Спосіб вимірювання амплітуди антенного сигналу

Спосіб вимірювання амплітуди антенного сигналу, який полягає в перетворенні амплітудномодульованого антенного сигналу в підсилений аналоговий сигнал і формуванні опорного сигналу, який відрізняється тим, що підсилений аналоговий сигнал перетворюють в змінний струм гар монічної форми, діють цим струмом на контур антенного сигналу електромагнітної системи, діють електрорушійною силою опорного сигналу на контур опорного сигналу цієї системи, компенсують електрорушійну силу самоіндукції в контурі опорного сигналу, перетворюють струм антенного сигналу в електрорушійну силу індукції в контурі опорного сигналу, формують інформаційний параметр як фазовий зсув струму в контурі опорного сигналу відносно електрорушійної сили опорного сигналу, перетворюють фазовий зсув в часовий інтервал, часовий інтервал квантують і перетворюють в цифрове значення, по якому визначають амплітуду антенного сигналу Спосіб, що заявляється, відноситься до області радіотехнічних вимірювань, а точніше, до радіолокації та радіозв'язку і стосується цифрової обробки сигналів, які здатні розповсюджуватись в просторі, воді і землі, а також долати межі середовища Електромагнітне поле гармонічної форми, як встановлено експериментальне, відноситься до сигналів, які при розповсюдженні в середовищах не змінюють часових параметрів, а набувають модуляцію інтенсивності поля Величина амплітудної модуляції середовищем пропорційна його електропровідності і тривалості періоду гармонічного поля Величина амплітудної модуляції не залежить від КІЛЬКОСТІ періодів поля, що генеруються випромінювачем, тобто міжперюдна взаємодія відсутня Отже, вибираючи період гармонічного радюімпульса, з'являється можливість керувати величиною затухання радюімпульса в вибраному середовищі, яке обмежене його електропровідністю Обмежуючи величину затухання і збільшуючи період, випромінювач переводять в режим зондування середовища ближнім полем, тобто таким, затримка якого у віддаленій точці менше тривалості перюда зондуючого імпульса Такий режим роботи випромінювача стає переважаючим при локації і зв'язку в воді і землі Затухання амплітуди зондуючого імпульса при цьому обумовлюється діаграмою спрямованності антени, яка може бути розрахована по відомим методикам для довгохвильового зв'язку Якщо низькочастотне електричне поле діє на віддалений від випромінювача об'єкт, що відрізняється по параметрам питомої електропровідності або магнітної проникності, а протяжність його значно менша довжини хвилі, то в такому об'єкті збуджується електромагнітне поле у формі зондуючого імпульса Якщо об'єкт має більшу магнітну проникність ніж середовище, то він генерує імпульс тієї ж полярності, що і зондуючий Якщо об'єкт має більшу електричну провідність ніж середовище, то він генерує імпульс протилежної полярності ніж зондуючий Конкретний об'єкт в електромагнітному полі опромінення сам стає джерелом електромагнітного поля тієї ж форми Імпульси, що генеруються в результаті взаємодії зондуючого імпульса з об'єктом, сприймаються в області випромінювання зондуючого імпульса як модуляція амплітуди поля, що випромінюється Величина затухання відбитого об'єктом імпульса незважаючи на те, що він взаємодіє з усім об'ємом речовини об'єкта, а не тільки з його поверхневим шаром, може збільшуватись пропорційно більш ніж четвертій ступені від відстані, як це приймається в наземній радіацюлокацм Тому дальність радіозв'язку і дальність виявлення об'єктів при радіолокації в провідних со 49739 середовищах залежить від чутливості радіоприймальних пристроїв, а точніше, від способу досягнення високої чутливості шляхом вимірювання амплітуди антенного сигналу, обмеженого одним періодом несучої частоти Припустимо, що власний шум радіоприймального пристрою (РПУ) U ma ^ и г н г Тому параметри ефективності радіолокації і радіозв'язку будуть обумовлені цифровою чутливістю