RU2596018C1 - Method for amplitude direction finding of radio signal sources - Google Patents

Method for amplitude direction finding of radio signal sources Download PDF

Info

Publication number
RU2596018C1
RU2596018C1 RU2015131458/07A RU2015131458A RU2596018C1 RU 2596018 C1 RU2596018 C1 RU 2596018C1 RU 2015131458/07 A RU2015131458/07 A RU 2015131458/07A RU 2015131458 A RU2015131458 A RU 2015131458A RU 2596018 C1 RU2596018 C1 RU 2596018C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
finding
signal
phase
filtering
temporal
Prior art date
Application number
RU2015131458/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Николаевич Горевич
Original Assignee
Борис Николаевич Горевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Борис Николаевич Горевич filed Critical Борис Николаевич Горевич
Priority to RU2015131458/07A priority Critical patent/RU2596018C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2596018C1 publication Critical patent/RU2596018C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering and communications.
SUBSTANCE: invention can be used in systems for determining direction of radiation source of narrow-band radio signals with known carrier frequency, including in radar, radio navigation, communication. Method includes angular scanning of space by means of a phased antenna array with coherent space-time filtration of signal using spatial filtration of extreme element of array as reference, with arrangement of receiving elements of array at distances from each other, less than value of half-wave, wherein temporal signal filtration is performed using mutually-misaligned phase in range of variation of single-channel correlators, wherein coherent for adjacent angles of direction finding at outputs of multichannel by values of phase misalignment of space-time filter for a row of direction-finding functions, each of which is a dependence of magnitude of corresponding output voltage of filter from angle of direction finding, and direction of signal source is taken as angle at which maximum direction-finding function is achieved, having among other maximum value of main lobe.
EFFECT: high angular resolution of signals.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах определения направления на источник излучения узкополосных радиосигналов с известной несущей частотой, в том числе в радиолокации, радионавигации, связи.The invention relates to radio engineering and can be used in systems for determining the direction to the radiation source of narrow-band radio signals with a known carrier frequency, including in radar, radio navigation, communication.

Известен способ амплитудной пеленгации, заключающийся в сканировании пространства в заданном секторе, обнаружении и обработке принятого сигнала и принятии решения по результатам пеленгации нескольких смежных угловых направлений о направлении на источник сигнала. Выходное напряжение приемного устройства, осуществляющего обнаружение и обработку принятого сигнала, при последовательном изменении углового направления пеленгации, описывает диаграмму направленности. В качестве направления на источник сигнала принимается направление ее максимума. Это так называемый классический метод амплитудной пеленгации [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975. - С. 87-88; Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов /АА. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - С. 260, 262]. Одновременно с измерением направления прихода сигналов обеспечивается их селекция - разрешение по угловым координатам. Ширина диаграммы направленности определяет разрешающие возможности метода амплитудной пеленгации и является основной характеристикой пеленгатора как углового селектора.A known method of amplitude direction finding, which consists in scanning the space in a given sector, detecting and processing the received signal and deciding on the results of direction finding of several adjacent angular directions about the direction to the signal source. The output voltage of the receiving device, which detects and processes the received signal, while sequentially changing the angular direction of direction finding, describes the radiation pattern. The direction of its maximum is taken as the direction to the signal source. This is the so-called classical method of amplitude direction finding [Belotserkovsky GB Basics of radar and radar devices. - M .: Owls. Radio, 1975 .-- S. 87-88; Theoretical Foundations of Radar: Textbook. manual for universities / AA. Korostylev, N.F. Klyuev, Yu.A. Miller et al., Ed. V.E. Dulevich. - M .: Owls. Radio, 1978. - S. 260, 262]. Simultaneously with measuring the direction of arrival of the signals, their selection is ensured - resolution along angular coordinates. The width of the radiation pattern determines the resolving capabilities of the amplitude direction finding method and is the main characteristic of the direction finder as an angular selector.

Для технической реализации способа используется пеленгатор, включающий антенное и приемное устройства, устройство управления положением диаграммы направленности и устройство определения максимума выходного напряжения пеленгатора (измерительное устройство).For the technical implementation of the method, a direction finder is used, including an antenna and a receiving device, a beam position control device and a device for determining the maximum output voltage of a direction finder (measuring device).

Для повышения отношения сигнал/шум и, вследствие этого, точности измерения углового направления прихода, в приемном устройстве выполняется согласованная (когерентная) временная обработка сигнала.To increase the signal-to-noise ratio and, as a result, the accuracy of measuring the angular direction of arrival, a coordinated (coherent) temporal processing of the signal is performed in the receiver.

В качестве измерительного устройства может использоваться индикатор с круговой разверткой. Развертка индикатора синхронизируется с угловым перемещением диаграммы направленности. Уровень яркости отметки от источника сигнала на индикаторе по угловой координате модулируется диаграммой направленности. По максимуму яркости отметки определяют направление на источник сигнала, а угловой размер отметки определяется шириной диаграммы направленности.A circular indicator may be used as a measuring device. The sweep of the indicator is synchronized with the angular movement of the radiation pattern. The brightness level of the mark from the signal source on the indicator in the angular coordinate is modulated by the radiation pattern. The maximum brightness of the mark determines the direction to the signal source, and the angular size of the mark is determined by the width of the radiation pattern.

Известен способ амплитудной пеленгации, в котором для приема электромагнитной волны от источника сигнала используется антенна с непрерывным раскрывом [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 195, 198]. Сканирование пространства диаграммой направленности осуществляется за счет механического поворота антенны. Развертка индикатора осуществляется напряжением, вырабатываемым генератором развертки, который синхронно связан с двигателем вращения антенны. Данный способ не позволяет реализовать пространственную согласованную фильтрацию сигнала, присущую пеленгаторам с использованием фазированных антенных решеток, что при наличии внутренних шумов приемника ведет к снижению точности измерений и разрешающей способности по угловым координатам [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 83].A known method of amplitude direction finding, in which an antenna with continuous opening is used to receive an electromagnetic wave from a signal source [V. Cherdyntsev Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. school., 1988. - S. 195, 198]. The scanning of space by the radiation pattern is carried out due to the mechanical rotation of the antenna. The sweep of the indicator is carried out by the voltage generated by the sweep generator, which is synchronously connected to the antenna rotation motor. This method does not allow to realize the spatial coordinated signal filtering inherent to direction finders using phased array antennas, which in the presence of internal noise of the receiver leads to a decrease in measurement accuracy and resolution in angular coordinates [A. Korostylev. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 83].

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является способ амплитудной пеленгации с электронным управлением диаграммой направленности с использованием фазированной антенной решетки [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 124-125, 195, 198]. Способ позволяет осуществить как временную, так и пространственную когерентную обработку сигнала.The closest analogue of the proposed method is a method of amplitude direction finding with electronic control of the radiation pattern using a phased antenna array [Cherdyntsev V.A. Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. school., 1988. - S. 124-125, 195, 198]. The method allows both temporal and spatial coherent signal processing.

Ввиду дискретности раскрыва антенной решетки диаграмма направленности в общем случае имеет многолепестковый характер, что влечет неоднозначность измерения углового направления прихода сигнала. При реализации способа, для обеспечения наличия одного главного лепестка диаграммы направленности, по которому осуществляется пеленгование, расстояния между элементами антенной решетки выбираются не превышающими половины длины принимаемой волны.Due to the discreteness of the aperture of the antenna array, the radiation pattern in the general case has a multilobe nature, which entails the ambiguity of measuring the angular direction of arrival of the signal. When implementing the method, to ensure the presence of one main lobe of the radiation pattern along which direction finding is carried out, the distances between the elements of the antenna array are selected not exceeding half the length of the received wave.

В способе управление направлением приема (углом пеленгования) осуществляется за счет внесения фазовых сдвигов в приемные каналы фазированной антенной решетки, рассчитываемых соответственно текущему углу пеленгования.In the method, the direction of reception (direction-finding angle) is controlled by introducing phase shifts into the receiving channels of the phased array, calculated according to the current direction-finding angle.

Фазированная антенная решетка совместно с согласованным приемником образует пространственно-временной фильтр, выполняющий когерентную пространственно-временную обработку принимаемого сигнала.The phased array antenna, together with the matched receiver, forms a spatio-temporal filter that performs coherent spatio-temporal processing of the received signal.

В общем случае пространственно-временной фильтр включает приемные элементы антенной решетки, управляемые фазосдвигающие элементы каналов, сумматор сигналов каналов и согласованный приемник. Управляемые фазосдвигающие элементы каналов обеспечивают настройку пеленгатора на заданное направление приема волны и могут выполняться в виде управляемых фазовращателей, или в виде смесителей сигналов с гетеродинными напряжениями, имеющими заданный фазовый сдвиг. Согласованный приемник может быть фильтрационным, элементами которого являются согласованный полосовой фильтр и амплитудный детектор, или корреляционным, состоящим из двух параллельно включенных расстроенных по фазе на π/2 корреляторов, выходные сигналы которых объединяются в квадратуре. Каждый коррелятор состоит из смесителя входного и опорного сигнала и интегратора (фильтра) [Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. - С. 76; Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 36, 37, 82].In the general case, the spatio-temporal filter includes receiving elements of the antenna array, controlled phase-shifting channel elements, an adder of the channel signals and a matched receiver. Controlled phase-shifting channel elements provide direction finder tuning for a given direction of wave reception and can be performed in the form of controlled phase shifters, or in the form of signal mixers with heterodyne voltages having a given phase shift. The matched receiver can be a filtration one, the elements of which are a matched band-pass filter and an amplitude detector, or a correlation one, which consists of two correlators that are in phase detuned by π / 2 in parallel and whose output signals are combined in quadrature. Each correlator consists of an input and reference signal mixer and an integrator (filter) [Theoretical basis of radar: Textbook. manual for universities / A.A. Korostylev, N.F. Klyuev, Yu.A. Miller et al., Ed. V.E. Dulevich. - M .: Owls. Radio, 1978. - S. 76; Korostylev A.A. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 36, 37, 82].

Возможна различная последовательность выполнения операций пространственной и временной фильтрации. Обычно сначала производится пространственная обработка поля по раскрыву антенны, а затем временная фильтрация принятого сигнала. Некоторые элементы (смеситель сигналов), реализующие операции фильтрации, могут участвовать одновременно в выполнении операций и пространственной и временной фильтрации.A different sequence of spatial and temporal filtering operations is possible. Usually, spatial processing of the field is first performed by opening the antenna, and then temporarily filtering the received signal. Some elements (signal mixer) that implement filtering operations can participate simultaneously in the execution of operations and spatial and temporal filtering.

Задачей пространственной фильтрации является согласование по раскрыву антенны фазовой структуры поля падающей волны с фазовой структурой, создаваемой фазосдвигающими элементами каналов антенной решетки. При полном согласовании, которое возможно только на угле пеленгования, совпадающем с направлением прихода сигнала, сигналы приемных каналов антенной решетки после прохождения фазосдвигающих элементов становятся синфазными, а выходное напряжение сумматора сигналов - максимальным. При отклонении угла пеленгования от угла прихода сигнала, выполняемом за счет перестройки управляемых значений фаз, синфазность сигналов в каналах решетки после прохождения фазосдвигающих элементов перестает обеспечиваться, и суммарное напряжение на выходе фазированной антенной решетки уменьшается, достигая при некоторых значениях расстройки фаз каналов нулевых значений. Зависимость суммарного напряжения на выходе фазированной антенной решетки от угла пеленгования описывает диаграмму направленности.The task of spatial filtering is to match the phase structure of the incident wave field with the phase structure created by the phase-shifting elements of the antenna array channels by opening the antenna. With full coordination, which is possible only at the direction-finding angle, which coincides with the direction of arrival of the signal, the signals of the receiving channels of the antenna array after passing through the phase-shifting elements become in-phase, and the output voltage of the signal adder becomes maximum. When the direction-finding angle deviates from the angle of arrival of the signal, which is performed by tuning the controlled phase values, the phase matching of the signals in the channels of the grating after passing the phase-shifting elements ceases to be provided, and the total voltage at the output of the phased antenna array decreases, reaching zero values for the phase mismatch of the phases. The dependence of the total voltage at the output of the phased array antenna on the direction-finding angle describes the radiation pattern.

