Автоматизований вимірювальний комплекс для радіомоніторингу електромагнітного поля

Винахід належить до галузі радіовимірювальної техніки і може бути використаний для одночасного вимірювання напруженості електромагнітного поля, напрямку надходження хвилі та її поляризаційних характеристик. Відомі прилади для контролю рівня електромагнітного випромінювання [1], які складаються з детектора випромінювання, порогової схеми, схеми сигналізації, джерела живлення. Схема сигналізації містить генератор пачки імпульсів і індикатор. Джерело живлення містить батарею живлення, стабілізатор напруги та кнопку включення. Крім того, прилад може містити схему контролю, генератор пачок імпульсів схеми сигналізації може мати послідовно з'єднані генератор переривань та генератор звукової частоти, індикатор схеми сигналізації може бути виконаний з можливістю формування одночасно світлових та звукових сигналів. Такі вимірювачі не дають змоги вимірювати одночасно з рівнем електромагнітного поля інші параметри поля та мають низьку точність і низьку вірогідність контролю малих рівнів випромінювання надвисоких частот. З відомих приладів для вимірювання параметрів електромагнітного поля найбільш близьким за технічною суттю є прилад для визначення електромагнітної обстановки [2], який складається з послідовно з'єднаних генератора одиночних імпульсів, перший елемент ІЛІ, RS-тригер, S-вхід якого підключений до входу др угого елемента ІЛІ, ключ, другий вхід якого з'єднаний з виходом генератора тактових імпульсів, двійковий лічильник, установочний вхід якого з'єднаний з виходом генератора одиночних імпульсів, а другий вхід підключений до другого входу першого елемента ІЛІ, цифроаналоговий перетворювач, вимірювальний приймач, перший блок множення, другий інформаційний вхід якого підключений до виходу блоку пам'яті, другий блок множення, другий інформаційний вхід якого підключений до виходу блока добування квадратного кореня, та цифровий регістратор, послідовно з'єднані цифровий частотомір, інформаційний вхід якого підключений до інформаційного входу блоку добування квадратного кореня та другого інформаційного входу ци фрового регістратора, а керуючий вихід також підключений до керуючого входу блоку добування квадратного кореня, та перший елемент затримки, перший і другий виходи якого з'єднані з керуючими входами першого та другого блоків множення відповідно, а третій вихід підключений до першого входу другого елемента ІЛІ та до керуючого входу др угого цифрового регістратора, послідовно з'єднані зі смуговим фільтром, що перестроюється, керуючий вхід якого підключений до виходу цифроаналогового перетворювача, інформаційний вхід підключений до виходу вимірювальної антени, а вихід також підключений до інформаційного входу вимірювального приймача, широкосмуговий підсилювач, вихід якого також з'єднаний з інформаційним входом цифрового частотоміра, екстрематор, вихід якого також підключений до третього входу першого елемента ІЛІ та другий елемент затримки, вихід якого з'єднаний з керуючим входом цифрового частотоміру, вхід і вихід третього елемента затримки підключений до виходу генератора одиночних імпульсів та до другого входу др угого елемента ІЛІ відповідно. Недоліком цього приладу є неможливість точного вимірювання фази при роботі з сигналами, що мають широкий спектр, а також даний прилад не забезпечує одночасне вимірювання напруженості електромагнітного поля, характеристик поляризації та напряму приходу хвилі. Задачею винаходу є створення автоматизованого вимірювального комплексу для радіомоніторингу електромагнітного поля, який би забезпечив одночасне вимірювання напруженості електромагнітного поля, напряму приходу хвилі та поляризаційних характеристик цієї хвилі, при використанні антенної системи з мінімальною кількістю випромінювачів. Поставлена задача вирішується тим, що автоматизований вимірювальний комплекс для радіомоніторингу електромагнітного поля, що містить вимірювальну антену та генератор сигналів, згідно з винаходом, вимірювальна антена складається з чотирьох лінійних вібраторів антенної решітки, розміщених перпендикулярно один до одного, виходи чотирьох лінійних