вимірювання амплітуди антенного сигнала ДІІд, яка дорівнює мінімальній величині зміни амплітуди сигналу на виході антени, що викликає появу одного кванта на виході аналого-цифрового перетворювача амплітуди антенного сигналу , або спрацювання іншого порогового пристрою, що забезпечує приріст інформації на 1 біт в результаті ди Д и А Способи вимірювання амплітуди антенного сигналу ВІДОМІ [Проектирование радиоприемных устройств / Под ред Сиверса А П - М Сов радио - 1976] Описаний в цій праці спосіб включає таку ПОСЛІДОВНІСТЬ операцій - антенний сигнал підсилюють по амплітуді і перетворюють в підсилений аналоговий сигнал, - формують опорний сигнал, - запам'ятовують амплітудне значення підсиленого антенного сигналу, - виконують аналого-цифрове перетворення амплітуди сигналу Загальними ознаками способу-аналогу з пропонованим є перетворення антенного сигналу в підсилений аналоговий сигнал і формування опорного сигналу Причина, яка не дозволяє досягти високої цифрової чутливості вимірювання амплітуди антенних сигналів є високий рівень шумів підсилення і обробки сигналів ПОСЛІДОВНІСТЬ перетворень антенного сигналу способу-аналогу забезпечує спрацювання порогового пристрою від амплітуди антенного сигналу мінімальної величини ди А -к п = и0 (1) де К п - коефіцієнт перетворення зміни амплітуди модуляції ДІІд в сигнал на виході РПУ, який забезпечує надійне переключення вирішуючого пристрою, що характеризується пороговою напругою Uo Щоб мінімізувати величину ДІІд необхідно збільшити Кп, або зменшити Uo Можливості зменшення величини Uo практично відсутні, тому що Uo є порогом переключення логічного елемента обчислювальної техніки, де можливості зменшення Uo вичерпані Величина Uo обумовлена властивостями нелінійної залежності струму від керуючої напруги транзисторів 3 переходом від германієвих транзисторів (Uo = 0,3В) до кремнієвих (Uo = 0,6В) величина Uo не зменшилась, а збільшилась майже ВДВІЧІ Не вирішує проблеми і застосування тунельних ДІОДІВ Зважаючи на це, зменшення Дид у ВІДПОВІДНОСТІ до (1) досягається вибором К п » 1, тобто підсиленням Дид Всі ВІДОМІ підсилювачі напруги потенціального поля поряд з підсиленням створюють адитивний шум и ш а Тому рівняння (1) має вигляд (Ди А + и ш а ) • К п = Uo (2) Підсилювач повинен виконувати функцію зменшення амплітуди і дисперсії амплітуди шуму як вірогідної величини В цьому випадку приймають ДиА = иша (3) Таким чином, потенційна чутливість виявля ється величиною, яка обумовлена існуючою напівпровідниковою технологією виготовлення функціональних елементів обробки сигналів підсилювачів, компараторів, інтеграторів, перемножувачів та інших, тому що тільки ці елементи використовуються для обробки сигнала Д и А Найбільш близьким до пропонованого є спосіб вимірювання амплітуди антенного сигналу, який описаний в книзі [Проектирование радиолокационных приемных устройств Учебн пособие для вузов / А П Голубков, А А Долматов, А Л Лукошкин и др - М Высш шк , 1984 - С 74 - 76, 91 141], який вибраний нами як прототип Спосіб-прототип характеризується такою ПОСЛІДОВНІСТЮ операцій - амплітудно-модульований антенний сигнал підсилюють і перетворюють в підсилений аналоговий сигнал, - формують опорний сигнал, - затримують опорний сигнал на час затримки антенного сигналу, - формують інформаційний параметр, для чого синхронно запам'ятовують амплітудне значення підсиленого антенного сигналу, - амплітудне значення антенного сигналу перетворюють в цифрове значення Загальними ознаками способів прототипу і пропонованого є перетворення амплітудне модульованого антенного сигналу в підсилений аналоговий сигнал і формування опорного сигналу Основною причиною, яка не дозволяє підвищити потенційну чутливість вимірювання способупрототипу, є високий рівень шумів підсилення і обробки сигналів Всі операції обробки амплітудномодульованого сигналу виконують як перетворення форми потенціального електричного