Задачей временной фильтрации сигнала в пеленгаторе является измерение его отдельных параметров (времени запаздывания и доплеровского сдвига).The task of temporal filtering a signal in a direction finder is to measure its individual parameters (delay time and Doppler shift).

Принципиальным для способа пеленгации является конкретная реализация методов пространственно-временной фильтрации принимаемого сигнала и обеспечиваемые при этом селективные возможности пеленгатора. Это обусловлено тем, что абсолютные значения фаз принятого каждым элементом антенной решетки сигнала неизвестны. Вследствие этого используемый метод пространственно-временной фильтрации в условиях неизвестной начальной фазы сигнала определяет форму зависимости выходного напряжения фильтра от угла пеленгования, то есть форму диаграммы направленности.Fundamental to the direction finding method is the concrete implementation of the spatial-temporal filtering methods of the received signal and the selective capabilities of the direction finder provided. This is because the absolute phase values of the signal received by each element of the antenna array are unknown. As a result, the spatial-temporal filtering method used, under conditions of an unknown initial signal phase, determines the shape of the dependence of the filter output voltage on the direction-finding angle, i.e., the shape of the radiation pattern.

В известном способе пеленгации для пространственно-временной фильтрации сигнала с неизвестной начальной фазой используется метод, основанный на создании двух параллельных ортогональных по фазе (квадратурных) каналов обработки сигнала и получении выходного сигнала пеленгатора для текущего углового направления пеленгования как модуля комплексного сигнала, прошедшего фильтрацию в этих каналах. Такой подход исключает снижение уровня сигнала на выходе фильтра или даже его потерю из-за неточной настройки коррелятора по фазе, что возможно при одноканальной корреляционной обработке сигнала [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 36; Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 49].The known direction finding method for spatio-temporal filtering of a signal with an unknown initial phase uses a method based on the creation of two parallel orthogonal in phase (quadrature) signal processing channels and obtaining the direction finder output signal for the current direction finding direction as a complex signal module that has been filtered in these channels. This approach eliminates the decrease in the signal level at the filter output or even its loss due to inaccurate phase correlator settings, which is possible with single-channel correlation signal processing [A. Korostylev. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 36; Cherdyntsev V.A. Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. school., 1988. - S. 49].

Одним из вариантов реализации метода в случае последовательной пространственной, а затем временной фильтрации, является оптимальная временная фильтрация сигнала с неизвестной начальной фазой, выполняемая после сумматора каналов решетки. Формально она сводится к вычислению модуля корреляционного интеграла, определяемого как вектор, элементами которого являются ортогональные по фазе синфазная и квадратурная составляющие сигнала, прошедшие когерентную фильтрацию. Для формирования корреляционного интеграла используется согласованный фильтр или квадратурный корреляционный приемник.One of the options for implementing the method in the case of sequential spatial and then temporal filtering is the optimal temporal filtering of the signal with an unknown initial phase, performed after the adder of the grating channels. Formally, it boils down to calculating the module of the correlation integral, defined as a vector whose elements are the in-phase and quadrature components of the signal that have passed coherent filtering orthogonal in phase. To form the correlation integral, a matched filter or a quadrature correlation receiver is used.

При другом варианте реализации метода пространственно-временной фильтрации, используемом в цифровых фазированных антенных решетках, ортогональные по фазе каналы обработки создаются на основе предварительного, до обработки, преобразования сигнала в комплексную форму [Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 1267, с. 1282-1284]. При этом из реального сигнала за счет сдвига фазы на π/2 получают мнимый сигнал, после чего идентичные операции многоканальной обработки сигналов выполняются в двух квадратурных каналах. После пространственно-временной фильтрации результирующее напряжение на выходе пеленгатора для этого случая определяют как модуль комплексного сигнала, прошедшего фильтрацию в квадратурных каналах.In another embodiment of the spatial-temporal filtering method used in digital phased array antennas, processing channels orthogonal in phase are created on the basis of preliminary, before processing, conversion of the signal into a complex form [Radar Reference / Ed. M.I. Skolnik. Per from English. under the general ed. V.S. Willow. In 2 books. Book 1. Moscow: Technosphere, 2014 .-- S. 1267, p. 1282-1284]. In this case, an imaginary signal is obtained from a real signal due to a phase shift by π / 2, after which identical operations of multi-channel signal processing are performed in two quadrature channels. After spatio-temporal filtering, the resulting voltage at the output of the direction finder for this case is determined as the modulus of the complex signal that has been filtered in quadrature channels.

Применение метода временной фильтрации сигнала на основе вычисления модуля корреляционного интеграла имеет достоинство, связанное с сохранением уровня обрабатываемого сигнала независимо от значения его фазы, однако одновременно является недостатком известного способа пеленгации. Это обусловлено тем, что во всех вариантах реализации метода, ввиду того что за счет использования ортогональных по фазе синфазного и квадратурного сигналов высокочастотное заполнение сигнала не несет полезной информации, его исключают из анализа. Высокочастотную составляющую сигнала рассматривают лишь как переносчик информации. Исходя из этой же посылки, для описания преобразований сигнала используют только его огибающую, записанную в комплексной форме [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 34]. Вследствие этого, при пространственной фильтрации сигнала, фазовую структуру поля по раскрыву антенны учитывают в виде разностей фаз поля в различных ее точках, а абсолютные значения фаз в этих точках, определяемые высокочастотной составляющей принимаемого сигнала, не учитывают. То есть когерентная пространственная фильтрация сигнала, осуществляемая за счет фазовых сдвигов, вносимых в приемные каналы фазированной антенной решетки, выполняется с точностью до разности фаз поля по раскрыву антенны.The use of the method of temporal filtering a signal based on the calculation of the module of the correlation integral has the advantage associated with maintaining the level of the processed signal regardless of its phase value, however, it is also a disadvantage of the known direction finding method. This is due to the fact that in all variants of the method implementation, due to the use of in-phase orthogonal in-phase and quadrature signals, high-frequency signal filling does not carry useful information, it is excluded from analysis. The high-frequency component of the signal is considered only as a carrier of information. Based on the same premise, to describe the transformation of the signal use only its envelope, recorded in complex form [Korostylev A.A. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 34]. As a result of this, in spatial filtering of a signal, the phase structure of the field by the aperture of the antenna is taken into account in the form of phase differences of the field at its various points, and the absolute phase values at these points, determined by the high-frequency component of the received signal, are not taken into account. That is, coherent spatial filtering of the signal, carried out due to phase shifts introduced into the receiving channels of the phased array antenna, is performed accurate to the phase difference of the field at the opening of the antenna.

Для такого способа когерентной пространственной фильтрации наименьшая возможная ширина диаграммы направленности (наибольшее разрешение), определяемая разностью углов нулевых значений главного лепестка диаграммы направленности, определяется значениями угла пеленгования α, рассчитываемыми относительно направления прихода сигнала αс по формуле sin(αc)-sin(α)=±λ/L, где λ - длина волны, L - величина раскрыва антенны [Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 609-611]. То есть потенциальная (предельная) разрешающая способность известного способа пеленгации, определяемая расстоянием между нулями главного лепестка диаграммы направленности по координате sin(α), равна 2λ/L.For this method of coherent spatial filtering, the smallest possible radiation pattern width (highest resolution), determined by the difference between the angles of zero values of the main lobe of the radiation pattern, is determined by the direction-finding angle α calculated relative to the direction of arrival of the signal α c using the formula sin (α c ) -sin (α ) = ± λ / L, where λ is the wavelength, L is the magnitude of the aperture of the antenna [Radar Reference / Ed. M.I. Skolnik. Per from English. under the general ed. V.S. Willow. In 2 books. Book 1. Moscow: Technosphere, 2014. - S. 609-611]. That is, the potential (limiting) resolution of the known direction finding method, determined by the distance between the zeros of the main lobe of the radiation pattern along the coordinate sin (α), is 2λ / L.

Недостатком известного способа амплитудной пеленгации является недостаточно высокая разрешающая способность, потенциально ограниченная величиной 2λ/L (по нулевым значениям главного лепестка диаграммы направленности), что обусловлено пространственной фильтрацией принимаемого сигнала с точностью до разности фаз между элементами раскрыва антенны и не учетом мгновенной фазовой структуры поля по раскрыву антенны, определяемой абсолютными значениями фаз в различных точках раскрыва.A disadvantage of the known method of amplitude direction finding is not a sufficiently high resolution, potentially limited to 2λ / L (by zero values of the main lobe of the radiation pattern), which is due to spatial filtering of the received signal accurate to the phase difference between the elements of the aperture of the antenna and not taking into account the instantaneous phase structure of the field the opening of the antenna, determined by the absolute values of the phases at various points of the aperture.

Изобретение направлено на решение задачи повышения разрешения сигналов по угловой координате за счет выполнения когерентной пространственной фильтрации принимаемого сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны.The invention is aimed at solving the problem of increasing the resolution of signals by the angular coordinate by performing coherent spatial filtering of the received signal with an accuracy of the absolute magnitude of the phase of the field along the aperture of the antenna.

Техническим результатом использования предлагаемого способа является повышение углового разрешения сигналов.The technical result of using the proposed method is to increase the angular resolution of the signals.

Достижение заявленного технического результата основывается на пространственной фильтрации принимаемого сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны. С этой целью временная обработка сигнала, в отличие от метода обработки, используемого в известном способе пеленгации, выполняется рядом взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов. Данный метод обработки сигнала известен в теории построения приемных устройств, и используется для измерения неизвестного параметра сигнала рядом одноканальных корреляторов, настроенных на возможные фиксированные значения измеряемого параметра [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. С. 87-90; Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича - М.: Сов. радио, 1978. - С. 73]. В качестве измеряемых параметров рассматриваются время задержки и доплеровский сдвиг фазы сигнала, отраженного от цели. Применительно к изобретению измеряемым параметром сигнала является его начальная фаза, носителем которой служит высокочастотное колебание сигнала.Achieving the claimed technical result is based on spatial filtering of the received signal accurate to the absolute magnitude of the phase of the field by opening the antenna. To this end, temporary signal processing, in contrast to the processing method used in the known method of direction finding, is performed by a number of mutually upset in phase in the range of its variation of single-channel correlators. This signal processing method is known in the theory of receiving devices, and is used to measure an unknown signal parameter by a number of single-channel correlators tuned to possible fixed values of the measured parameter [V. Cherdyntsev Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. school, 1988. S. 87-90; Theoretical Foundations of Radar: Textbook. manual for universities / A.A. Korostylev, N.F. Klyuev, Yu.A. Miller et al., Ed. V.E. Dulevich - M .: Sov. Radio, 1978. - S. 73]. As the measured parameters, the delay time and the Doppler phase shift of the signal reflected from the target are considered. In relation to the invention, the measured signal parameter is its initial phase, the carrier of which is the high-frequency oscillation of the signal.

