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 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, а также 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, третий и четвертый 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, последовательно соединенные первый делитель, четвертый пороговый блок и вторую схему И, последовательно соединенные седьмой усилитель, второй делитель, блок модуля и пятый пороговый блок, а также восьмой усилитель и пятый АЦП, подключенный выходом к ПЭВМ, 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, шестой, седьмой и восьмой усилители выполнены с управлением по полосе, фазе и чувствительности, таймер выполнен с управлением по длительности выходного сигнала, вторая схема И подключена вторым входом к таймеру, третьим входом подключена к пятому пороговому блоку, 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 и к ПЭВМ, первая и вторая антенны подключены соответственно к первому и второму усилителям, четвертый усилитель подключен входом к первому фильтру, седьмой и восьмой усилители подключены входами соответственно ко второму фильтру и к первому фильтру, восьмой усилитель подключен ко второму входу второго делителя, 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, третьего, четвертого и пятого АЦП подключены соответственно к первому, второму, третьему фильтрам, к первому и второму делителям, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены соответственно к первой, второй и третьей антеннам, а входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого 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 пороговый блок, 15 - второй пороговый блок, 16 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ или микропроцессор), 17 - блок системы единого времени (GPS или Глонасс), 18 - блок связи с абонентами, 19 - четвертый усилитель, 20 - третий пороговый блок, 21 - схема ИЛИ, 22 - таймер, 23 - первая схема И, 24 - счетчик, 25 - первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 26 - первый калибратор, 27 - второй ЦАП, 28 - второй калибратор, 29 - третий ЦАП, 30 - третий калибратор, 31 - четвертый ЦАП, 32 - формирователь, 33 - тактовый генератор, 34 - первый АЦП, 35 - второй АЦП, 36 - третий АЦП, 37 - четвертый АЦП, 38 - пятый усилитель, 39 - шестой усилитель, 40 - первый делитель, 41 - четвертый пороговый блок, 42 - вторая схема И, 43 - седьмой усилитель, 44 - второй делитель, 45 - блок модуля, 46 - пятый пороговый блок, 47 - восьмой усилитель, 48 - пятый АЦП.

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, а также первый пороговый блок 14 и второй пороговый блок 15, дополнительно содержит персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ или микропроцессор) 16, блок системы единого времени (GPS или Глонасс) 17 и блок связи с абонентами 18, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные четвертый усилитель 19, третий пороговый блок 20 и схему ИЛИ 21, последовательно соединенные таймер 22, первую схему И 23 и счетчик 24, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25 и первый калибратор 26, последовательно соединенные второй ЦАП 27 и второй калибратор 28, последовательно соединенные третий ЦАП 29 и третий калибратор 30, последовательно соединенные четвертый ЦАП 31 и формирователь 32, тактовый генератор 33, подключенный ко второму входу первой схемы И, первый АЦП 34, второй АЦП 35, третий АЦП 36 и четвертый АЦП 37, подключенные выходами к ПЭВМ, пятый усилитель 38 и шестой усилитель 39, подключенные входами соответственно ко второму и третьему фильтрам 8, 12, а выходами подключенные соответственно к первому и второму пороговым блокам 14, 15, последовательно соединенные первый делитель 40, четвертый пороговый блок 41 и вторую схему И 42, последовательно соединенные седьмой усилитель 43, второй делитель 44, блок модуля 45 и пятый пороговый блок 46, а также восьмой усилитель 47 и пятый АЦП 48, подключенный выходом к ПЭВМ 16, причем третья антенна 10 выполнена магнитной и размещена перпендикулярно первой и второй антеннам 1, 2, первый, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки 14, 15, 20, 41, 46 выполнены с управлением по порогу, первый, второй и третий фильтры 4, 8, 12 выполнены с управлением по полосе пропускания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой усилители 3, 7, 11, 19, 38, 39, 43, 47 выполнены с управлением по полосе, фазе и чувствительности, таймер 22 выполнен с управлением по длительности выходного сигнала, вторая схема И 42 подключена вторым входом к таймеру 22, третьим входом подключена к пятому пороговому блоку 46, а выходом подключена ко входу останова счетчика, схема ИЛИ 21 подключена вторым и третьим входами соответственно к первому и второму пороговым блокам 14, 15, а выходом подключена к таймеру 22 и к ПЭВМ 16, первая и вторая антенны 1, 2 подключены соответственно к первому и второму усилителям 3, 7, четвертый усилитель 19 подключен входом к первому фильтру 4, седьмой усилитель 43 и восьмой усилитель 47 подключены входами соответственно ко второму фильтру 8 и к первому фильтру 4, восьмой усилитель 47 подключен ко второму входу второго делителя 44, первый делитель 40 подключен первым входом к сумматору 6, а вторым входом - к третьему квадратору 13, формирователь 32 подключен к управляющим входам первого, второго и третьего фильтров, входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого АЦП подключены соответственно к первому, второму, третьему фильтрам 4, 8, 12, к первому делителю 40 и ко второму делителю 44, выходы первого, второго и третьего калибраторов подключены соответственно к первой, второй и третьей антеннам 1, 2, 10, а входы первого, второго, третьего и четвертого ЦАП, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей, управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, выход счетчика, управляющий вход и выход таймера подключены к ПЭВМ 16.