поля, інтенсивність якого змінюється в часі Шуми підсилення складуються з амплітудою антенного сигналу і запам'ятовуються при стробуванні Операція перетворення амплітудного значення суміші сигналу і шуму є ЛІНІЙНОЮ, тому чутливість способу - прототипу обумовлюється рівнем шуму підсилення і обробки сигналів Розгортуюче перетворення амплітудних значень антенного сигналу не збільшує чутливості Практично досягнута величина чутливості вимірюється амплітудою антенних сигналів Д и А » 10 В В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу вимірювання амплітуди антенного сигналу, обмеженого одним періодом несучої частоти, який би характеризувався високою чутливістю вимірювання антенного сигналу, і цим розширити динамічний діапазон цифрового вимірювання і збільшити дальність прийому сигнала Поставлена задача вирішується в результаті перетворення амплітудне модульованого антенного сигналу в підсилений аналоговий сигнал, перетворення його в змінний струм гармонічної форми і дії його на контур антенного сигналу електромагнітної системи магнетик-провідник, формування опорного сигналу і дії його є р с на контур опорного сигналу електромагнітної системи, забезпечення взаємодії опорного сигналу з антенним через дію магнітного потоку контура антенного сигналу на магнітний потік контура опорного сигналу електромагнітної системи, компенсації є р с самоінду 49739 кцм в контурі опорного сигналу шляхом віднімання магнітних потоків в магнетику, створених струмом і потоком вихрового електричного поля в контурі, перетворення струму антенного сигналу в е р с індукції в контурі опорного сигналу, формуванні інформаційного параметру у вигляді фазового зсуву струму в контурі опорного сигналу відносно е р с опорного сигналу, перетворення фазового зсуву в часовий інтервал, початок і кінець якого задаються зміною полярності ВІДПОВІДНО е р с опорного сигналу і струму в контурі опорного сигналу, квантування часового інтервалу і перетворення його в цифрове значення, по якому визначають амплітуду антенного сигналу Новими ознаками пропонованого способу, якими він відрізняється від способу-прототипу є перетворення підсиленого аналогового сигналу в змінний струм гармонічної форми, - дія цього струму на контур антенного сигналу електромагнітної системи, - дія є р с опорного сигналу на контур опорного сигналу цієї системи, - компенсація е р с самоіндукції в цьому контурі шляхом віднімання магнітних потоків в магнетику, створених струмом і потоком вихрового електричного поля в контурі, - перетворення струму антенного сигналу в е р е індукції в контурі опорного сигналу, - формування інформаційного параметра у вигляді фазового зсуву струму в контурі опорного сигналу відносно е р с опорного сигналу, перетворення фазового зсуву в часовий інтервал, початок і кінець якого задаються зміною полярності ВІДПОВІДНО є р с опорного сигналу і струму, - квантування часового інтервалу і перетворення його в цифрове значення, по якому визначають амплітуду антенного сигналу Електромагнітна система магнетик-провідник на відміну від інших електромагнітних систем являє собою два суміщених кругових багатовиткових провідника зі струмом, в якій всі магнітні силові лінії, створені струмом, замкнені магнетиком, а кругові провідники мають мінімальний радіус, причому, на один з провідників електромагнітної системи діють струмом антенного сигналу і утворюють контур антенного сигналу, а на другий діють е р с опорного сигналу і утворюють контур опорного сигналу електромагнітної системи Використання властивості електромагнітної системи в режимі компенсації магнітного поля, створеного е р с опорного сигналу, створювати фазовий зсув струму, внаслідок дії е р с індукції, який пропорційний амплітуді магнітного потоку, створеного струмом антенного сигналу, дозволяє значно підвищити чутливість способу вимірювання Вимірювання інтервалу часу, початок якого задається зміною полярності