Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА 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 оценки дальности до источников сигналов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является «Способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления» [2]. Устройство содержит две горизонтальные ортогонально ориентированные магнитные антенны и вертикальную электрическую антенну, два интегратора, три усилителя, три фильтра, два квадратора, сумматор, имеющий два входа и один выход, решающий блок, первый пороговый блок, одновибратор и ключевой блок, причем выход первой магнитной антенны соединен последовательно с первым интегратором, первым усилителем, первым фильтром, первым квадратором, первым входом сумматора, первым входом первого порогового блока, одновибратором и вторым входом ключевого блока, выход второй магнитной антенны соединен последовательно с вторым интегратором, вторым усилителем, вторым фильтром, вторым квадратором и вторым входом сумматора, выход электрической антенны соединен последовательно с третьим усилителем и третьим фильтром, а также третий квадратор, блок вычитания, имеющий два входа и один выход, второй пороговый блок и триггер, имеющий два входа и один выход, причем выход сумматора соединен, кроме того, последовательно с первым входом блока вычитания, первым входом ключевого блока, вторым пороговым блоком и вторым входом триггера, а выход третьего фильтра соединен последовательно с третьим квадратором и вторым входом блока вычитания, выход первого порогового блока соединен, кроме того, последовательно с первым входом триггера и решающим блоком.

Недостатками прототипа являются низкая помехоустойчивость устройства из-за прихода помех с другими азимутами, а также использования электрической компоненты сигнала и определения дальности (момента прихода отраженного от ионосферы сигнала) по превышению установленного порогового уровня разностью квадратов суммарной магнитной и электрической компонент сигнала.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является увеличение помехоустойчивости устройства.

Помехоустойчивость устройства улучшается за счет использования магнитной компоненты сигнала и определения дальности (момента прихода отраженного от ионосферы сигнала) по изменению угла наклона магнитной компоненты сигнала.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения направления и дальности до источника сигнала, содержащее магнитные первую и вторую антенны, размещенные взаимно перпендикулярно, последовательно соединенные первый усилитель, первый фильтр, первый квадратор и сумматор, последовательно соединенные второй усилитель, второй фильтр и второй квадратор, подключенный ко второму входу сумматора, последовательно соединенные третью антенну, третий усилитель, третий фильтр и третий квадратор, первый ключ, связанный управляющим входом с первым одновибратором, а также первый блок вычитания, первый и второй пороговые блоки, дополнительно содержит персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ или микропроцессор), блок системы единого времени (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные четвертый усилитель, третий пороговый блок и схему ИЛИ, последовательно соединенные таймер, первую схему И и счетчик, 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, тактовый генератор, подключенный ко второму входу первой схемы И, первый, второй и третий АЦП, подключенные выходами к ПЭВМ, пятый и шестой усилители, подключенные входами соответственно ко второму и третьему фильтрам, а выходами подключенные соответственно к первому и второму пороговым блокам, первый делитель, первое запоминающее устройство, вторую схему И, выходом подключенную к первому одновибратору, последовательно соединенные первый блок модуля, четвертый пороговый блок, третью схему И и четвертую схему И, последовательно соединенные второй делитель, корректор, второй блок модуля, второй блок вычитания, третий блок модуля и пятый пороговый блок, последовательно соединенные второй ключ, второе запоминающее устройство и четвертый блок модуля, подключенный ко второму входу второго блока вычитания, последовательно соединенные пятую схему И и второй одновибратор, подключенный к управляющему входу второго ключа, а также блок сравнения знаков, подключенный входами к корректору и ко второму запоминающему устройству, а выходом подключенный ко второму входу третьей схемы И, причем третья антенна выполнена магнитной и размещена перпендикулярно первой и второй антеннам, первый, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки выполнены с управлением по порогу, первый, второй и третий фильтры выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители выполнены с управлением по полосе, фазе и чувствительности, таймер выполнен с управлением по длительности выходного сигнала, четвертая схема И подключена вторым входом к таймеру, а выходом подключена ко входу останова счетчика, схема ИЛИ подключена вторым и третьим входами соответственно к первому и второму пороговым блокам, а выходом подключена к таймеру, первая и вторая антенны подключены соответственно к первому и второму усилителям, четвертый усилитель подключен входом к первому фильтру, первый делитель подключен первым входом к сумматору, а вторым входом к третьему квадратору, формирователь подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, входы первого, второго и третьего АЦП подключены соответственно к первому, второму и третьему фильтрам, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены соответственно к первой, второй и третьей антеннам, входы первого блока вычитания подключены к первому делителю и к первому запоминающему устройству, а выход подключен к первому блоку модуля, первый ключ подключен входом к первому делителю, а выходом подключен к первому запоминающему устройству, вторая и пятая схемы И подключены первыми входами к схеме ИЛИ, а инверсными входами подключены к таймеру, второй делитель подключен входами к первому и второму фильтрам, вход второго ключа подключен к корректору, а выход пятого порогового блока подключен к инверсному входу третьей схемы И, причем входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, выход счетчика, управляющий вход и выход таймера подключены к ПЭВМ.

