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 устройство для определения направления и дальности до источника сигнала [2] (комбинированная система грозоопределения, состоящая из инфразвукового комплекса и электрической антенны), содержащее три микробарометра, инфразвуковой микрофон и электростатический флюксметр, подключенные через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору). В прототипе местоположение источника сигнала и дальность определяются после события по результатам дальнейшей обработки оператором записанных сигналов. Для определения азимута используются разности времени прихода инфразвуковых сигналов на не менее чем на три микробарометра, разнесенные друг от друга более чем на 90 метров (трехпозиционная система регистрации), а для определения дальности используется разность времени прихода на электростатический флюксметр и инфразвуковой микрофон (или микробарометры). Недостатками прототипа являются невозможность использования его на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, невозможность использования на ближних расстояниях в реальном масштабе времени, низкая помехоустойчивость устройства из-за использования электрической компоненты сигнала, а также при наличии мешающих сигналов.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения направления и дальности до источника сигнала, содержащее первую антенну и микробарометр, а также первый, второй, третий, четвертый и пятый аналого-цифровые преобразователи, подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору), дополнительно содержит блок системы единого времени (GPS или Глонасс) и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные первый усилитель, первый фильтр, второй усилитель, первый пороговый блок и схему ИЛИ, последовательно соединенные вторую антенну, третий усилитель, второй фильтр, четвертый усилитель и второй пороговый блок, последовательно соединенные третью антенну, пятый усилитель, третий фильтр, шестой усилитель и третий пороговый блок, последовательно соединенные седьмой усилитель, четвертый фильтр, восьмой усилитель, пятый фильтр, четвертый пороговый блок и первую схему И, 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 четвертый калибратор, последовательно соединенные пятый ЦАП и первый формирователь, последовательно соединенные шестой ЦАП и второй формирователь, последовательно соединенные первый таймер, вторую схему И и первый счетчик, а также тактовый генератор, подключенный ко второму входу второй схемы И, второй таймер, подключенный выходом ко второму входу первой схемы И, последовательно соединенные аналоговые первый квадратор, сумматор, делитель, пятый пороговый блок и третью схему И, последовательно соединенные третий таймер, четвертую схему И и второй счетчик, а также аналоговые второй и третий квадраторы, подключенные входами, соответственно, ко второму и третьему фильтрам, а выходами подключенные, соответственно, ко второму входу сумматора и ко второму входу делителя, причем первая, вторая и третья антенны выполнены магнитными и размещены взаимно перпендикулярно друг к другу, первый, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки выполнены с управлением по порогу, первый, второй, третий, четвертый и пятый фильтры выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой усилители выполнены с управлением по фазе и чувствительности, первый, второй и третий таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, первая схема И подключена третьим входом к первому таймеру, а выходом подключена ко входу останова первого счетчика, третья схема И подключена вторым входом к третьему таймеру, а выходом подключена ко входу останова второго счетчика, четвертая схема И подключена вторым входом к тактовому генератору, пятый АЦП подключен входом к выходу делителя, схема ИЛИ подключена вторым и третьим входами, соответственно, ко второму и третьему пороговым блокам, а выходом подключена к ПЭВМ и к первому и третьему таймерам, первый квадратор подключен к выходу первого фильтра, первая антенна подключена к первому усилителю, микробарометр подключен выходом к седьмому усилителю, а входом акустически связан с четвертым калибратором, первый формирователь подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, второй формирователь подключен к управляющим входам четвертого и пятого фильтров, входы первого, второго, третьего и четвертого АЦП подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому фильтрам, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам, а входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, выходы первого и второго счетчиков, управляющий вход и выход первого таймера, управляющий вход и выход второго таймера, а также управляющий вход и выход третьего таймера подключены к ПЭВМ.