Выходное напряжение одноканального коррелятора после его детектирования, в отличие от выходного напряжения квадратурного корреляционного приемника после его квадратурного детектирования, зависит от абсолютного значения фазы входного сигнала. Так как временной фильтрации сигнала предшествует настройка пространственного фильтра с помощью фазосдвигающих элементов на фазовую структуру принимаемого поля, то величина выходных напряжений одноканальных корреляторов отражает степень когерентности пространственной фильтрации. В результате выполнения когерентной пространственно-временной обработки сигнала последовательно для различных смежных углов пеленгования, для каждого одноканального коррелятора получим зависимость его выходного напряжения от направления пеленгования (пеленгационную функцию). По совокупности пеленгационных функций, построенных на выходе пространственно-временного фильтра, характеризующих степень когерентности пространственной фильтрации для различных фазовых настроек корреляторов, можно определить направление на источник сигнала. Используя необходимое количество взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов можно обеспечить требуемую точность настройки пространственного фильтра на фазовое распределение поля по раскрыву антенны.The output voltage of a single-channel correlator after its detection, in contrast to the output voltage of a quadrature correlation receiver after its quadrature detection, depends on the absolute value of the phase of the input signal. Since temporal filtering of the signal is preceded by tuning the spatial filter using phase-shifting elements to the phase structure of the received field, the magnitude of the output voltages of single-channel correlators reflects the degree of coherence of spatial filtering. As a result of performing coherent spatio-temporal processing of the signal sequentially for various adjacent direction-finding angles, for each single-channel correlator we obtain the dependence of its output voltage on the direction-finding direction (direction-finding function). From the set of direction-finding functions built at the output of the space-time filter, characterizing the degree of spatial filtering coherence for various phase settings of the correlators, it is possible to determine the direction to the signal source. Using the required number of single-channel correlators mutually detuned in phase in the range of its variation, it is possible to ensure the required accuracy of tuning the spatial filter to the phase distribution of the field along the aperture of the antenna.

Аналогичный результат имеет место в случае, если выполнять временную фильтрацию сигнала рядом взаимно-расстроенных по фазе корреляторов в каналах пространственной фильтрации, до суммирования сигналов антенной решетки. В этом случае пеленгационные функции строят на выходах сумматоров.A similar result occurs if the signal is temporarily filtered by a number of correlators mutually detuned in phase in the spatial filtering channels, before the summation of the antenna array signals. In this case, direction finding functions are built on the outputs of the adders.

Пеленгационные функции, построенные на выходе пространственно-временного фильтра описанным способом, за счет использования ряда взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов, при сохранении условий когерентности фильтрации для различных смежных направлений пеленгования, имеют существенно меньшую ширину по сравнению с шириной диаграммы направленности, получаемой при использовании известного способа пеленгации.Direction finding functions constructed at the output of a spatio-temporal filter in the described manner, by using a number of single-channel correlators mutually detuned in phase in the range of its variation, while maintaining the filtering coherence conditions for various adjacent direction-finding directions, have a significantly smaller width compared to the radiation pattern width obtained using the known method of direction finding.

Дополнительным условием, выполнение которого необходимо для того, чтобы ширина пеленгационной функции была существенно меньше ширины диаграммы направленности, получаемой при использовании известного способа пеленгации, является выполнение пространственной фильтрации сигнала с опорой на край раскрыва антенны. В некоторых вариантах реализации пространственной фильтрации сигнала в известном способе пеленгации отсчет вводимых в каналы фазовых сдвигов производится от центра антенной решетки, то есть пространственная фильтрация выполняется, условно говоря, с опорой на центр раскрыва антенны. При этом с помощью фазосдвигающих элементов вносятся разнополярные относительно центра решетки фазовые сдвиги: фазовые сдвиги для каналов по одну строну центра решетки имеют знак минус, по другую строну - знак плюс [Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов / А.А. Коростылев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., под ред. В.Е. Дулевича - М.: Сов. радио, 1978. - С. 140]. Возможен вариант фильтрации сигналов без внесения разнополярных симметричных относительно центра решетки фазовых сдвигов. В этом случае разная полярность вводится в сигналы при их суммировании - за счет инвертирования сигналов, поступающих в сумматор с одной из половин антенной решетки [Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. -Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 120-123]. Такой способ разнополярной пространственной фильтрации приводит к тем же последствиям, что и описанный выше способ квадратурной временной обработки - потере информации об абсолютной величине фазы поля по раскрыву антенныAn additional condition, the fulfillment of which is necessary so that the direction-finding function width is substantially less than the radiation pattern width obtained using the known direction-finding method, is to perform spatial filtering of the signal based on the antenna aperture. In some embodiments of the spatial filtering of the signal in the known method of direction finding, the phase shifts introduced into the channels are counted from the center of the antenna array, that is, spatial filtering is performed, relatively speaking, based on the center of the antenna aperture. In this case, using phase-shifting elements, phase shifts of different polarities relative to the center of the grating are introduced: phase shifts for channels along one side of the center of the grating have a minus sign and on the other side a plus sign [Theoretical basis of radar: Textbook. manual for universities / A.A. Korostylev, N.F. Klyuev, Yu.A. Miller et al., Ed. V.E. Dulevich - M .: Sov. Radio, 1978. - S. 140]. It is possible to filter signals without introducing phase shifts that are bipolar symmetrical with respect to the center of the lattice. In this case, different polarity is introduced into the signals when they are summed - by inverting the signals entering the adder from one of the halves of the antenna array [Cherdyntsev V.A. Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. -Mn .: Ab. school., 1988. - S. 120-123]. This method of bipolar spatial filtering leads to the same consequences as the quadrature time processing method described above — the loss of information about the absolute magnitude of the phase of the field by the aperture of the antenna

Теоретическое обоснование необходимости выполнения условия пространственной фильтрации сигнала с опорой на край раскрыва антенны и пространственная интерпретация операций когерентной обработки сигнала приводятся ниже (см. формулы (7), (8)).A theoretical justification for the necessity of fulfilling the condition of spatial filtering of a signal based on the aperture of the antenna aperture and a spatial interpretation of the operations of coherent signal processing are given below (see formulas (7), (8)).

С целью раскрытия изобретения дадим теоретическое обоснование возможности решения задачи повышения углового разрешения сигналов за счет выполнения пространственной фильтрации сигнала с точностью до абсолютной величины фазы поля по раскрыву антенны.In order to disclose the invention, we give a theoretical justification for the possibility of solving the problem of increasing the angular resolution of signals by performing spatial filtering of the signal accurate to the absolute magnitude of the phase of the field along the aperture of the antenna.

Будем считать, что источник сигнала находится в так называемой «дальней зоне» и на антенную решетку падает плоский фронт электромагнитной волны известной частоты

Figure 00000001
[Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 120; Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 64-85]. При этом также будем считать, что расстояние между приемными элементами антенны для обеспечения единства главного лепестка диаграммы направленности выбрано достаточно малым, что позволяет с целью упрощения математических выкладок заменить дискретное суммирование сигнала по элементам решетки интегрированием по ее раскрыву [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М. : Радио и связь, 1987. - С. 83].We assume that the signal source is in the so-called “far zone” and a plane front of an electromagnetic wave of known frequency falls on the antenna array
Figure 00000001
[Cherdyntsev V.A. Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. school, 1988. - S. 120; Korostylev A.A. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 64-85]. Moreover, we will also assume that the distance between the receiving elements of the antenna to ensure the unity of the main lobe of the radiation pattern is chosen sufficiently small, which allows us to replace the discrete summation of the signal over the elements of the array with integration over its opening to simplify mathematical calculations [Korostylev A.A. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M.: Radio and communications, 1987. - S. 83].

На фиг. 1 представлена схема распределения текущих фаз фронта волны по раскрыву антенны. На фиг. 1 используются следующие обозначения:In FIG. 1 shows a distribution diagram of the current phases of the wave front over the antenna opening. In FIG. 1 the following notation is used:

t - время;t is the time;

α - текущий угол пеленгования;α is the current direction finding angle;

αс - угол прихода волны;α c - angle of wave arrival;

t3c,l) - задержка времени прихода фронта волны в 1-ю точку раскрыва антенны;t 3c , l) - time delay of arrival of the wave front at the 1st antenna aperture point;

L - размер раскрыва антенны;L is the aperture size of the antenna;

Figure 00000002
- период повторения волны.
Figure 00000002
- period of repetition of the wave.

Начальная фаза волны ϕн на крайнем элементе решетки, определяемая высокочастотной составляющей принимаемого сигнала, неизвестна и является случайной величиной, равномерно распределенной в интервале [0, 2π].The initial phase of the wave ϕ n at the extreme element of the lattice, determined by the high-frequency component of the received signal, is unknown and is a random variable uniformly distributed in the interval [0, 2π].

Антенные элементы преобразуют пространственно-временной процесс во временные высокочастотные электрические колебания. Как и в методе фильтрации, используемом в известном способе пеленгации, будем считать, что принимаемый радиосигнал является узкополосным в смысле возможности замены учета реальной задержки времени прихода фронта волны к каждому элементу антенны учетом фазовых сдвигов, определяемых временем хода волны к этим элементам [Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 80-81; Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учеб. пособие для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1988. - С. 194; Справочник по радиолокации/ Под ред. М.И. Сколника. Пер с англ. под общей ред. В.С. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014. - С. 635-636]. Вид амплитудного распределения поля непринципиален ввиду возможности весовой обработки сигнала в каналах антенной решетки, в связи с чем будем считать, что волна имеет единичную амплитуду. Тогда создаваемое волной напряжение в произвольной

Figure 00000003
точке раскрыва, отсчитываемой от края антенны, описывается формулойAntenna elements transform the space-time process into temporary high-frequency electrical oscillations. As in the filtering method used in the known direction finding method, we assume that the received radio signal is narrow-band in the sense of the possibility of replacing the real delay of the arrival time of the wave front to each element of the antenna by taking into account phase shifts determined by the travel time of the wave to these elements [Korostylev A. BUT. Spatio-temporal theory of radio systems: Textbook. manual for universities. - M .: Radio and communications, 1987. - S. 80-81; Cherdyntsev V.A. Radio engineering systems: Textbook. manual for universities. - Mn .: Vysh. Shk., 1988 .-- S. 194; Handbook of Radar / Ed. M.I. Skolnik. Per from English. under the general ed. V.S. Willow. In 2 books. Book 1. Moscow: Technosphere, 2014. - S. 635-636]. The form of the amplitude field distribution is unprincipled due to the possibility of weighted processing of the signal in the channels of the antenna array, in connection with which we assume that the wave has a unit amplitude. Then the voltage created by the wave in an arbitrary
Figure 00000003
the aperture point, measured from the edge of the antenna, is described by the formula

Figure 00000004
.
Figure 00000004
.

Принятая элементами антенной решетки волна с помощью управляемых фазосдвигающих элементов проходит пространственную фильтрацию. Фильтрация сигнала осуществляется введением в приемные каналы фазовых сдвигов в соответствии с текущим углом пеленгования α. На фиг. 1 показана некоторая линия текущих фазовых настроек в пространстве (фронт приема волны), соответствующая фазовой настройки приемных каналов на угол α относительно раскрыва антенны.The wave received by the elements of the antenna array by means of controlled phase-shifting elements undergoes spatial filtering. The signal is filtered by introducing phase shifts into the receiving channels in accordance with the current direction-finding angle α. In FIG. 1 shows a line of the current phase settings in space (wave front), corresponding to the phase setting of the receiving channels at an angle α relative to the aperture of the antenna.

Сигналы с выхода приемных каналов поступают в сумматор. Выходное напряжение сумматора определяется суперпозицией напряжений на фронте волны и на линии фазовых настроек приемных каналов пеленгатора.The signals from the output of the receiving channels enter the adder. The output voltage of the adder is determined by the superposition of voltages at the wave front and on the phase line of the receiving channels of the direction finder.