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 34, 35, 36 поступают в ПЭВМ 16, 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 19 на третий пороговый блок 20, с выхода второго фильтра 8 сигналы поступают через пятый усилитель 38 на первый пороговый блок 14, а с выхода третьего фильтра 12 сигналы поступают через шестой усилитель 39 на второй пороговый блок 15. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 16, на выходах первого, второго и третьего пороговых блоков 14, 15, 20 формируются логические единицы, поступающие на схему ИЛИ 21, выходной сигнал которой запускает таймер 22. Выходной сигнал таймера разрешает прохождение импульсов от тактового генератора 33 через первую схему И 23 на счетчик 24 и подготавливает вторую схему И 42. 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 24 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 40. На второй вход первого делителя 40 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 первого делителя 40 поступает на четвертый АЦП 37 и вводится в ПЭВМ 16, а также поступает через четвертый пороговый блок 41 на вторую схему И 42. При отсутствии полезного сигнала с выхода схемы ИЛИ 21 логическая единица не поступает в ПЭВМ 16, не запускает таймер 22 и ПЭВМ 16 поддерживает порог срабатывания, исключающий появление сигнала на выходе четвертого порогового блока 41. При появлении полезного сигнала таймер 22 разрешает прохождение импульсов тактового генератора 33 через первую схему И 23, счетчик 24 начинает отсчет времени, а ПЭВМ 16 получает от четвертого АЦП 37 текущее значение сигнала с выхода первого делителя 40, формирует верхнее и нижнее значения этого сигнала, засылает эти значения в виде верхнего и нижнего порогов срабатывания четвертого порогового блока 41 и поддерживает эти пороги в течение времени наличия выходного сигнала таймера 22. Если величина сигнала на выходе первого делителя 40 выходит за верхнее или нижнее значения, на выходе четвертого порогового блока 41 формируется логическая единица, останавливающая счетчик 24 через вторую схему И 42, подготовленную таймером 22. Полученное значение интервала времени τ_з с выхода счетчика 24 поступает в ПЭВМ 16, где по заранее выбранному (по местным условиям) значению высоты D-слоя ионосферы определяется дальность R 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 соответственно через восьмой усилитель 47 и седьмой усилитель 43 поступают на второй делитель 44, где вычисляется отношение амплитуды сигналов второй антенны 2 к амплитуде сигналов первой антенны 1,

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

С выхода второго делителя 44 через пятый АЦП 48 значение tgα поступает в ПЭВМ 16, где формируются и запоминаются верхнее tgα₁ и нижнее tgα₂, допустимые значения, исходя из известных местных условий, которые ПЭВМ 16 засылает в виде верхнего и нижнего порогов срабатывания пятого порогового блока 46. Для всех последующих сигналов в ПЭВМ 16 проверяется знак tgα, и, если он совпадает со знаком запомненного значения, то ПЭВМ 16, управляя пятым пороговым блоком 46, разрешает сравнение сигнала, поступающего через блок модуля 45 в пятый пороговый блок 46, по модулю с верхним и нижним порогами срабатывания. Если значение сигнала находится между верхним и нижним порогами, то пятый пороговый блок 46 формирует для второй схемы И 42 сигнал, разрешающий останов счетчика 24, 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 34, 35, 36 поступают в ПЭВМ 16 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 А₁, А₂ - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 16 из второго и первого АЦП 35, 34 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; c - скорость света.

2. При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 16 по результатам предварительного частотного анализа формируются управляющие сигналы, которые подаются на четвертый ЦАП 31, через формирователь 32 поступают на управляющие входы первого, второго и третьего фильтров 4, 8, 12 и вырезают из полосы пропускания участки частот помехи. Структура формирователя 32 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 16 предварительно устанавливаются также уровни срабатывания отдельно для первого, второго, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков 14, 15, 20, 41, 46.

Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 16, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого усилителей 3, 7, 11, 19, 38, 39, 43, 47 (например, с помощью цифровых потенциометров).

Указанные режимы работы устройства могут быть реализованы 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 26, 28, 30, управляемых ПЭВМ 16 с помощью первого, второго и третьего ЦАП 25, 27, 29.

Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 17 системы единого времени (GPS или Глонасс) и передается по назначению с помощью блока 18 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,

_radio/pelengatr_01.html

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

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: mailto:truskovskis@tsi.lv