Такое выполнение устройства для определения направления и дальности до источника сигнала обеспечивает возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Принятые обозначения:

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

Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала содержит первую антенну 1 и микробарометр 2, а также первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, второй АЦП 4, третий АЦП 5, четвертый АЦП 6 и пятый АЦП 7, подключенные к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору) 8, блок системы единого времени (GPS или Глонасс) 9 и блок связи с абонентами 10, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные первый усилитель 11, первый фильтр 12, второй усилитель 13, первый пороговый блок 14 и схему ИЛИ 15, последовательно соединенные вторую антенну 16, третий усилитель 17, второй фильтр 18, четвертый усилитель 19 и второй пороговый блок 20, последовательно соединенные третью антенну 21, пятый усилитель 22, третий фильтр 23, шестой усилитель 24 и третий пороговый блок 25, последовательно соединенные седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27, восьмой усилитель 28, пятый фильтр 29, четвертый пороговый блок 30 и первую схему И 31, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 32 и первый калибратор 33, последовательно соединенные второй ЦАП 34 и второй калибратор 35, последовательно соединенные третий ЦАП 36 и третий калибратор 37, последовательно соединенные четвертый ЦАП 38 и четвертый калибратор 39, последовательно соединенные пятый ЦАП 40 и первый формирователь 41, последовательно соединенные шестой ЦАП 42 и второй формирователь 43, последовательно соединенные первый таймер 44, вторую схему И 45 и первый счетчик 46, а также тактовый генератор 47, подключенный ко второму входу второй схемы И, второй таймер 48, подключенный выходом ко второму входу первой схемы И, последовательно соединенные аналоговые первый квадратор 49, сумматор 50, делитель 51, пятый пороговый блок 52 и третью схему И 53, последовательно соединенные третий таймер 54, четвертую схему И 55 и второй счетчик 56, а также аналоговые второй квадратор 57 и третий квадратор 58, подключенные входами, соответственно, ко второму и третьему фильтрам 18, 23, а выходами подключенные, соответственно, ко второму входу сумматора и ко второму входу делителя, причем первая, вторая и третья антенны 1, 16, 21 выполнены магнитными и размещены взаимно перпендикулярно друг к другу, первый, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки 14, 20, 25, 30, 52 выполнены с управлением по порогу, первый, второй, третий, четвертый и пятый фильтры 12, 18, 23, 27, 29 выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой усилители 11, 13, 17, 19, 22, 24, 26, 28 выполнены с управлением по фазе и чувствительности, первый, второй и третий таймеры 44, 48, 54 выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, первая схема И 31 подключена третьим входом к первому таймеру 44, а выходом подключена ко входу останова первого счетчика, третья схема И 53 подключена вторым входом к третьему таймеру 54, а выходом подключена ко входу останова второго счетчика, четвертая схема И 55 подключена вторым входом к тактовому генератору 47, пятый АЦП 7 подключен входом к выходу делителя 51, схема ИЛИ 15 подключена вторым и третьим входами, соответственно, ко второму и третьему пороговым блокам 20, 25, а выходом подключена к ПЭВМ 8, к первому и третьему таймерам 44, 54, первый квадратор 49 подключен к выходу первого фильтра, первая антенна 1 подключена к первому усилителю 11, микробарометр 2 подключен выходом к седьмому усилителю 26, а входом акустически связан с четвертым калибратором 39, первый формирователь 41 подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, второй формирователь 43 подключен к управляющим входам четвертого и пятого фильтров, входы первого, второго, третьего и четвертого АЦП подключены, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому фильтрам 12, 18, 23, 27, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены, соответственно, к первой, второй и третьей антеннам 1, 16, 21, а входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, выходы первого и второго счетчиков, управляющий вход и выход первого таймера, управляющий вход и выход второго таймера, а также управляющий вход и выход третьего таймера подключены к ПЭВМ 8.