вібраторів антенної решітки підключені відповідно до перших входів чотирьох перемикачів режимів роботи, на другі входи яких підключений перший вихід процесора, а на треті входи чотирьох перемикачів режимів роботи підключений вихід автоматично керованого атенюатора, вхід якого з'єднаний з виходом генератора сигналу, вихід генератора сигналу підключений до входу третього детектора, вихід якого з'єднаний з першим входом процесора, виходи першого та другого перемикачів режимів роботи приєднані відповідно до першого та другого входів першого перемикача каналу, виходи третього та четвертого перемикачів режимів роботи підключені відповідно до першого та другого входів другого перемикача каналів, виходи першого та другого перемикачів роботи відповідно з'єднані з першим та другим входами першого комутатора елементів антенної решітки, вихід якого з'єднаний з першим входом змішувача, на др угий вхід якого приєднаний вихід гетеродина, вихід змішувача приєднаний на вхід підсилювача проміжної частоти, вихід якого з'єднаний з першим входом роз'єднувача трактів елементів антенної решітки, перший вихід якого з'єднаний з першим входом фазообертача, вихід якого приєднаний до першого входу др угого комутатора елементів антенної решітки та до входу лінії затримки, до другого входу другого комутатора елементів антенної решітки приєднаний другий ви хід роз'єднувача трактів елементів антенної решітки, вихід другого комутатора елементів антенної решітки з'єднаний з входом підсилювача-обмежувача, вихід якого з'єднаний з першим входом виділювача каналів, чотири виходи якого приєднані відповідно до чотирьох входів вимірювача фази, перший вихід формувача сигналів керування з'єднаний з третім входом першого комутатора елементів антенної решітки, з другим входом роз'єднувача трактів елементів антенної решітки та з третім входом другого комутатора елементів антенної решітки, другий ви хід формувача сигналів керування з'єднаний з третіми входами першого і другого перемикачів каналів, з першими входами першого та другого роздільниками каналів та з другим входом виділювача каналів, другий вхід першого роз'єднувача каналів приєднаний до другого виходу роз'єднувача трактів елементів антенної решітки, другий вхід другого роз'єднувача каналів приєднаний до виходу лінії затримки, перший вихід першого роз'єднувача каналів з'єднаний з першим входом першого суматора, другий вхід якого з'єднаний з першим виходом другого роз'єднувача каналів, другий вихід якого приєднаний до другого входу другого суматора, на перший вхід якого приєднаний другий вихід першого роз'єднувача каналів, виходи першого та другого суматорів з'єднані з входами відповідно першого та другого детекторів, виходи першого та другого детекторів приєднані відповідно до другого та третього входів процесора, другий вихід процесора з'єднаний з другим входом фазообертача, шинами даних процесор з'єднаний з автоматично керованим атенюатором, з вимірювачем фази та формувачем сигналів керування, третій вихід процесора підключений до входу дисплея, четвертий вихід процесора з'єднаний з входом принтера, входи генератора сигналу та гетеродина приєднані до ручки настройки частоти. Формувач сигналів керування складається з генератора коротких імпульсів, вихід якого з'єднаний з першими входами першого-четвертого вентилів, з першим входом перемикача вентилів та з шиною даних процесора, другі входи першого та третього вентилів приєднані до першого виходу перемикача вентилів, другі входи др угого та четвертого вентилів приєднані до другого виходу перемикача вентилів, другий вхід якого з'єднаний з шиною даних процесора, третій вихід перемикача вентилів приєднаний до входу формувача сигналу початку ра хунку, ви хід якого підключений до шини даних процесора, виходи першогочетвертого вентилів підключені відповідно до входів першого-четвертого лічильників, виходи яких відповідно підключені з входами першого-четвертого тригерів, виходи першого та другого тригерів з'єднані відповідно з першим та другим входами першої логічної схеми І, виходи третього та четвертого тригерів підключені відповідно до першого та другого входів другої логічної схеми І, вихід