Такое выполнение устройства для определения направления и дальности до источника сигнала обеспечивает увеличение помехоустойчивости устройства за счет использования магнитной компоненты сигнала и определения дальности (момента прихода отраженного от ионосферы сигнала) по изменению угла наклона магнитной компоненты сигнала.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Принятые обозначения: 1 - первая антенна, 2 - вторая антенна, 3 - первый усилитель, 4 - первый фильтр, 5 - первый квадратор, 6 - сумматор, 7 - второй усилитель, 8 - второй фильтр, 9 - второй квадратор, 10 - третья антенна, 11 - третий усилитель, 12 - третий фильтр, 13 - третий квадратор, 14 - первый ключ, 15 - первый одновибратор, 16 - первый блок вычитания, 17 - первый пороговый блок, 18 - второй пороговый блок, 19 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ или микропроцессор), 20 - блок системы единого времени (GPS или Глонасс), 21 - блок связи с абонентами, 22 - четвертый усилитель, 23 - третий пороговый блок, 24 - схема ИЛИ, 25 - таймер, 26 - первая схема И, 27 - счетчик, 28 - первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 29 - первый калибратор, 30 - второй ЦАП, 31 - второй калибратор, 32 - третий ЦАП, 33 - третий калибратор, 34 - четвертый ЦАП, 35 - формирователь, 36 - тактовый генератор, 37 - первый АЦП, 38 - второй АЦП, 39 - третий АЦП, 40 - пятый усилитель, 41 - шестой усилитель, 42 - первый делитель, 43 - первое запоминающее устройство, 44 - вторая схема И, 45 - первый блок модуля, 46 - четвертый пороговый блок, 47 - третья схема И, 48 - четвертая схема И, 49 - второй делитель, 50 - корректор, 51 - второй блок модуля, 52 - второй блок вычитания, 53 - третий блок модуля, 54 - пятый пороговый блок, 55 - второй ключ, 56 - второе запоминающее устройство, 57 - четвертый блок модуля, 58 - пятая схема И, 59 - второй одновибратор, 60 - блок сравнения знаков.

Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала содержит магнитную первую антенну 1 и магнитную вторую антенну 2, размещенные взаимно перпендикулярно, последовательно соединенные первый усилитель 3, первый фильтр 4, первый квадратор 5 и сумматор 6, последовательно соединенные второй усилитель 7, второй фильтр 8 и второй квадратор 9, подключенный ко второму входу сумматора, последовательно соединенные третью антенну 10, третий усилитель 11, третий фильтр 12 и третий квадратор 13, первый ключ 14, связанный управляющим входом с первым одновибратором 15, а также первый блок вычитания 16, первый пороговый блок 17 и второй пороговый блок 18, дополнительно содержит персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ или микропроцессор) 19, блок системы единого времени (GPS или Глонасс) 20 и блок связи с абонентами 21, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные четвертый усилитель 22, третий пороговый блок 23 и схему ИЛИ 24, последовательно соединенные таймер 25, первую схему И 26 и счетчик 27, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 28 и первый калибратор 29, последовательно соединенные второй ЦАП 30 и второй калибратор 31, последовательно соединенные третий ЦАП 32 и третий калибратор 33, последовательно соединенные четвертый ЦАП 34 и формирователь 35, тактовый генератор 36, подключенный ко второму входу первой схемы И, первый АЦП 37, второй АЦП 38 и третий АЦП 39, подключенные выходами к ПЭВМ, пятый усилитель 40 и шестой усилитель 41, подключенные входами соответственно ко второму и третьему фильтрам 8, 12, а выходами подключенные соответственно к первому и второму пороговым блокам 17, 18, первый делитель 42, первое запоминающее устройство 43, вторую схему И 44, выходом подключенную к первому одновибратору 15, последовательно соединенные первый блок модуля 45, четвертый пороговый блок 46, третью схему И 47 и четвертую схему И 48, последовательно соединенные второй делитель 49, корректор 50, второй блок модуля 51, второй блок вычитания 52, третий блок модуля 53 и пятый пороговый блок 54, последовательно соединенные второй ключ 55, второе запоминающее устройство 56 и четвертый блок модуля 57, подключенный ко второму входу второго блока вычитания, последовательно соединенные пятую схему И 58 и второй одновибратор 59, подключенный к управляющему входу второго ключа, а также блок сравнения знаков 60, подключенный входами к корректору 50 и ко второму запоминающему устройству 56, а выходом подключенный ко второму входу третьей схемы И 47, причем третья антенна 10 выполнена магнитной и размещена перпендикулярно первой и второй антеннам 1, 2, первый, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки 17, 18, 23, 46, 54 выполнены с управлением по порогу, первый, второй и третий фильтры 4, 8, 12 выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители 3, 7, 11, 22, 40, 41 выполнены с управлением по полосе, фазе и чувствительности, таймер 25 выполнен с управлением по длительности выходного сигнала, четвертая схема И 48 подключена вторым входом к таймеру 25, а выходом подключена ко входу останова счетчика 27, схема ИЛИ 24 подключена вторым и третьим входами соответственно к первому и второму пороговым блокам 17, 18, а выходом подключена к таймеру 25, первая и вторая антенны 1, 2 подключены соответственно к первому и второму усилителям 3, 7, четвертый усилитель 22 подключен входом к первому фильтру 4, первый делитель 42 подключен первым входом к сумматору 6, а вторым входом к третьему квадратору 13, формирователь 35 подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров 4, 8, 12, входы первого, второго и третьего АЦП 37, 38, 39 подключены соответственно к первому, второму и третьему фильтрам 4, 8, 12, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены соответственно к первой, второй и третьей антеннам 1, 2, 10, входы первого блока вычитания подключены к первому делителю 42 и к первому запоминающему устройству 43, а выход подключен к первому блоку модуля 45, первый ключ 14 подключен входом к первому делителю 42, а выходом подключен к первому запоминающему устройству 43, вторая и пятая схемы И 44, 58 подключены первыми входами к схеме ИЛИ 24, а инверсными входами подключены к таймеру 25, второй делитель 49 подключен входами к первому и второму фильтрам 4, 8, вход второго ключа 55 подключен к корректору 50, а выход пятого порогового блока 54 подключен к инверсному входу третьей схемы И 47, причем входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, выход счетчика, управляющий вход и выход таймера подключены к ПЭВМ.

Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала работает следующим образом. Токи, наведенные в первой магнитной антенне 1, второй магнитной антенне 2 и третьей магнитной антенне 10 от источника сигнала, через первые, вторые и третьи усилители 3, 7, 11, фильтры 4, 8, 12 и АЦП 37, 38, 39 поступают в ПЭВМ 19, где начинается цикл обработки информации при превышении сигналом от любой из трех антенн заданного ему порогового значения. Принятые сигналы ортогональных антенн используются для оценки направления на источник сигнала известными способами [3]. Одновременно с выхода первого фильтра 4 сигналы поступают через четвертый усилитель 22 на третий пороговый блок 23, с выхода второго фильтра 8 сигналы поступают через пятый усилитель 40 на первый пороговый блок 17, а с выхода третьего фильтра 12 сигналы поступают через шестой усилитель 41 на второй пороговый блок 18. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 19, на выходах первого, второго и третьего пороговых блоков 17, 18, 23 формируются логические единицы, поступающие на схему ИЛИ 24, выходной сигнал которой запускает таймер 25. Выходной сигнал таймера разрешает прохождение импульсов от тактового генератора 36 через первую схему И 26 на счетчик 27 и подготавливает четвертую схему И 48. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения прямого сигнала электромагнитного излучения (ЭМИ) зарегистрированного явления, например грозового разряда. Сопутствующий прямому сигналу, отраженный от ионосферы сигнал ЭМИ приходит на пункт наблюдения позднее, принимается, усиливается и фильтруется так же, как и прямой сигнал и используется для останова счетчика 27 и расчета дальности по разности времени прихода прямого и отраженного сигналов и по известной высоте D-слоя ионосферы [4]. Для этого сигналы с выходов первого и второго фильтров 4, 8 через первый и второй квадраторы 5, 9 поступают на сумматор 6, с выхода которого сигнал, пропорциональный сумме квадратов входных сигналов, поступает на первый делитель 42. На второй вход первого делителя 42 через третий квадратор 13 поступает сигнал, пропорциональный квадрату сигнала с выхода третьего фильтра 12, частное от деления которого на сумму квадратов является функцией квадрата тангенса угла наклона магнитной компоненты сигнала относительно горизонтальной плоскости. В предложенном техническом решении момент прихода отраженного сигнала определяется по изменению угла наклона магнитной компоненты сигнала. С этой целью сигнал с выхода схемы ИЛИ 24 поступает на первый вход второй схемы И 44, на инверсном входе которой в начальный момент присутствует ноль. На выходе второй схемы И 44 формируется логическая единица, которая запускает первый одновибратор 15 и снимается выходным сигналом таймера 25. Первый одновибратор 15 открывает первый ключ 14 и сигнал с выхода первого делителя 42 поступает на первое запоминающее устройство 43 для сравнения с последующими сигналами, а ПЭВМ 19 формирует и засылает верхний и нижний пороги срабатывания четвертого порогового блока 46 и поддерживает эти пороги в течение времени наличия выходного сигнала таймера 25. По окончании сигнала первого одновибратора 15 первый ключ 14 закрывается и сигналы с выхода первого делителя 42 поступают на вход первого блока вычитания 16, на другом входе которого присутствует сигнал с выхода первого запоминающего устройства. Разность сигналов поступает на первый блок модуля 45 и модуль разности сигналов поступает на вход четвертого порогового блока 46. При отсутствии полезного сигнала с выхода схемы ИЛИ 24 логическая единица не запускает таймер 25 и ПЭВМ 19 поддерживает порог срабатывания, исключающий появление сигнала на выходе четвертого порогового блока 46. Если величина сигнала на выходе первого блока модуля 45 выходит за верхнее или нижнее значения, на выходе четвертого порогового блока 46 формируется логическая единица, останавливающая счетчик 27 через третью схему И 47 и четвертую схему И 48, подготовленную таймером 25. Полученное значение интервала времени с выхода счетчика 27 поступает в ПЭВМ 19, где по заранее выбранному (по местным условиям) значению высоты D-слоя ионосферы определяется дальность до источника сигнала, совместно с направлением определяющая местоположение источника сигнала.

Для защиты от помех, принятых с других направлений, сигналы с выходов первого фильтра 4 и второго фильтра 8, поступают на второй делитель 49, где вычисляется отношение амплитуд сигналов второй антенны 2 и первой антенны 1,

tgα=А_у/A_x,

где α - азимут; A_x, А_у - амплитуды сигналов магнитных антенн, ориентированных максимумами диаграммы направленности, соответственно на Север - Юг (ось X) и на Восток - Запад (ось Y).

В момент появления сигнала на выходе пятой схемы И 58 формируется логическая единица, которая запускает второй одновибратор 59 и снимается выходным сигналом таймера 25. Второй одновибратор 59 открывает второй ключ 55, и сигнал с выхода второго делителя 49 через корректор 50 поступает на второе запоминающее устройство 56 для сравнения с последующими сигналами, а ПЭВМ 19 формирует и засылает верхний и нижний пороги срабатывания пятого порогового блока 54 и поддерживает эти пороги в течение времени наличия выходного сигнала таймера 25. Корректор 50 введен для расширения диапазона дальнейшего сравнения амплитуд сигналов из-за специфики аналогового вычисления tgα при делении на ноль и обменивается сигналами с блоком деления для обеспечения нелинейной амплитудной характеристики. По окончании сигнала второго одновибратора 59 второй ключ 55 закрывается, и сигналы с выхода второго делителя 49 через корректор 50 и второй блок модуля 51 поступают на вход второго блока вычитания 52, на другом входе которого присутствует сигнал, поступающий через четвертый блок модуля 57 с выхода второго запоминающего устройства 56. Разность сигналов поступает на третий блок модуля 53 и модуль разности сигналов поступает на вход пятого порогового блока 54. При отсутствии полезного сигнала с выхода схемы ИЛИ 24 логическая единица не запускает таймер 25 и ПЭВМ 19 поддерживает порог срабатывания, обеспечивающий отсутствие сигнала на выходе пятого порогового блока 54. Если величина сигнала на выходе третьего блока модуля 53 выходит за верхнее или нижнее значения, на выходе пятого порогового блока 54 формируется логическая единица, запрещающая остановку счетчика 27 через третью схему И 47 и четвертую схему И 48, в противном случае запрет снимается. С выхода второго делителя 49 через корректор 50 сигнал поступает на блок сравнения знаков 60, на втором входе которого присутствует сигнал из второго запоминающего устройства 56. При совпадении знаков сигналов с выхода блока сравнения знаков 60 на второй вход третьей схемы И 47 поступает логическая единица. Таким образом, для всех последующих сигналов проверяется не только модуль, но и знак tgα, и, если он совпадает со знаком запомненного значения, и нет запрещающего сигнала с выхода пятого порогового блока 54, то сигналы на входах третьей схемы И 47 разрешают прохождение сигнала с выхода четвертого порогового блока 46, который останавливает счетчик 27 через четвертую схему И 48, в противном случае сигнал далее в ПЭВМ не обрабатывается, отсеиваются помехи, приходящие с других азимутов.