Устройство для определения направления и дальности до источника сигнала работает следующим образом. Токи, наведенные в первой магнитной антенне 1, второй магнитной антенне 16 и третьей магнитной антенне 21 от источника сигнала, через первые, вторые и третьи усилители 11, 17, 22, фильтры 12, 18, 23 и АЦП 3, 4, 5 поступают в ПЭВМ 8, 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 12 сигналы поступают через второй усилитель 13 на первый пороговый блок 14, с выхода второго фильтра 18 сигналы поступают через четвертый усилитель 19 на второй пороговый блок 20, а с выхода третьего фильтра 23 сигналы поступают через шестой усилитель 24 на третий пороговый блок 25. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 8, на выходах первого, второго и третьего пороговых блоков 14, 20, 25 формируются логические единицы, поступающие на схему ИЛИ 15, выходной сигнал которой запускает первый и третий таймеры 44 и 54. Выходной сигнал первого таймера 44 разрешает прохождение импульсов от тактового генератора 47 через вторую схему И 45 на первый счетчик 46 и подготавливает первую схему И 31, а выходной сигнал третьего таймера 54 разрешает прохождение импульсов от тактового генератора 47 через четвертую схему И 55 на второй счетчик 56 и подготавливает третью схему И 53, Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения электромагнитного излучения (ЭМИ) зарегистрированного события, например грозового разряда. Сопутствующая этому событию инфразвуковая волна приходит на пункт наблюдения позднее, принимается микробарометром 2, выходной сигнал которого через седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27 и четвертый АЦП 6 поступает на ПЭВМ 8, где запоминается, а также через восьмой усилитель 28 и пятый фильтр 29 поступает на четвертый пороговый блок 30. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 8, на выходе четвертого порогового блока 30 формируется логическая единица, поступающая на первую схему И 31, выходной сигнал которой останавливает первый счетчик 46, если по команде из ПЭВМ 8 к этому моменту будет включен второй таймер 48, формирующий логическую единицу на втором входе первой схемы И 31. Полученное значение интервала времени с выхода первого счетчика 46 поступает в ПЭВМ 8, где по заранее измеренному при калибровке микробарометра реальному значению скорости инфразвука определяется дальность до источника сигнала, совместно с направлением определяющая местоположение источника сигнала. Для предотвращения ложных остановов первого счетчика 46 от более поздних ближних сигналов, которые могут появиться за время распространения инфразвука, в ПЭВМ 8 вычисляются приближенное значение дальности [4] и ожидаемые моменты прихода инфразвука с запасом на ошибки оценки, а по показаниям первого счетчика 46 в нужный момент ПЭВМ 8 открывает временное окно с помощью второго таймера 48 для прохождения сигнала останова первого счетчика 46. Вычисление приближенного значения дальности производится по разности моментов прихода прямого и отраженного от ионосферы сигналов ЭМИ [4], которая поступает в ПЭВМ 8 из второго счетчика 56. Для этого сигналы с выходов первого и второго фильтров 12, 18 через первый и второй квадраторы 49, 57 поступают на сумматор 50, с выхода которого сигнал, пропорциональный сумме квадратов входных сигналов, поступает на делитель 51. На второй вход делителя 51 через третий квадратор 58 поступает сигнал, пропорциональный квадрату сигнала с выхода третьего фильтра 23, 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 делителя 51 поступает на пятый АЦП 7 и вводится в ПЭВМ 8, а также поступает через пятый пороговый блок 52 на третью схему И 53. При отсутствии полезного сигнала с выхода схемы ИЛИ 15 логическая единица не поступает в ПЭВМ 8, не запускает третий таймер 54 и ПЭВМ 8 поддерживает порог срабатывания, исключающий появление сигнала на выходе пятого порогового блока 52. При появлении полезного сигнала третий таймер 54 разрешает прохождение импульсов тактового генератора 47 через четвертую схему И 55, второй счетчик 56 начинает отсчет времени, а ПЭВМ 8 получает от пятого АЦП 7 текущее значение сигнала с выхода делителя 51, формирует верхнее и нижнее значения этого сигнала, засылает эти значения в виде верхнего и нижнего порогов срабатывания пятого порогового блока 52 и поддерживает эти пороги в течение времени наличия выходного сигнала третьего таймера 54. Если величина сигнала на выходе делителя 51 выходит за верхнее или нижнее значения, на выходе пятого порогового блока 52 формируется логическая единица, останавливающая второй счетчик 56 через третью схему И 53, подготовленную третьим таймером 54. Полученное значение интервала времени τ_З с выхода второго счетчика 56 поступает в ПЭВМ 8, где по заранее выбранному (по местным условиям) значению высоты D-слоя ионосферы определяется приближенное значение дальности R до источника сигнала.

1. При отсутствии помех может быть реализован широкополосный режим, при котором сигналы с выходов первого, третьего и пятого усилителей 11, 17, 22, соответственно, через первый, второй и третий фильтры 12, 18, 23 и через первый, второй и третий АЦП 3, 4, 5 поступают в ПЭВМ 8 для реализации, например, простейшего алгоритма оценки направления на источник сигнала.