Рассмотрим случай, когда временная фильтрация сигнала выполняется до суммирования сигналов антенной решетки.Consider the case when temporary signal filtering is performed before the summation of the signals of the antenna array.

Пусть введение фазовых сдвигов в приемные каналы выполняется с помощью управляемых гетеродинных напряжений, а смесители сигналов, реализующие операции фильтрации, используются одновременно в выполнении операций и пространственной и временной фильтрации. Тогда гетеродинные напряжения несут информацию о фазовых сдвигах, соответствующих текущему углу пеленгования, а также о несущей частоте сигнала, и описываются формулойLet the introduction of phase shifts in the receiving channels be performed using controlled heterodyne voltages, and signal mixers that implement filtering operations are used simultaneously in the execution of operations and spatial and temporal filtering. Then the heterodyne voltages carry information about the phase shifts corresponding to the current direction-finding angle, as well as about the carrier frequency of the signal, and are described by the formula

Figure 00000005
.
Figure 00000005
.

где ϕг - начальная фаза гетеродинных напряжений.where ϕ g is the initial phase of the heterodyne stresses.

Выполнение временной фильтрации сигнала каждого приемного канала решетки, соответствующего

Figure 00000003
точке раскрыва антенны, осуществляется перемножением напряжений в смесителях и интегрированием на интервале обработки сигнала Tобр:Performing temporary filtering of the signal of each receiving channel of the array corresponding to
Figure 00000003
the antenna aperture point, is carried out by multiplying the voltages in the mixers and integrating on the signal processing interval T arr :

Figure 00000006
.
Figure 00000006
.

Для интервала обработки сигнала Тобр, превышающего Т/2, результат интегрирования имеет видFor a signal processing interval T arr exceeding T / 2, the integration result has the form

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
,
Figure 00000008
,

где ϕф - неизвестная фазовая составляющая видеосигнала после интегрирования.where ϕ f is the unknown phase component of the video signal after integration.

Допустим, что при фильтрации, за счет выбора начальной фазы гетеродинов ϕг, произошла полная компенсация неизвестной фазы сигнала ϕн, то есть значения неизвестной фазовой составляющей видеосигнала равны ϕф=±n2π, n=0, 1, 2, …Suppose that during filtering, due to the choice of the initial phase of the local oscillators ϕ g , there was a complete compensation of the unknown phase of the signal ϕ n , that is, the values of the unknown phase component of the video signal are ϕ f = ± n2π, n = 0, 1, 2, ...

Для этого случая в результате интегрирования по раскрыву антенны с опорой на край раскрыва антенны получим величину напряжения на выходе сумматораFor this case, as a result of integration over the aperture of the antenna with support on the edge of the aperture of the antenna, we obtain the voltage at the output of the adder

Figure 00000009
Figure 00000009

гдеWhere

Figure 00000010
Figure 00000010

Функция U(α) является аналогом диаграммы направленности, понимаемой как распределение принимаемого поля по угловым координатам. Она имеет по координате sin(α) симметричную многолепестковую структуру с одним главным лепестком, направленным под углом αс. Расстояния по оси α между n-тыми нулями функции U(α) вычисляются из формулыThe function U (α) is an analogue of the radiation pattern, understood as the distribution of the received field along the angular coordinates. According to the coordinate sin (α), it has a symmetric multilobe structure with one main lobe directed at an angle α s. The distances along the α axis between the n-th zeros of the function U (α) are calculated from the formula

sin(αc)-sin(α)=nλ/2L, где n=±1, ±2, …sin (α c ) -sin (α) = nλ / 2L, where n = ± 1, ± 2, ...

Ширина главного лепестка по нулевому уровню равна λ/L, то есть для введенных условий и метода обработки сигнала обеспечивается повышенное по сравнению с известным способом пеленгации угловое разрешение сигнала, равное λ/L.The width of the main lobe at the zero level is equal to λ / L, that is, for the introduced conditions and the signal processing method, an increased angular resolution of the signal is equal to λ / L compared to the known direction finding method.

Расширим рассматриваемые условия обработки сигнала. Пусть не обеспечена полная компенсация неизвестной фазы сигнала ϕн в приемных каналах. Тогда суммирование выходных сигналов каналов (интегрирование напряжений (1) по формуле (2)) дает результат:We expand the considered signal processing conditions. Suppose that complete compensation for the unknown phase of the signal ϕ n in the receiving channels is not provided. Then the summation of the output signals of the channels (voltage integration (1) according to the formula (2)) gives the result:

Figure 00000011
Figure 00000011

где значение х определяется по формуле (3).where the value of x is determined by the formula (3).

В качестве примера, для анализа вида функций U/(α,ϕф), выполнены расчеты для исходных данных λ/L=0.1, αс=-0.2 [рад]. Результаты расчетов для некоторых характерных значений фазы ϕф приведены на фиг. 2. Здесь же показана функция диаграммы направленности F(α) известного способа пеленгации, определяемая как модуль преобразования Фурье от распределения поля, записанного в комплексной форме:As an example, to analyze the form of the functions U / (α, ϕ φ ), calculations were performed for the initial data λ / L = 0.1, α с = -0.2 [rad]. The calculation results for some characteristic values of the phase ϕ f are shown in FIG. 2. Here also shows the function of the radiation pattern F (α) of the known method of direction finding, defined as the modulus of the Fourier transform of the field distribution recorded in complex form:

Figure 00000012
,
Figure 00000012
,

гдеWhere

Figure 00000013
Figure 00000013

Расчеты показывают, что функция F(α) является огибающей для множества модулей функций

Figure 00000014
, вычисляемых для произвольных значений фазы ϕф. Этот вывод подтверждает и аналитическое интегрирование модуля функции
Figure 00000014
по возможным значениям фазы:Calculations show that the function F (α) is an envelope for the set of modules of functions
Figure 00000014
calculated for arbitrary values of the phase ϕ f . This conclusion is confirmed by the analytical integration of the function module
Figure 00000014
by possible phase values:

Figure 00000015
.
Figure 00000015
.

Функция F(α) имеет максимум в направлении αс, по шкале sin(α) она симметрична относительно направления максимума, а ширина главного лепестка по нулевому уровню равна 2λ/L. Перечисленные свойства функции F(α) и определяют направленные и селективные возможности известного способа пеленгации.The function F (α) has a maximum in the direction α s , on the scale sin (α) it is symmetric with respect to the direction of the maximum, and the width of the main lobe at the zero level is 2λ / L. These properties of the function F (α) determine the directional and selective capabilities of the known method of direction finding.

Из рисунка на фиг. 2 видно, что селективные свойства пеленгационной функции

Figure 00000016
, используемой в предлагаемом способе в качестве альтернативы диаграмме направленности, существенно выше селективных свойств диаграммы направленности F(α), используемой в известном способе пеленгации. Положения нулей пеленгационной функции
Figure 00000016
относительно направления прихода сигнала определим, приравнивая к нулю выражение (4). В результате получим следующую формулу для нахождения нулей:From the figure in FIG. 2 shows that the selective properties of the direction-finding function
Figure 00000016
used in the proposed method as an alternative to the radiation pattern, significantly higher than the selective properties of the radiation pattern F (α) used in the known method of direction finding. Positions of the zeros of the direction-finding function
Figure 00000016
relative to the direction of arrival of the signal we define, equating the expression (4) to zero. As a result, we obtain the following formula for finding zeros:

Figure 00000017
Figure 00000017

Для главного лепестка диаграммы направленности, который образуется при

Figure 00000018
, нули пеленгационной функции определяются из уравненияFor the main lobe of the radiation pattern that forms when
Figure 00000018
, zeros of the direction-finding function are determined from the equation

Figure 00000019
.
Figure 00000019
.

Отсюда следует, что независимо от величины фазового сдвига ϕф, предельная разрешающая способность, определяемая шириной пеленгационной функции

Figure 00000016
по ее нулевым значениям, равна λ/L и существенно выше предельной разрешающей способности известного способа. Заметим, что так же существенно выше и точность пеленгования, определяемая крутизной функции
Figure 00000016
.It follows that regardless of the magnitude of the phase shift ϕ f , the limiting resolution, determined by the width of the direction-finding function
Figure 00000016
by its zero values, it is equal to λ / L and significantly higher than the limiting resolution of the known method. Note that the direction finding accuracy determined by the steepness of the function is also significantly higher
Figure 00000016
.

Особенностью функции

Figure 00000016
как пеленгационной характеристики, является зависимость ее формы от величины фазового сдвига ϕф в обрабатываемом сигнале. При полной компенсации неизвестной фазы сигнала ϕн, обеспечивающей выполнение равенства нулю величины ϕф, максимум функции
Figure 00000016
направлен по углу прихода сигнала αс. С увеличением рассогласования фаз принятого и гетеродинного сигналов, ведущего к росту величины ϕф вплоть до значения π/2, величина максимума функции
Figure 00000016
монотонно уменьшается. При этом появляется и линейно растет систематическая ошибка пеленга, состоящая в рассогласовании направлений главного лепестка функции и направления прихода сигнала αс, а также увеличивается величина боковых лепестков функции
Figure 00000016
. В предельном случае, для значений фазы, кратных π/2, функция
Figure 00000016
распадается на два лепестка, симметричных относительно направления αс. При этом полностью исключается прием сигнала с направления αс.Feature Feature
Figure 00000016
 as a direction-finding characteristic, is the dependence of its shape on the phase shift ϕf in the processed signal. With full compensation of the unknown phase of the signal ϕnensuring that the quantity ϕ is equal to zerofmaximum function
Figure 00000016
 directed along the angle of arrival of the signal αfrom. With an increase in the phase mismatch between the received and heterodyne signals, leading to an increase in ϕf up to π / 2, the maximum value of the function
Figure 00000016
 monotonously decreases. In this case, a systematic bearing error appears and linearly grows, consisting in a mismatch of the directions of the main lobe of the function and the direction of arrival of the signal αfrom, and also increases the value of the side lobes of the function
Figure 00000016
. In the limiting case, for phase values that are multiples of π / 2, the function
Figure 00000016
 splits into two petals symmetrical with respect to the direction αfrom. In this case, signal reception from the α direction is completely excludedfrom.

Основным недостатком функции

Figure 00000016
, ограничивающим ее использование для пеленгования, является систематическая ошибка пеленга, обусловленная наличием в фильтруемом сигнале случайной составляющей ϕн. Максимальная ошибка пеленга, достигаемая при величине фазового сдвига
Figure 00000020
, по шкале sin(α) составляет Δп≈±0.38λ/L [рад].The main disadvantage of the function
Figure 00000016
, limiting its use for direction finding, is the systematic bearing error due to the presence of a random component ϕ n in the filtered signal. Maximum bearing error achieved with phase shift
Figure 00000020
, on the scale sin (α) is Δ p ≈ ± 0.38λ / L [rad].