опорного сигналу, а кінець - зміною полярності струму, який затримується антенним сигналом, дає змогу скористатись відомими методами підвищення точності вимірювання часового інтервалу, початок і кінець якого задається оптимальним способом Явище компенсації магнітних потоків в електромагнітній системі магнетик-провідник створюється взаємодією магнітного вихрового поля в магнетику, яке генерується струмом провідності, і магнітного вихрового поля, яке генерується пото ком вихрового електричного поля провідника Потік вихрового електричного поля у ВІДПОВІДНОСТІ з першим рівнянням Максвела називають "струмом зміщення" Такий спосіб вимірювання амплітуди антенного сигналу дозволяє на кілька порядків підвищити чутливість вимірювання На фіг зображені сигналограми е р с , струмів і потоків електричних і магнітних полів пропонованого способу вимірювання амплітуди антенного сигналу Пропонований спосіб характеризується такою ПОСЛІДОВНІСТЮ операцій - амплітудне модульований антенний сигнал перетворюють в підсилений аналоговий сигнал, - формують опорний сигнал, по формі аналогічний антенному, - перетворюють підсилений аналоговий сигнал у змінний струм гармонічної форми, - діють цим струмом на контур антенного сигналу електромагнітної системи магнетикпровідник, - діють е р с опорного сигналу на контур опорного сигналу електромагнітної системи, - компенсують е р с самоіндукції в контурі опорного сигналу, - перетворюють струм антенного сигналу в е р с індукції в контурі опорного сигналу, - формують інформаційний параметр у вигляді фазового зсуву струму в контурі опорного сигналу відносно фази є р с опорного сигналу, - перетворюють фазовий зсув е р с опорного сигналу і струму в контурі опорного сигналу в часовий інтервал, - інтервал часу квантують і перетворюють в цифрове значення, по якому визначають амплітуду антенного сигналу Компенсація е р с самоіндукції викликає явище компенсації магнітного потоку в електромагнітній системі магнетик-провідник, яке аналогічне явищу надпровідності в провідниках В цьому випадку компенсується електричне поле зовнішнього джерела або індукована е р с вихровим електричним полем, яке індукується ЗОВНІШНІМ магнітним полем провідника Розглянемо процес компенсації магнітного поля на інтервалі часу одного перюда дії е р с на провідник Для цього форми електричного і магнітного полів, які діють в провідниках і магнетиках, слід вважати статичними або квазістатичними, тобто такими які проникають на всю глибину провідників і магнетиків Рівняння Максвела оперують з трьома формами електричних полів електричним потенціальним полем заряду Еф, вихровим електричним полем Ег, що індукується магнітним полем, і однорідним електричним полем Е=, а також двома формами магнітного поля вихровим магнітним полем Н=, і однорідним магнітним полем Н= Потенціальне магнітне поле Нф, яке характеризується магнітними силовими ЛІНІЯМИ, ЩО розходяться, добре відоме практично як поле постійних магнітів та соленоїдів Отже з теорії і практики відомо 6 форм електромагнітного поля, коливання яких можливе в просторі Існуюча феноменологічна теорія електропровідності заперечує існування 49739 будь-якого електричного поля в провідниках (6) Джерела потенціальних і вихрових полів ствоРівняння фазового перетворення сигналів ед І рюють силову взаємодію Взаємодія джерел потеео електромагнітної системи в режимі фазового нціальних електричних і магнітних полів характерезонансу, який полягає в тому, що магнітний поризуються скалярним потенціалом Силова тік, створений опорним сигналом, Фо = О.має вивзаємодія джерел вихрових електричних і магнітгляд них полів відбувається в напрямку векторного потенціалу Просторові області рівномірного поля не LR. U) взаємодіють Використовуючи метод комплексних амплітуд ВІДПОВІДНО ДО феноменологічної теорії електдля зображення рівняння (7), одержимо ромагнітного поля електрона, який характеризу«0=/«Д + ./