1. При отсутствии помех может быть реализован широкополосный режим, при котором сигналы с выходов первого, второго и третьего усилителей 3, 7, 11, соответственно через первый, второй и третий фильтры 4, 8, 12 и через первый, второй и третий АЦП 37, 38, 39 поступают в ПЭВМ 19 для реализации, например, простейшего алгоритма оценки направления на источник сигнала:

При появлении полезного сигнала производится оценка направления а на источник сигнала, например, по формуле [3],

где А₁, A₂ - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 19 из второго и первого АЦП 38, 37 соответственно.

Оценка дальности проводится по формуле [4]:

где R - расстояние, проходимое земной волной до источника сигнала; R_З - радиус Земли; τ_З - время задержки пространственной волны; h - заданная эффективная высота ионосферного слоя D; с - скорость света.

2. При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 19 по результатам предварительного частотного анализа формируются управляющие сигналы, которые подаются на четвертый ЦАП 34 и через формирователь 35 поступают на управляющие входы первого, второго и третьего фильтров 4, 8, 12 и вырезают из полосы пропускания участки частот помехи. Структура формирователя 35 зависит от типа управления фильтров, в простейшем случае это могут быть сглаживающие звенья с усилителями мощности, если фильтры управляются напряжением. В зависимости от фона и уровня помех по сигналам из ПЭВМ 19 предварительно устанавливаются также уровни срабатывания отдельно для первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков 17, 18, 23, 46, 54.

Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 19, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого, усилителей 3, 7, 11, 22, 40, 41.

Указанные режимы работы устройства могут быть реализованы одновременно в разных комбинациях, с использованием отдельного управления для каждого усилителя и фильтра.

Для контроля усилительно-преобразовательных трактов предусмотрена подача калибровочных сигналов на первую, вторую и третью магнитные антенны 1, 2, 10 от, соответственно, первого, второго и третьего калибраторов 29, 31, 33, управляемых ПЭВМ 19 с помощью первого, второго и третьего ЦАП 28, 30, 32.

Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 20 системы единого времени (GPS или Глонасс), и передается по назначению с помощью блока 21 связи с абонентами.

Таким образом, предлагаемое устройство для определения направления и дальности до источника сигналов в сравнении с прототипом обеспечивает увеличение помехоустойчивости устройства за счет использования магнитной компоненты сигнала и определения дальности (момента прихода отраженного от ионосферы сигнала) по изменению угла наклона магнитной компоненты сигнала.

Источники информации

1. Забытая радиометеорология. В. Поляков, журнал Радио, 2004, номер 7, стр.29-30, http://detect-ufo.narod.ru/pribor/detect radio/pelengatr_01.html http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200407/p29-30.html.

2. Способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления (патент РФ №2085965 C1, G01S 13/95, опубл. 27.07.1997).

3. Широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство (патент РФ №2474014 C1, H01Q 7/04, опубл. 27.01.2013).

4. Анализ методов и средств пассивной радиолокации грозовых очагов. Павел Трусковский, Proceedings of International Conference RelStat'04, Part 3, стр.431-437, Институт транспорта и связи, Ломоносова 1, Рига, LV-1019, Латвия, E-mail: truskovskis@tsi.lv.