Устранить систематическую ошибку пеленгационной функции

Figure 00000016
и привести функцию
Figure 00000016
к известному виду функции F(α) можно разными приемами, которые и используются в различных вариантах технической реализации пространственной фильтрации сигнала в известном способе пеленгования, в том числе:Eliminate bias direction finding function
Figure 00000016
and bring the function
Figure 00000016
to a known form of the function F (α), one can use various methods, which are used in various versions of the technical implementation of spatial filtering of a signal in a known direction finding method, including:

1) за счет представления сигнала в комплексной форме, с выполнением пространственно-временной фильтрации в квадратурных каналах, и вычисления результирующего напряжения на выходе пеленгатора как модуля комплексной величины:1) by presenting the signal in complex form, with performing spatio-temporal filtering in quadrature channels, and calculating the resulting voltage at the output of the direction finder as a module of complex magnitude:

Figure 00000021
Figure 00000021

2) за счет использования при пространственной фильтрации сигнала в качестве опоры центра раскрыва антенны, путем инверсии фазы относительно центра раскрыва антенны в устройствах введения фазовых сдвигов:2) due to the use of a spatial filtering signal as a support for the center of the aperture of the antenna, by inverting the phase relative to the center of the aperture of the antenna in the devices introducing phase shifts:

Figure 00000022
Figure 00000022

или инверсии фазы относительно центра раскрыва антенны непосредственно в сумматоре:or phase inversion relative to the center of the aperture of the antenna directly in the adder:

Figure 00000023
Figure 00000023

Во втором варианте устранения систематической ошибки, основанном на инверсии фазы, для устранения фазовой модуляции выходного сигнала сумматора функцией cos(ϕф), дополнительно после сумматора выполняют квадратурное детектирование, в результате чего получают:In the second variant of eliminating a systematic error based on phase inversion, to eliminate phase modulation of the output signal of the adder by the function cos (ϕ f ), additionally, quadrature detection is performed after the adder, as a result of which:

Figure 00000024
Figure 00000024

В предлагаемом способе пеленгации, в отличие от известного способа, используется метод снижения систематической ошибки пеленгации до заданной величины при сохранении неизменными высоких селективных возможностей функции

Figure 00000016
, основанный на выполнении параллельной временной обработки принятого сигнала рядом расстроенных относительно друг друга на фиксированное значение вносимого в сигнал фазового сдвига ϕг идентичных временных фильтров.In the proposed method of direction finding, in contrast to the known method, the method of reducing the systematic error of direction finding to a given value is used while maintaining the high selective capabilities of the function
Figure 00000016
based on performing parallel time processing of the received signal in a row of identical time filters introduced into the signal of the phase shift ϕ g that are detuned relative to each other by a fixed value.

Этот метод основан на том, что функция

Figure 00000016
имеет повторяющийся по переменной ϕф с периодом π характер. Задаваясь допустимой величиной систематической ошибки пеленга δп[рад], необходимое количество пространственно-временных фильтров М для обработки сигнала можно определить по формуле
Figure 00000025
. При этом, учитывая линейный характер изменения систематической ошибки при изменении фазового сдвига ϕф, расстройку временных фильтров предпочтительно выполнять с регулярным шагом Δг величиной Δг=π/М. Имея ряд временных фильтров, расстроенных по величине вносимого в обрабатываемый сигнал фазового сдвига ϕг в диапазоне изменения фазового сдвига ϕф∈[0, π], на выходе пеленгатора (после детектирования выходных напряжений) получим ряд пеленгационных функций
Figure 00000026
, неперекрывающихся по направлениям максимумов главных лепестков. Для пеленгации источника сигнала необходимо выбрать одну из них. Учитывая монотонный вид зависимости максимума функции
Figure 00000016
от величины систематической ошибки пеленгации, для пеленгации источника сигнала следует выбрать пеленгационную функцию, имеющую наибольшую величину главного лепестка. Такой выбор минимизирует систематическую ошибку пеленгации. В результате, в качестве направления на источник сигнала принимают угол, при котором достигается максимум пеленгационной функции, имеющей среди прочих наибольшее значение главного лепестка.This method is based on the fact that the function
Figure 00000016
has a character repeating in the variable ϕ f with period π. Given the admissible value of the systematic error of the bearing δ p [rad], the required number of space-time filters M for signal processing can be determined by the formula
Figure 00000025
. Moreover, taking into account the linear nature of the change in the systematic error with a change in the phase shift ϕ f , it is preferable to perform the mismatch of temporary filters with a regular step Δ g of Δ g = π / M. Having a number of time filters that are upset by the magnitude of the phase shift ϕ g introduced into the processed signal in the range of the phase shift ϕ f ∈ [0, π], we obtain a number of direction finding functions at the direction finder output (after detecting the output voltages)
Figure 00000026
that do not overlap in the directions of the maxima of the main petals. For direction finding of the signal source, you must select one of them. Given the monotonous dependence of the maximum function
Figure 00000016
from the magnitude of the systematic error of direction finding, for direction finding of the signal source, you should choose the direction finding function that has the largest value of the main lobe. This choice minimizes the bias of direction finding. As a result, the angle at which the maximum of the direction-finding function, which, among others, has the highest value of the main lobe, is taken as the direction to the signal source.

Отметим, что пеленгационные функции, кроме зависимости величины максимума главного лепестка от величины расстройки фазы принятого сигнала и фазы настройки временного коррелятора, обладают и другими информативными признаками, позволяющими снизить величину систематической ошибки измерения. Такими признаками является уровень их боковых лепестков, а также их групповое распределение относительно направления пеленга, которое может быть основой для разработки статистических методов оценки направления пеленга.Note that direction-finding functions, in addition to the dependence of the magnitude of the maximum of the main lobe on the magnitude of the detuning of the phase of the received signal and the tuning phase of the time correlator, have other informative features that can reduce the value of the systematic measurement error. Such signs are the level of their side lobes, as well as their group distribution relative to the direction of the bearing, which can be the basis for the development of statistical methods for assessing the direction of the bearing.

Пространственная интерпретация предлагаемого метода пространственно-временной фильтрации заключается в следующем. Применительно к фиг. 1, метод фильтрации, используемый в известном способе пеленгации, состоит в создании на нормали, соответствующей углу пеленгования α, двух фронтов приема волны, рассовмещенных по фазе на π/2. Напряжения, снимаемые приемными элементами антенной решетки с этих фронтов, когерентно суммируются и подвергаются совместной фильтрации согласованным приемником. Результатом такой пространственно-временной фильтрации при варьировании угла пеленгования α является известная диаграмма направленности F(α). При этом квадратурное детектирование напряжений в согласованном приемнике приводит к утрате информации об абсолютных значениях фазы поля по раскрыву антенны. К аналогичному результату приводит пространственная фильтрация сигнала с опорой на центр раскрыва антенны. Внесение при этом в принимаемый сигнал разнополярных относительно центра решетки фазовых сдвигов, соответствует формированию двух фронтов приема волны, рассовмещенных по фазе на π. Когерентное суммирование напряжений, снимаемых приемными элементами решетки с этих фронтов, также приводит к утрате информации об абсолютных значениях фазы поля по раскрыву антенны.The spatial interpretation of the proposed method of space-time filtering is as follows. With reference to FIG. 1, the filtering method used in the known method of direction finding consists in creating on the normal, corresponding to the angle of direction finding α, two fronts of wave reception, phase-shifted by π / 2. The voltages removed by the receiving elements of the antenna array from these fronts are coherently summed and subjected to joint filtering by a matched receiver. The result of such a spatio-temporal filtering with varying direction-finding angle α is the well-known radiation pattern F (α). At the same time, quadrature voltage detection in a matched receiver leads to a loss of information about the absolute values of the field phase by the aperture of the antenna. A spatial filtering of the signal based on the center of the antenna aperture leads to a similar result. In this case, the introduction of phase shifts of different polarities relative to the center of the grating into the received signal corresponds to the formation of two fronts of wave reception, phase-shifted by π. Coherent summation of the voltages removed by the receiving elements of the lattice from these fronts also leads to the loss of information about the absolute values of the phase of the field along the aperture of the antenna.

Предлагаемый метод фильтрации позволяет создать в пространстве на интервале изменения фазы ряд взаимно-расстроенных фронтов пеленгации, привязанных к краю раскрыва антенны. Пространственно-временной фильтрации с использованием одноканальных корреляторов подвергаются напряжения, снимаемые элементами антенной решетки с каждого из этих фронтов, при этом сохраняются абсолютные значения фазы поля по раскрыву антенны. Выходные напряжения фильтров детектируются, в результате чего, по результатам варьирования угла пеленгования α, образуется ряд пеленгационных функций

Figure 00000027
, по которым и принимается решение о направлении прихода радиосигнала.The proposed filtering method allows you to create a series of mutually detuned direction-finding fronts in space on the interval of phase change, tied to the edge of the antenna aperture. Spatio-temporal filtering using single-channel correlators undergoes voltages taken by the elements of the antenna array from each of these fronts, while the absolute values of the phase of the field along the aperture of the antenna are stored. The output voltages of the filters are detected, as a result of which, according to the results of varying the direction-finding angle α, a number of direction-finding functions are formed
Figure 00000027
by which a decision is made on the direction of arrival of the radio signal.

Дискретная реализация описанного формулами (1), (2) варианта пространственно-временной фильтрации в предлагаемом способе пеленгации, предполагает наличие N-элементной антенной решетки, к которой параллельно подключены М аппаратурно-идентичных расстроенных по фазе пространственно-временных фильтров. Каждый пространственно-временной фильтр состоит из N последовательно подключенных к элементам антенной решетки смесителей принятого и гетеродинного напряжения и интеграторов, реализующих одновременно функции пространственной и временной фильтрации. Результаты интегрирования подаются на сумматор сигналов N приемных каналов пространственно-временного фильтра. Пространственно-временные фильтры различаются величиной вводимого в гетеродинное напряжение фиксированного фазового сдвига ϕгj=jΔг, j=0,1, … М-1. На выходах их сумматоров после детектирования получают анализируемые пеленгационные функции

Figure 00000028
.The discrete implementation of the spatio-temporal filtering option described by formulas (1), (2) in the proposed direction finding method assumes the presence of an N-element antenna array, to which M hardware-identical spatially-temporal filters that are phase-unbalanced are connected in parallel. Each spatio-temporal filter consists of N mixers of the received and heterodyne voltage mixers and integrators that simultaneously realize the spatial and temporal filtering functions, which are connected in series to the elements of the antenna array. The integration results are fed to the adder of the signals N of the receiving channels of the space-time filter. Space-time filters differ in the magnitude of the fixed phase shift introduced into the heterodyne voltage ϕ gj = jΔ g , j = 0.1, ... M-1. At the outputs of their adders after detection receive analyzed direction-finding functions
Figure 00000028
.

Построение пространственно-временного фильтра по описанной схеме, в связи с тем, что временная обработка совмещена с пространственной за счет использования общих смесителей, требует N×M смесителей, N×M интеграторов, а также М сумматоров и М детекторов. Ввиду большого количества высокочастотных устройств данная схема может иметь определенные трудности практической реализации.The construction of a spatio-temporal filter according to the described scheme, due to the fact that temporal processing is combined with spatial one due to the use of common mixers, requires N × M mixers, N × M integrators, as well as M adders and M detectors. Due to the large number of high-frequency devices, this circuit may have certain difficulties in practical implementation.

Из соображений упрощения аппаратурной реализации предлагаемого способа пеленгации, порядок пространственной и временной обработки сигнала, как и в известном способе, может быть изменен.For reasons of simplifying the hardware implementation of the proposed method of direction finding, the spatial and temporal processing of the signal, as in the known method, can be changed.

Рассмотрим случай, когда временная фильтрация сигнала выполняется после его пространственной фильтрации.Consider the case when the temporal filtering of a signal is performed after its spatial filtering.

