтр 26 и седьмой АЦП 27, последовательно соединенные второй коммутатор 28, пятый управляемый фильтр 29 и восьмой АЦП 30, последовательно соединенные третий коммутатор 31, шестой управляемый фильтр 32 и девятый АЦП 33, последовательно соединенные четвертый коммутатор 34, седьмой управляемый фильтр 35 и десятый АЦП 36, последовательно соединенные пятый коммутатор 37, восьмой управляемый фильтр 38 и одиннадцатый АЦП 39, последовательно соединенные шестой коммутатор 40, девятый управляемый фильтр 41 и двенадцатый АЦП 42, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 43 и первый калибратор 44, последовательно соединенные второй ЦАП 45 и второй калибратор 46, последовательно соединенные третий ЦАП 47 и третий калибратор 48, последовательно соединенные четвертый ЦАП 49 и формирователь 50, а также десятый управляемый фильтр 51, одиннадцатый управляемый фильтр 52 и двенадцатый управляемый фильтр 53, подключенные входами, соответственно, к первому, второму и третьему усилителям 2, 4, 6, а выходами подключенные, соответственно, к первому, второму и третьему АЦП 7, 8, 9, а также гониометр 54 с тремя взаимно перпендикулярными осями X, Y, Z, выполненный с ротором 55, связанным посредством пружинных опор 56 с первым цифровым приводом 57 поворота ротора по оси X, снабженным первым энкодером 58, со вторым цифровым приводом 59 поворота ротора по оси Y, снабженным вторым энкодером 60, с третьим цифровым приводом 61 поворота ротора по оси Z, снабженным третьим энкодером 62, с размещенными на роторе взаимно перпендикулярно по осям X, Y, Z экранированными друг от друга первой полевой обмоткой 63, подключенной к первому усилителю 2, второй полевой обмоткой 64, подключенной ко второму усилителю 4, и третьей полевой обмоткой 65, подключенной к третьему усилителю 6, а также с m неподвижными первыми искательными обмотками 66 и m неподвижными вторыми искательными обмотками 67, размещенными равномерно вокруг оси Z ротора и подключенными, соответственно, к первому и второму коммутаторам 25, 28, с n неподвижными третьими искательными обмотками 68 и n неподвижными четвертыми искательными обмотками 69, размещенными равномерно вокруг оси Y ротора и подключенными, соответственно, к третьему и четвертому коммутаторам 31, 34, с s неподвижными пятыми искательными обмотками 70 и s неподвижными шестыми искательными обмотками 71, размещенными равномерно вокруг оси X ротора и подключенными, соответственно, к пятому и шестому коммутаторам 37, 40, причем все искательные обмотки разделены экранами 72, первый, второй и третий смесители 14, 18, 22 вторыми входами подключены, соответственно, к выходам первого коммутатора, третьего коммутатора и пятого коммутатора, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители 2, 4, 6, 13, 17, 21 выполнены управляемыми по фазовому сдвигу и усилению с управляющими входами, подключенными к ПЭВМ 10, третья антенна 5 выполнена магнитной и ориентирована перпендикулярно первой и второй магнитным антеннам, управляющие входы управляемых фильтров подключены к выходу формирователя, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам 1, 3, 5, четвертый, пятый и шестой усилители 13, 17, 21 подключены входами, соответственно, к третьему, второму и первому усилителям 6, 4, 2, а приводы 57, 59, 61 ротора 55, первый, второй и третий энкодеры 58, 60, 62, входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, выходы с четвертого по двенадцатый АЦП и управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов подключены к ПЭВМ 10.

Устройство для определения направления на источник сигналов работает следующим образом. Токи, наведенные в первой магнитной антенне 1, второй магнитной антенне 3 и третьей магнитной антенне 5 от источника сигнала, через управляемые усилители 2, 4, 6 поступают в первую полевую обмотку 63 гониометра 54, во вторую полевую обмотку 64 и в третью полевую обмотку 65, где создают магнитное поле, подобное принятому антеннами. На искательных обмотках 66, 67, 68, 69, 70, 71, находящихся в этом магнитном поле, наводится ЭДС, зависящая от ориентации конкретной искательной обмотки относительно первой, второй и третьей полевых обмоток 63, 64, 65. Поворот искательной обмотки относительно первой, второй и третьей полевых обмоток приводит к повороту результирующей диаграммы направленности для пеленгации в пространстве. При размещении на роторе m первых искательных обмоток 66, повернутых относительно друг друга, эффект механического поворота достигается последовательным переключением m первых искательных обмоток 66 с помощью первого коммутатора 25. Для этого на управляющий вход первого коммутатора 25 подаются команды включения из ПЭВМ 10, содержащие номер подключаемой первой искательной обмотки. Одновременно на управляющий вход второго коммутатора 28 подаются команды включения из ПЭВМ 10, содержащие номер подключаемой второй искательной обмотки, так, что обе обмотки находятся под заданным углом (например, 90°) друг к другу. При последовательном изменении номеров подключаемых искательных обмоток осуществляется последовательное подключение к выходам первого и второго коммутаторов 25, 28 m искательных обмоток 66 и 67 и обеспечивается быстрый поворот результирующей диаграммы направленности в плоскости X, Y для относительно грубой пеленгации, точность которой зависит от числа искательных обмоток и угла смещения между ними. Если источник сигнала не является кратковременным, то более точная подстройка осуществляется поворотом в небольших пределах (в пределах угла смещения искательных обмоток относительно друг друга) ротора 55 вместе с полевыми обмотками 63, 64, 65 с помощью цифрового привода 57 по команде из ПЭВМ 10. Аналогичным образом осуществляется переключение искательных обмоток третьим и четвертым коммутаторами 31, 34 и поворот диаграммы направленности в плоскости X, Z с помощью цифрового привода 59, а также переключение искательных обмоток пятым и шестым коммутаторами 37, 40 и поворот диаграммы направленности в плоскости Y, Z. Пружинные опоры 56 позволяют смещать ротор в пределах небольшого угла приводами по каждой оси независимо друг от друга без применения кардановых подвесов. Первый, второй и третий энкодеры 58, 60, 62 передают в ПЭВМ 10 коды, пропорциональные смещению ротора 55 по осям X, Y, Z, соответственно.