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

где A₁, A₂ - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 8 из второго и первого АЦП 4, 3, соответственно.

Приближенная 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.

Более точное значение дальности R_t определяется после прихода инфразвуковой волны по разности моментов τ прихода сигнала ЭМИ и инфразвука и по заранее измеренному при калибровке микробарометра, реальному на текущий момент, значению скорости инфразвука V:

R_t=V·τ

2. При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 8 по результатам предварительного частотного анализа формируются управляющие сигналы для диапазонов ЭМИ и инфразвука отдельно, которые подаются на пятый и шестой ЦАП 40, 42 и через первый и второй формирователи 41, 43 поступают на управляющие входы первого, второго и третьего фильтров 12, 18, 23 диапазона ЭМИ, а также на управляющие входы четвертого и пятого фильтров 27, 29 диапазона инфразвука и вырезают из полосы пропускания участки частот помехи. Структура первого и второго формирователей 41, 43 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 8 предварительно устанавливаются также уровни срабатывания отдельно для первого, второго, третьего и четвертого пороговых блоков 14, 20, 25 и 30.

Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 8, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей 11, 13, 17, 19, 22, 24, 26, 28.

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, 16, 21 от, соответственно, первого, второго и третьего калибраторов 33, 35, 37, управляемых ПЭВМ 8 с помощью первого, второго и третьего ЦАП 32, 34, 36.

Калибровка микробарометра 2 осуществляется с помощью четвертого калибратора 39. Четвертый калибратор 39 является управляемым от ПЭВМ 8 источником импульсного и синусоидального инфразвука, в простейшем случае это может быть усилитель мощности с динамическим громкоговорителем. Четвертый калибратор 39 установлен на расстоянии одного или нескольких метров от микробарометра 2 и акустически связан с последним через окружающую среду. В процессе калибровки определяются амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) микробарометра 2 с седьмым усилителем 26 и четвертым фильтром 27, а также реальная скорость инфразвука на текущий момент. Для этого в памяти ПЭВМ 8 хранятся цифровые образы эталонных синусоидальных сигналов и импульсного сигнала, которые из ПЭВМ 8 передаются в четвертый калибратор 39 через четвертый ЦАП 38. Для снятия АЧХ на микробарометр 2 подаются эталонные синусоидальные акустические сигналы с частотами рабочего диапазона микробарометра 2, которые преобразуются, усиливаются, фильтруются и через четвертый АЦП 6 поступают в ПЭВМ 8, где вычисляется АЧХ. Для определения реальной скорости инфразвука на текущий момент ПЭВМ 8 подает эталонный импульсный сигнал на четвертый калибратор 39, одновременно запускает второй таймер 48 и запускает через первый таймер 44 первый счетчик 46, который начинает отсчет времени прохождения инфразвуком известного расстояния между четвертым калибратором 39 и микробарометром 2, выходной сигнал которого через седьмой усилитель 26, четвертый фильтр 27, а также через восьмой усилитель 28 и пятый фильтр 29 поступает на четвертый пороговый блок 30 и первую схему И 31 и останавливает первый счетчик 46. Полученное значение интервала времени с выхода первого счетчика 46 поступает в ПЭВМ 8, где по известному расстоянию между четвертым калибратором 39 и микробарометром 2 определяется реальная скорость инфразвука на текущий момент для расчета точного значения дальности до источника сигнала.

Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 9 системы единого времени (GPS или Глонасс) и передается по назначению с помощью блока 10 связи с абонентами.

Таким образом, предлагаемое устройство для определения направления и дальности до источника сигналов в сравнении с прототипом обеспечивает возможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, возможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени и увеличение помехоустойчивости устройства при наличии мешающих сигналов.

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. Электромагнитная акустическая система обнаружения грозовых разрядов, К.В. Вознесенская, А.В. Соловьев, И.С. Гибанов, Д.С. Провоторов, М.В. Чепчугов, А.А. Бочаров, Вестник науки Сибири. Серия Инженерные науки 2012. № 5 (6), стр. 70-75, http://sjs.tpu.ru. УДК 534.321.8.

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.