Пусть пространственная фильтрация выполняется на управляемых фазовращателях с суммированием сигналов приемных каналов решетки на высокой частоте. Временная обработка сигнала выполняется после сумматора с использованием ряда расстроенных по фазе одноканальных корреляторов. Для данного случая формулы для описания процессов обработки имеют вид:Let spatial filtering be performed on controlled phase shifters with summation of the signals of the receiving channels of the grating at a high frequency. Temporary signal processing is performed after the adder using a series of up-phase single-channel correlators. For this case, the formulas for describing the processing processes have the form:

- напряжения на выходах фазовращателей в приемных каналах решетки, соответствующих

Figure 00000003
точке раскрыва антенны, имеют вид:- voltage at the outputs of the phase shifters in the receiving channels of the lattice corresponding
Figure 00000003
antenna aperture point, have the form:

Figure 00000029
;
Figure 00000029
;

- сигнал на выходе сумматора данных напряжений представляет собой высокочастотное колебание с неизвестной начальной фазой и имеет вид:- the signal at the output of the adder of these voltages is a high-frequency oscillation with an unknown initial phase and has the form:

Figure 00000030
,
Figure 00000030
,

где значение х определяется по формуле (3),where the value of x is determined by the formula (3),

- после гетеродинирования выходного сигнала сумматора опорным напряжением

Figure 00000031
и интегрирования в корреляционном приемнике, выходной сигнал одноканального коррелятора имеет вид- after heterodyning the output signal of the adder reference voltage
Figure 00000031
and integration in the correlation receiver, the output signal of the single-channel correlator has the form

Figure 00000032
.
Figure 00000032
.

Полученный результат полностью совпадает с результатом, полученным для выполнения сначала временной, а затем пространственной фильтрации (см. формулу (4)). Однако выполнение вначале пространственной, а затем временной фильтрации сигнала может оказаться более предпочтительным по соображениям аппаратурной реализации. Дискретная реализация такой последовательности фильтрации предполагает разведение обрабатываемого сигнала на М параллельных расстроенных по фазе ϕг каналов временной фильтрации уже после выполнения пространственной фильтрации. Данный вариант построения пространственно-временного фильтра требует N высокочастотных фазовращателей, один сумматор и М одноканальных корреляторов, каждый из которых содержит последовательно включенные смеситель суммарного и общего гетеродинного сигналов и интегратор на интервале обработки сигнала Тобр. При этом фазовая расстройка корреляторов может осуществляться как за счет ввода фазовых сдвигов ϕгj=jΔr, j=0,1, … М-1 в гетеродинные напряжения корреляторов, так и за счет использования на входах корреляторов фазовращателей с фиксированными сдвигами фазы ϕгj. На выходе каждого из М одноканальных корреляторов для построения пеленгационной функции должен быть включен детектор огибающей.The result obtained completely coincides with the result obtained for performing first temporary and then spatial filtering (see formula (4)). However, performing first spatial and then temporal filtering of the signal may be more preferable for reasons of hardware implementation. The discrete implementation of such a filtering sequence involves the dilution of the processed signal into M parallel channels of temporal filtering upset by phase ϕ g after spatial filtering. This option for constructing a spatio-temporal filter requires N high-frequency phase shifters, one adder and M single-channel correlators, each of which contains a series-connected mixer of the total and common heterodyne signals and an integrator on the signal processing interval T arr . In this case, the phase detuning of the correlators can be carried out both by introducing phase shifts ϕ gj = jΔ r , j = 0.1, ... M-1 into the heterodyne voltage of the correlators, and by using phase shifters with fixed phase shifts ϕ gj at the inputs of the correlators. At the output of each of the M single-channel correlators, an envelope detector must be turned on to construct the direction-finding function.

В целом, осуществляя переход от рассмотрения непрерывного распределения поля по раскрыву антенны, позволившего упростить теоретическое обоснование изобретения, к дискретному распределению поля по приемным элементам антенной решетки, предлагаемый способ пеленгации описывается следующей совокупностью действий и условий их выполнения.In general, making the transition from considering the continuous field distribution over the antenna opening, which made it possible to simplify the theoretical justification of the invention, to the discrete field distribution over the receiving elements of the antenna array, the proposed direction finding method is described by the following set of actions and conditions for their implementation.

Как в известном способе, для пеленгации используют фазированную антенную решетку с размещением приемных элементов на расстояниях друг от друга меньших величины полуволны. В заданном секторе сканирования при каждом очередном угле пеленгования осуществляют пространственно-временную фильтрацию сигнала. Пространственный фильтр включает приемные антенные элементы, присоединенные к ним управляемые устройства введения в сигналы приемных каналов решетки фазового сдвига, соответствующего текущему углу пеленгования, выполненные на фазовращателях или смесителях принятого сигнала с гетеродинными напряжениями, а также сумматор напряжений каналов.As in the known method, for direction finding use a phased antenna array with the placement of the receiving elements at distances from each other smaller than the half-wave. In a given scanning sector, at each subsequent direction-finding angle, spatial-temporal filtering of the signal is performed. The spatial filter includes receiving antenna elements, coupled to them controlled devices for introducing a phase shift grating into the signals of the receiving channels corresponding to the current direction-finding angle, performed on phase shifters or mixers of the received signal with heterodyne voltages, as well as a channel voltage adder.

В отличие от известного способа пеленгации, в котором возможно выполнение пространственной фильтрации сигнала с опорой на центр раскрыва антенны, в предлагаемом способе пространственную фильтрацию выполняют с опорой на край раскрыва антенны, то есть отсчет вводимых в каналы фазовых сдвигов производят от какого-либо крайнего приемного элемента решетки. Ввиду принятого предположения об узкополосности пеленгуемого сигнала, конкретный выбор крайнего элемента решетки является не принципиальным. Кроме того, суммирование сигналов приемных каналов антенной решетки выполняют без их инверсии относительно центрального канала.In contrast to the known method of direction finding, in which it is possible to perform spatial filtering of a signal based on the center of the aperture of the antenna, in the proposed method, spatial filtering is performed based on the edge of the aperture of the antenna, that is, the phase shifts introduced into the channels are counted from some extreme receiving element lattice. In view of the accepted assumption about the narrowband signal of the direction-finding signal, the specific choice of the extreme element of the array is not fundamental. In addition, the summation of the signals of the receiving channels of the antenna array is performed without their inversion relative to the Central channel.

Также, в отличие от известного способа, для временной фильтрации сигнала используют ряд параллельно включенных взаимно-расстроенных по фазе на интервале ее изменения одноканальных корреляторов. Учитывая последующее, после фильтрации, детектирование сигнала, ведущее к инверсии отрицательных значений напряжения, диапазон изменения фазы, требующий перекрытия взаимно-расстроенными по фазе одноканальными корреляторами, составляет [0, π]. Шаг расстройки корреляторов должен обеспечивать удовлетворительное значение систематической ошибки измерения углового направления источника волны.Also, in contrast to the known method, for the temporal filtering of a signal, a series of parallel-connected mutually disordered in phase on the interval of its change single-channel correlators is used. Considering the subsequent, after filtering, signal detection, leading to the inversion of negative voltage values, the phase change range, requiring overlapping by mutually detuned phase single-channel correlators, is [0, π]. The correlation step detuning step should provide a satisfactory value for the systematic error in measuring the angular direction of the wave source.

Техническая реализация каждого одноканального коррелятора представляет собой последовательно включенные смеситель обрабатываемого и гетеродинного сигналов и интегратор на интервале обработки сигнала То6р, превышающем полупериод волны T/2. Фазовая расстройка корреляторов может выполняться как за счет ввода фиксированных фазовых сдвигов в гетеродинные напряжения смесителей, так и за счет использования на входах корреляторов фазовращателей с фиксированными сдвигами фазы.The technical implementation of each single-channel correlator is a sequentially connected mixer of the processed and heterodyne signals and an integrator on the signal processing interval T o6p exceeding the half-wave period of the T / 2 wave. Phase mismatch of the correlators can be performed both by introducing fixed phase shifts into the heterodyne voltages of the mixers, and by using phase shifters with fixed phase shifts at the inputs of the correlators.

Временная фильтрация сигнала с помощью ряда взаимно-расстроенных по фазе одноканальных корреляторов может выполняться как после его пространственной фильтрации, так и до пространственной фильтрации (до суммирования сигналов приемных каналов антенной решетки).Temporal filtering of a signal using a series of mutually detuned in phase phase single-channel correlators can be performed both after spatial filtering and before spatial filtering (before summing the signals of the receiving channels of the antenna array).

В случае цифровой реализации временной фильтрации сигнала, аппаратурным эквивалентом ряду параллельно включенных взаимно-расстроенных по фазе одноканальных корреляторов, работающих одновременно, является использование одного цифрового коррелятора, обеспечивающего фильтрацию сигнала с последовательным во времени изменением расстройки фазы.In the case of the digital implementation of temporal signal filtering, the hardware equivalent of a series of parallel-connected mutually detuned in phase single-channel correlators working simultaneously is the use of one digital correlator that provides signal filtering with a time-sequential change in phase mismatch.

В отличие от известного способа пеленгации, в предлагаемом способе временную фильтрацию сигнала для смежных углов пеленгования выполняют когерентно, что обеспечивает идентичность условий пеленгации с точностью до значения начальной фазы обрабатываемого сигнала, необходимую для построения пеленгационных функций. Это требование обусловлено тем, что неизвестная начальная фаза ϕн высокочастотного колебания на входе пеленгатора (на опорном элементе антенной решетки) постоянно меняется в процессе прихода волны на апертуру. Гетеродинирование принятого сигнала при его временной обработке опорным напряжением той же частоты, что и принимаемое колебание, с некоторой начальной фазой ϕг позволяет зафиксировать соотношение фаз ϕн и ϕг на временном интервале обработки сигнала Tобр для текущего угла пеленгования α. Однако для построения пеленгационной функции необходимо, чтобы при каждом очередном (смежном) значении угла α, задаваемом при сканировании, соотношение начальных фаз ϕн и ϕг не менялось. Этого можно достичь, если для каждого смежного угла пеленгования ввести в гетеродинное напряжение коррелятора корректирующую фазовую добавку той же величины, что и фазовая добавка падающей волны, набежавшая за период времени между началом обработки сигнала при текущем и предыдущем значениях угла α, то есть обеспечить когерентность временной обработки сигнала на смежных углах пеленгования, по крайней мере, в пределах углового сектора формирования пеленгационной функции. Для обеспечения полной когерентности временной обработки сигнала на смежных углах пеленгования достаточно ее выполнять через промежуток времени, кратный полупериоду волны T/2.In contrast to the known direction finding method, in the proposed method, temporal filtering of the signal for adjacent direction finding angles is performed coherently, which ensures that the direction finding conditions are identical up to the value of the initial phase of the signal being processed, which is necessary for constructing direction finding functions. This requirement is due to the fact that the unknown initial phase ϕ n of the high - frequency oscillation at the input of the direction finder (on the supporting element of the antenna array) constantly changes as the wave arrives at the aperture. The heterodyning of the received signal during its temporary processing by the reference voltage of the same frequency as the received oscillation, with a certain initial phase ϕ g, allows us to fix the ratio of the phases ϕ n and ϕ g on the time interval of signal processing T arr for the current direction finding angle α. However, to construct the direction-finding function, it is necessary that for each next (adjacent) value of the angle α specified during scanning, the ratio of the initial phases ϕ n and ϕ g does not change. This can be achieved if, for each adjacent direction-finding angle, a correcting phase addition of the same magnitude as the phase addition of the incident wave, which has run over the period between the start of signal processing at the current and previous values of the angle α, is introduced into the heterodyne voltage of the correlator, i.e., to ensure the coherence of the time signal processing at adjacent direction-finding angles, at least within the angular sector of the direction-finding function formation. To ensure complete coherence of the temporal processing of the signal at adjacent direction-finding angles, it is sufficient to perform it after a period of time that is a multiple of the half-period of the T / 2 wave.