В зависимости от наличия и типа помех предлагаемое устройство реализует несколько режимов пеленгации.

1. При отсутствии помех может быть реализован широкополосный режим, при котором сигналы с выходов первого, второго и третьего усилителей 2, 4, 6, соответственно, через десятый, одиннадцатый и двенадцатый управляемые фильтры 51, 52, 53 и через первый, второй и третий АЦП 7, 8, 9 поступают в ПЭВМ 10 для реализации, например, простейшего алгоритма пеленга.

При появлении полезного сигнала производится вычисление проекции в плоскости X, Y направления α на источник сигнала, например, по формуле

где А₁, A₂ - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 10 из соответствующей пары усилителей (первого и второго усилителей 2, 4).

Аналогично может быть реализован широкополосный режим с использованием гониометра, при котором сигналы с выходов первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого коммутаторов 25, 28, 31, 34, 37 и 40, соответственно, через четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый управляемые фильтры 26, 29, 32, 35, 38, 41 и через седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый и двенадцатый АЦП 27, 30, 33, 36, 39, 42 поступают в ПЭВМ 10 для реализации алгоритмов пеленга при необходимости поворота диаграммы направленности.

2. При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 10 по результатам частотного анализа формируется управляющий сигнал, который подается на четвертый ЦАП 49, через формирователь 50 поступает на управляющие входы управляемых фильтров 15, 19, 23, 26, 29, 32, 35, 38, 41, 51, 52, 53 и вырезает из полосы пропускания участок частот помехи. Структура формирователя 50 зависит от типа управляемых фильтров, в простейшем случае это может быть сглаживающий фильтр с усилителем мощности, если фильтры управляются напряжением.

3. При появлении широкополосной помехи в ПЭВМ 10 по результатам частотного анализа осуществляется пространственная селекция с помощью гониометра 54 путем последовательного переключения искательных обмоток (например, переключением первым коммутатором 25 искательных обмоток 66 до максимума полезного сигнала и переключением вторым коммутатором 28 искательных обмоток 67 до минимума помехи с коррекцией первым приводом 57 ротора 55 и, далее, переключением обмоток 68, 69 и 70, 71 аналогичным образом). При этом угол поворота диаграммы направленности определяется по номерам искательных обмоток 66, 68 и 70, подключенных, соответственно, к первому коммутатору 25 плюс угол поворота первого энкодера 58, а к третьему коммутатору 31 - плюс угол поворота второго энкодера 60 и к пятому коммутатору 37 - плюс угол поворота третьего энкодера 62 ротора гониометра 54, причем коррекция приводами 57, 59, 61 может быть также использована для точной подстройки минимума помехи.

4. При появлении интенсивной широкополосной помехи по результатам частотного анализа используются сигналы, поступающие в ПЭВМ 10 с выходов первого, второго и третьего смесителей 14, 18, 22 через первый, второй и третий управляемые фильтры 15, 19, 23 и четвертый, пятый и шестой АЦП 16, 20 и 24. В этом случае осуществляется пространственная селекция с помощью гониометра 54 и смесителей, формирующих диаграммы направленности с провалами, ориентированными минимумом на помеху. Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 10, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого усилителей 2, 4, 6, 13, 17, 21.

Указанные режимы работы устройства могут быть реализованы одновременно в разных комбинациях, включая ориентацию диаграмм направленности минимумом на источник полезного сигнала. Размещение двух искательных обмоток вокруг каждой оси гониометра позволяет также, при необходимости, формировать дополнительную систему отсчета (X₁, Y₁, Z₁), под углом к основной (X, Y, Z). Соответственно, ориентация блока антенн может быть под углом к горизонтальной плоскости.

Для контроля усилительно-преобразовательных трактов предусмотрена подача калибровочных сигналов на первую, вторую и третью антенны 1, 3, 5 от, соответственно, первого, второго и третьего калибраторов 44, 46, 48, управляемых ПЭВМ 10 с помощью первого, второго и третьего ЦАП 43, 45, 47.

Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 11 системы единого времени (GPS или Глонасс) и передается по назначению с помощью блока 12 связи с абонентами.

Таким образом, предлагаемое устройство для определения направления на источник сигналов в сравнении с прототипом обеспечивает возможность селекции источника сигналов в трехмерном пространстве.

Источники информации

1. Радио-грозо-пеленгатор, 2006, http://detect-ufo.narod.ru/pribor/detect_radio/pelengatr_01.html.

2. Агранат И.В. Перспективы исследования естественного электромагнитного излучения очень низкой частоты. Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, п. Паратунка, Камчатский край, УДК 551.594.21 (571.66) 2011 г.