Также, в отличие от известного способа, в результате обработки и детектирования сигнала, на выходах многоканального по значениям фазовой расстройки пространственно-временного фильтра формируют ряд пеленгационных функций, представляющих зависимость модуля соответствующего выходного напряжения фильтра (то есть выходного напряжения каждого коррелятора, в случае последовательной пространственно - временной фильтрации, или каждого сумматора - в случае последовательной временной и пространственной фильтрации) от угла пеленгования. На основании анализа сформированных пеленгационных функций в качестве направления на источник сигнала принимают угол, при котором достигается максимум пеленгационной функции, имеющей среди прочих наибольшую величину главного лепестка.Also, unlike the known method, as a result of signal processing and detection, at the outputs of a multi-channel spatial-temporal filter according to the phase mismatch values, a series of direction-finding functions are formed that represent the dependence of the module of the corresponding filter output voltage (i.e., the output voltage of each correlator, in the case of sequential spatial - temporal filtering, or of each adder - in the case of sequential temporal and spatial filtering) from the direction-finding angle. Based on the analysis of the formed direction-finding functions, the angle at which the maximum direction-finding function is achieved, which, among others, has the largest magnitude of the main lobe, is taken as the direction to the signal source.

Описанный способ пеленгации обеспечивает высокое угловое разрешение пеленгуемых сигналов при заданном (в случае применения достаточного количества одноканальных корреляторов) уровне систематической погрешности измерения угла.The described method of direction finding provides a high angular resolution of direction finding signals at a given (in the case of using a sufficient number of single-channel correlators) level of systematic error in measuring the angle.

Далее изобретение раскрывается на примере технической реализации предлагаемого способа пеленгации, с использованием описанного выше аппаратурно-экономичного варианта пространственно-временной фильтрации с последовательной пространственной обработкой сигнала с применением фазовращателей и временной обработкой с применением М расстроенных по фазе одноканальных корреляционных приемников.Further, the invention is disclosed by the example of the technical implementation of the proposed method of direction finding, using the hardware-economical option of spatio-temporal filtering described above with sequential spatial signal processing using phase shifters and temporal processing using M unbalanced phase correlation receivers.

Структурная схема пеленгатора приведена на фиг. 3, где обозначено:The structural diagram of the direction finder is shown in FIG. 3, where indicated:

1 - антенная решетка из N приемных элементов, имеющих нумерацию i=0, 1, …, N-1;1 - antenna array of N receiving elements having the numbering i = 0, 1, ..., N-1;

2 - управляемый фазовращатель;2 - controlled phase shifter;

3 - блок управления фазовращателями;3 - control unit phase shifters;

4 - сумматор;4 - adder;

5.0, 5.1, .., 5.j, …, 5.M - одноканальные корреляционные приемники;5.0, 5.1, .., 5.j, ..., 5.M - single-channel correlation receivers;

6 - смеситель;6 - mixer;

7 - интегратор;7 - integrator;

8 - фазосдвигающий элемент опорного напряжения коррелятора;8 - phase-shifting element of the reference voltage of the correlator;

9 - фазосдвигающий элемент со сдвигом фазы на π/2;9 - phase-shifting element with a phase shift of π / 2;

10 - формирователь опорного напряжения uoп(t);10 - shaper of the reference voltage u op (t);

11 - квадратурный детектор огибающей;11 - quadrature envelope detector;

12 - детектор огибающей;12 - envelope detector;

13 - блок формирования пеленгационных характеристик;13 - block forming direction-finding characteristics;

14 - решающее устройство;14 - a decisive device;

15 - устройство управления сканированием.15 is a scan control device.

Принцип функционирования пеленгатора состоит в следующем. На приемные элементы антенной решетки 1, размещенные с шагом d=L/N, не превышающим λ/2, с направления αс, подлежащего измерению, приходит волна. Неизвестная начальная фаза волны, принимаемая нулевым (опорным) элементом решетки равна ϕн. Напряжения на выходах элементов антенной решетки описываются формулойThe principle of operation of the direction finder is as follows. At the receiving elements of the antenna array 1, placed with a step d = L / N, not exceeding λ / 2, from the direction α s to be measured, a wave arrives. The unknown initial phase of the wave received by the zero (reference) element of the lattice is equal to ϕ n . The voltages at the outputs of the elements of the antenna array are described by the formula

Figure 00000033
.
Figure 00000033
.

С помощью управляемых фазовращателей 2 в напряжения u(t,i) вводят фазовые сдвиги

Figure 00000034
, вырабатываемые блоком управления фазовращателями 3, соответствующие текущему значению варьируемого угла пеленгования α. Напряжение на выходе фазовращателя, присоединенного к i-му приемному элементу антенной решетки имеет видUsing controlled phase shifters 2, phase shifts are introduced into voltages u (t, i)
Figure 00000034
generated by the control unit phase shifters 3, corresponding to the current value of the variable angle of direction finding α. The voltage at the output of the phase shifter connected to the i-th receiving element of the antenna array has the form

Figure 00000035
.
Figure 00000035
.

Выходные напряжения фазовращателей суммируются в сумматоре 4:The output voltages of the phase shifters are summed in the adder 4:

Figure 00000036
.
Figure 00000036
.

Сигнал с выхода сумматора подается на М параллельно включенных одноканальных корреляционных приемников 5.j, j=0,1, … М-1, настроенных соответственно на фиксированные значения фазового сдвига ϕгj=jΔг, а также на ненумерованный вход квадратурного канала обработки сигнала.The signal from the output of the adder is fed to M parallel-connected single-channel correlation receivers 5.j, j = 0.1, ... M-1, tuned respectively to fixed values of the phase shift ϕ gj = jΔ g , as well as to the unnumbered input of the quadrature channel of the signal processing.

Каждый одноканальный корреляционный приемник включает смеситель 6 выходного сигнала сумматора и гетеродинного напряжения

Figure 00000037
и интегратор на интервале обработки сигнала Тобр.Each single-channel correlation receiver includes a mixer 6 of the output signal of the adder and heterodyne voltage
Figure 00000037
and an integrator on the signal processing interval T arr .

Выходные напряжения корреляторов для текущего значения угла пеленгования α вычисляются по формулеThe output voltages of the correlators for the current value of the direction finding angle α are calculated by the formula

Figure 00000038
.
Figure 00000038
.

Гетеродинные напряжения образуются введением с помощью фазосдвигающих элементов 8 в общее опорное напряжение

Figure 00000039
, вырабатываемое формирователем 10, фиксированных значений фазовой расстройки корреляторов ϕгj.Heterodyne stresses are formed by introducing phase-shifting elements 8 into the common reference voltage
Figure 00000039
generated by the shaper 10, fixed values of the phase mismatch of the correlators ϕ gj .

Квадратурный канал обработки образован смесителем 6, в котором в качестве гетеродинного напряжения используется инвертированное с помощью фазосдвигающего элемента 9 гетеродинное напряжение одного из одноканальных корреляционных приемников, в данном случае коррелятора 5.1, и интегратором 7. Выходное напряжение квадратурного канала uкв подается на вход квадратурного детектора 11. На его другой вход подается синфазное напряжение uс с выхода приемника 5.0. Напряжение на выходе квадратурного детектора uд.кв определяется как корень квадратный из суммы квадратов входных напряжений:

Figure 00000040
(см. формулу (6)). Напряжение uд.кв для текущего значения варьируемого угла пеленгования α представляет собой значение диаграммы направленности F(α) пеленгатора, реализующего известный способ пеленгации.The quadrature processing channel is formed by a mixer 6, in which the heterodyne voltage of one of the single-channel correlation receivers, in this case, the correlator 5.1, and the integrator 7 are used as the heterodyne voltage, and the integrator 7. The output voltage of the quadrature channel u kv is input to the quadrature detector 11 . On its other input is the common-mode voltage u s from the output of the receiver 5.0. The voltage at the output of the quadrature detector u d.sq. is defined as the square root of the sum of the squares of the input voltages:
Figure 00000040
(see formula (6)). The voltage u d.s.c for the current value of the variable direction-finding angle α is the value of the direction-finding pattern F (α) of the direction finder that implements the known method of direction-finding.

Выходные напряжения корреляторов детектируются с помощью детекторов 12 и подаются на вход блока формирования пеленгационных функций 13. В блоке формирования пеленгационных функций при варьировании угла α образуется М пеленгационных функций

Figure 00000041
и диаграмма направленности F(α).The output voltages of the correlators are detected using detectors 12 and fed to the input of the direction-finding function generation unit 13. In the direction-forming function generation unit, when the angle α is varied, M direction-finding functions are formed
Figure 00000041
and the radiation pattern F (α).

Выбор одной из пеленгационных функций для принятия решения о направлении прихода сигнала осуществляется в решающем устройстве 14 по критерию максимального значения главного лепестка пеленгационной функции. Угловое направления αс на источник сигнала принимается равным угловому направлению главного лепестка выбранной пеленгационной функции. Функция F(α) используется в данном случае для сопоставления селективных возможностей известного и предлагаемого способов пеленгации.The selection of one of the direction-finding functions for deciding on the direction of arrival of the signal is carried out in the resolver 14 according to the criterion of the maximum value of the main lobe of the direction-finding function. The angular direction α s to the signal source is taken equal to the angular direction of the main lobe of the selected direction finding function. The function F (α) is used in this case to compare the selective capabilities of the known and proposed methods of direction finding.

Устройство управления сканированием 15 через промежутки времени, кратные полупериоду принятой радиоволны, задает очередные значения угла пеленгования α и синхронизирует работу устройств пространственной и временной фильтрации и формирования пеленгационных характеристик.The scanning control device 15 at time intervals that are multiples of the half-period of the received radio wave sets the next values of the direction-finding angle α and synchronizes the operation of the spatial and temporal filtering devices and the formation of direction-finding characteristics.

Для оценки работоспособности предложенной схемы пеленгатора выполнены расчеты пеленгационных функций

Figure 00000042
для следующих исходных данных: αс=-0.2 [рад], N=20, L=0.3, λ=0.03, Δг=π/10, М=10. При этом величина неизвестного значения начальной фазы волны на крайнем элементе антенной решетки принята равной ϕн=π/20, что обеспечивает тестирование работы схемы пеленгатора в наихудших условиях - при попадании фазы принятого сигнала ϕн на середину межканального фазового интервала Δг. Количество корреляционных приемников М выбрано исходя из необходимости обеспечения систематической ошибки пеленгования не более 0.004 [рад], или 2.0% от ширины диаграммы направленности F(α) по уровню первых нулей.To assess the performance of the proposed direction finder circuit, direction-finding functions were calculated
Figure 00000042
 for the following source data: αfrom= -0.2 [rad], N = 20, L = 0.3, λ = 0.03, Δg= π / 10, M = 10. The value of the unknown value of the initial phase of the wave at the extreme element of the antenna array is taken equal to ϕn= π / 20, which provides testing the operation of the direction finder circuit in the worst conditions - when the phase of the received signal ϕn in the middle of the interchannel phase interval Δg. The number of correlation receivers M is selected based on the need to ensure a systematic direction finding error of not more than 0.004 [rad], or 2.0% of the width of the radiation pattern F (α) at the level of the first zeros.

Результаты расчетов пеленгационных функций

Figure 00000042
в сопоставлении с диаграммой направленности F(α), получаемой на основе известного способа пеленгования, приведены на фиг. 4. Функция F(α) обозначена штриховой а функции
Figure 00000042
- сплошными линиями. Пеленгационные функции рассчитаны в предположении, что выполнено требование обеспечения когерентности временной фильтрации сигнала в смежных направлениях пеленгования.Results of direction finding functions
Figure 00000042
in comparison with the radiation pattern F (α) obtained on the basis of the known direction finding method, are shown in FIG. 4. The function F (α) is indicated by the dashed function
Figure 00000042
- solid lines. Direction finding functions are calculated under the assumption that the requirement of ensuring coherence of the temporal filtering of the signal in adjacent directions of direction finding is fulfilled.

Как следует из расчетов, в качестве пеленгационных функций для оценки углового направления на источник волны αс следует использовать одну из функций

Figure 00000043
,
Figure 00000044
, сформированных, соответственно, корреляционными каналами с номерами 5.0 и 5.1 (они для заданного значения начальной фазы ϕн=π/20 симметричны). В этих каналах достигается максимальный уровень главных лепестков пеленгационных функций, превышающий на ~2,5% величину главного лепестка пеленгационных функций
Figure 00000045
,
Figure 00000046
, сформированных соседними (по фазовой расстройке) корреляционным каналами 5.2 и 5.9. Величина измеренного по выбранным пеленгационным функциям направления на источник сигнала равна соответственно - 0.1961 [рад] и - 0.2039 [рад]. То есть направление на источник сигнала определено с удовлетворительной (заданной) систематической погрешностью измерения, которая не превысила 2.0% от ширины диаграммы направленности F(α).As follows from the calculations, one of the functions should be used as direction finding functions for estimating the angular direction to the wave source α s
Figure 00000043
,
Figure 00000044
formed, respectively, by correlation channels with numbers 5.0 and 5.1 (they are symmetric for a given value of the initial phase ϕ n = π / 20). In these channels, the maximum level of the main lobes of direction-finding functions is reached, which exceeds ~ 2.5% the value of the main lobe of direction-finding functions
Figure 00000045
,
Figure 00000046
formed by adjacent (by phase mismatch) correlation channels 5.2 and 5.9. The value of the direction to the signal source measured by the selected direction-finding functions is equal to - 0.1961 [rad] and - 0.2039 [rad]. That is, the direction to the signal source is determined with a satisfactory (predetermined) systematic measurement error, which did not exceed 2.0% of the radiation pattern width F (α).

Разрешение сигнала по нулевым значения главного лепестка пеленгационной функции U0(α) составляет 0.2461-0.1461=0.1 [рад]. Известный способ пеленгации обеспечивает разрешение сигнала 0.3-0.1=0.2 [рад]. То есть требуемый технический результат использования предлагаемого способа достигнут.The signal resolution at zero values of the main lobe of the direction-finding function U 0 (α) is 0.2461-0.1461 = 0.1 [rad]. The known method of direction finding provides a resolution of 0.3-0.1 = 0.2 [rad]. That is, the required technical result of using the proposed method is achieved.

Дополнительно тестирование приведенной схемы пеленгатора с заданными параметрами выполнено для случая приема сигналов от двух источников, находящихся в угловом секторе, меньшем величины λ/L [рад], определяющей предельные возможности разрешения известного способа пеленгации. В качестве исходных данных принято, что направления на первый и второй источники сигналов заданы, соответственно, углами αc1=-0.28 [рад] и αс2=-0.12 [рад], а значения начальных фаз принимаемых волн равны, соответственно, ϕн1=π/20 и ϕн2=π/3.Additionally, testing the above direction finder circuit with predetermined parameters was performed for the case of receiving signals from two sources located in the angular sector less than λ / L [rad], which determines the maximum resolution capabilities of the known direction finding method. As the initial data, it was assumed that the directions to the first and second signal sources are set, respectively, by the angles α c1 = -0.28 [rad] and α c2 = -0.12 [rad], and the values of the initial phases of the received waves are equal, respectively, ϕ н1 = π / 20 and ϕ H2 = π / 3.

Результаты расчетов пеленгационных функций приведены на фиг. 5. Расчеты подтверждают повышенные селективные возможности предлагаемого способа пеленгации. Так, пеленгационная функция

Figure 00000045
, сформированная на выходе корреляционного канала 5.2, обеспечивает полное разрешение каждого из двух источников сигналов с удовлетворительным уровнем систематической погрешности измерения, в то время как применение известного способа пеленгации не позволяет разрешить сигналы.The calculation results of direction finding functions are shown in FIG. 5. The calculations confirm the increased selective capabilities of the proposed method of direction finding. So, direction finding function
Figure 00000045
, formed at the output of the correlation channel 5.2, provides full resolution of each of the two signal sources with a satisfactory level of systematic measurement error, while the application of the known method of direction finding does not allow to resolve the signals.

Выполненные расчеты подтверждают возможность технической реализации углового селектора с повышенной разрешающей способностью.The performed calculations confirm the possibility of technical implementation of the angular selector with high resolution.

Таким образом, использование предложенного способа пеленгации обеспечивает повышение углового разрешения сигналов.Thus, the use of the proposed method of direction finding provides an increase in the angular resolution of the signals.

Claims (1)

Способ амплитудной пеленгации источников узкополосных радиосигналов, заключающийся в угловом сканировании пространства с помощью фазированной антенной решетки с когерентной пространственно-временной фильтрацией сигнала, с использованием при пространственной фильтрации крайнего элемента решетки в качестве опорного, с размещением приемных элементов решетки на расстояниях друг от друга, меньших величины полуволны, отличающийся тем, что временную фильтрацию сигнала выполняют с использованием взаимно-расстроенных по фазе в диапазоне ее изменения одноканальных корреляторов, при этом когерентно для смежных углов пеленгования на выходах многоканального по значениям фазовой расстройки пространственно-временного фильтра формируют ряд пеленгационных функций, каждая из которых представляет собой зависимость модуля соответствующего выходного напряжения фильтра от угла пеленгования, и в качестве направления на источник сигнала принимают угол, при котором достигается максимум пеленгационной функции, имеющей среди прочих наибольшую величину главного лепестка. A method for amplitude direction finding of narrowband radio signal sources, which consists in angular scanning of space using a phased array antenna with coherent spatio-temporal filtering of the signal, using spatial filtering of the extreme element of the array as a reference, with the arrangement of receiving elements of the array at distances from each other less than half-waves, characterized in that the temporal filtering of the signal is performed using mutually detuned in phase in the range its changes in single-channel correlators, while a series of direction-finding functions are formed coherently for adjacent direction-finding angles at the outputs of a multi-channel spatial-temporal filter mismatch, each of which represents the dependence of the module of the corresponding output voltage of the filter on the direction-finding angle, and as a direction to the signal source take the angle at which the maximum direction finding function is achieved, having among others the largest magnitude of the main lobe.
RU2015131458/07A 2015-07-29 2015-07-29 Method for amplitude direction finding of radio signal sources RU2596018C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131458/07A RU2596018C1 (en) 2015-07-29 2015-07-29 Method for amplitude direction finding of radio signal sources

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015131458/07A RU2596018C1 (en) 2015-07-29 2015-07-29 Method for amplitude direction finding of radio signal sources

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2596018C1 true RU2596018C1 (en) 2016-08-27

Family

ID=56892095

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015131458/07A RU2596018C1 (en) 2015-07-29 2015-07-29 Method for amplitude direction finding of radio signal sources

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2596018C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2704742C1 (en) * 2019-02-28 2019-10-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" Digital information encoding and transmission method
RU2736543C1 (en) * 2020-05-12 2020-11-18 Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА" Radio-photonic phase direction finder
RU2745874C1 (en) * 2017-05-10 2021-04-02 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Estimation of incoming radio signal angle in radio connection network
US11804916B2 (en) 2020-10-21 2023-10-31 Elbit Systems Ew And Sigint - Elisra Ltd. System and method for determining a direction of arrival of a radio signal being emitted by a radio emitter and a geolocation of the radio emitter using a single antenna

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5274389A (en) * 1990-06-21 1993-12-28 Raytheon Company Broadband direction finding system
RU2071080C1 (en) * 1993-03-22 1996-12-27 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Amplitude direction finder
JP2005062144A (en) * 2003-08-14 2005-03-10 Taiyo Musen Co Ltd Direction finding system
US20120322385A1 (en) * 2011-06-20 2012-12-20 Lockheed Martin Corporation Multi-element magnetic receiver for interference suppression and signal enhancement
RU2505831C2 (en) * 2012-05-04 2014-01-27 Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Radio direction finder
RU2526536C1 (en) * 2013-03-12 2014-08-27 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Amplitude-based radio direction-finder (versions)

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5274389A (en) * 1990-06-21 1993-12-28 Raytheon Company Broadband direction finding system
RU2071080C1 (en) * 1993-03-22 1996-12-27 Томский Институт Автоматизированных Систем Управления И Радиоэлектроники Amplitude direction finder
JP2005062144A (en) * 2003-08-14 2005-03-10 Taiyo Musen Co Ltd Direction finding system
US20120322385A1 (en) * 2011-06-20 2012-12-20 Lockheed Martin Corporation Multi-element magnetic receiver for interference suppression and signal enhancement
RU2505831C2 (en) * 2012-05-04 2014-01-27 Открытое акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Radio direction finder
RU2526536C1 (en) * 2013-03-12 2014-08-27 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Amplitude-based radio direction-finder (versions)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЧЕРДЫНЦЕВ В.А. Радиотехнические системы:Учебное пособие для ВУЗов.Минск, Вышюшкю, 1988, с.124-125,195,198. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2745874C1 (en) * 2017-05-10 2021-04-02 Телефонактиеболагет Лм Эрикссон (Пабл) Estimation of incoming radio signal angle in radio connection network
US11444707B2 (en) 2017-05-10 2022-09-13 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Angle of arrival estimation in a radio communications network
RU2704742C1 (en) * 2019-02-28 2019-10-30 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" Digital information encoding and transmission method
RU2736543C1 (en) * 2020-05-12 2020-11-18 Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА" Radio-photonic phase direction finder
US11804916B2 (en) 2020-10-21 2023-10-31 Elbit Systems Ew And Sigint - Elisra Ltd. System and method for determining a direction of arrival of a radio signal being emitted by a radio emitter and a geolocation of the radio emitter using a single antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2596018C1 (en) Method for amplitude direction finding of radio signal sources
US20190137616A1 (en) Radar apparatus and direction-of-arrival estimation device
RU2423719C1 (en) Method for adaptive measurement of spatial parameters of radio-frequency radiation sources and device for realising said method
RU2005102257A (en) METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING COORDINATES OF A RADIO EMISSION SOURCE
TW201947251A (en) Method and system for determining an unambiguous angle of arrival using interferometry
Welsby et al. Multiplicative receiving arrays
JP6909023B2 (en) Radar device and radar method
RU2684321C1 (en) Phase direction finder
RU2337373C1 (en) Method for azimuth resolution of moving targets, method for surveillance pulse radar set operation in azimuth resolution mode for moving targets, and radar system for method implementation
US5339284A (en) Signal processor for elimination of sidelobe responses and generation of error signals
JP6245797B2 (en) Radar equipment
RU2752249C2 (en) Multichannel direction finder of rf radio signals
RU2144200C1 (en) Process of direction finding of radio signals and multichannel direction finder
RU2541504C1 (en) Apparatus for selecting moving targets for pulse-to-pulse frequency tuning mode
US4423420A (en) Cancellation of group delay error by dual speed of rotation
Tsyporenko et al. Development of direct method of direction finding with two-dimensional correlative processing of spatial signal
RU2599257C1 (en) Method of radio signals spatial processing
JP2010112749A (en) Radar apparatus
RU2184980C1 (en) Procedure measuring intensity of electromagnetic field of radio signals and device for its implementation
RU2267795C1 (en) Method of measurement of complex excitement amplitude of channels of phased array
RU2534220C1 (en) Apparatus for determining motion parameters of object
RU2341811C1 (en) Method of finding direction of radio signals and direction finder to this end
RU2201599C1 (en) Method of direction finding of radio signals and direction finder for its realization
RU2321014C2 (en) Mode of direction finding and multi channel direction finder
RU2526533C2 (en) Phase-based direction-finder

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170730