першої логічної схеми І підключений до третіх входів першого та другого перемикачів каналів, до перших входів першого та другого роз'єднувача каналів і до другого входу виділювача каналів, вихід другої логічної схеми І підключений до третіх входів першого та др угого комутаторів елементів антенної решітки та до другого входу роз'єднувача трактів антенної решітки. Вимірювач фази складається з першого та другого формувачів імпульсів перекидання тригера, входи яких з'єднані з двома відповідними виходами виокремлювача каналів, виходи першого та другого формувача імпульсів перекидання тригера відповідно приєднані до перших входів першого та др угого тригерів, другі входи першого та другого тригерів з'єднані з шиною даних процесора, виходи першого та другого тригерів приєднані відповідно до перших входів першого та другого ключів, другі входи яких з'єднані з шиною даних процесора, вихід першого ключа приєднаний до входу лічильника, вихід якого приєднаний до першого входу суматора, вихід другого ключа з'єднаний з входом реверсивного лічильника, вихід якого приєднаний до другого входу суматора, вихід суматора приєднаний до шини даних процесора. На фігурі 1 зображена структурна схема адаптивного вимірювача параметрів електромагнітного поля. На фігурі 2 зображена структурна схема формувача сигналів керування 26. На фігурі 3 зображена структурна схема вимірювача фази 24. На фігурі 4 зображені епюри, які пояснюють роботу формувача сигналів керування 26; на фігурі 5 - епюри, що пояснюють роботу вимірювача фази 24. Автоматизований вимірювальний комплекс для радіомоніторингу електромагнітного поля містить вимірювальну антену 1, чотири лінійні вібратори 2-5 антенної решітки, чотири перемикачі режимів роботи 6-9, два перемикачі каналів 10, 12, два комутатори елементів антенної решітки 11, 20, автоматично керований атенюатор 13, гетеродин 14, змішувач 15, підсилювач проміжної частоти 16, генератор сигналів 17, роз'єднувач трактів елементів антенної решітки 18, фазообертач 19, три детектори 21, 31, 32, підсилювач-обмежувач 22, виокремлювач каналів 23, вимірювач фази 24, лінія затримки 25, формувач сигналів керування 26, два роздільники каналів 27, 28, два суматори 29, 30, процесор 33, дисплей 34,принтер 35. Формувач сигналів керування 26 містить генератор коротких імпульсів 36, перемикач вентилів 37, формувач сигналів початку рахунку 38, чотири вентилі 39-42, чотири лічильники 43-46, чотири тригери 4750, дві логічні схеми 151, 52. Вимірювач фази 24 містить два формувача імпульсів перекидання тригера 53, 54, два тригери 55, 56, два ключі 57, 58, лічильник 59, реверсивний лічильник 60, суматор 61. Автоматичний вимірювальний комплекс для радіомоніторингу електромагнітного поля працює таким чином. Вимірювальна антена 1 представлена двома елементами, виконаними з лінійних вібраторів 2-5 антенної решітки із взаємно перпендикулярним розташуванням. Кожний елемент відокремлює ортогональні поляризаційні складові. В першому елементі перший лінійний вібратор 2 антенної решітки сприймає складову Eq 1, др угий лінійний вібратор 3 антенної решітки - складову Еj1 . У другому елементі антенної решітки третій лінійний вібратор 4 антенної решітки сприймає складову Eq2, а четвертий лінійний вібратор 5 антенної решітки - складову Еj2. Виходи першого - четвертого лінійних вібраторів 2-5 антенної решітки з'єднані з першими входами першого - четвертого перемикачів режимів роботи 6-9 відповідно, які дають можливість виконувати контроль працездатності та похибок у передавальних трактах, перевести Автоматизований вимірювальний комплекс для радіомоніторингу електромагнітного поля у режим вимірювання з великою швидкодією або в режим компараторного вимірювання. Перший - четвертий перемикачі режимів роботи 6-9 переходять від одного режиму до іншого за сигналами процесора 33 які надходять на їхні другі входи. Одночасно з напругами від першого - четвертого лінійних вібраторів 2-5 антенної решітки на треті входи першого четвертого перемикачів режимів роботи 6-9 надходить калібрована напруга від автоматично керованого атенюатора 13, який з'єднаний з генератором сигналу 17. Вихідна напруга генератора сигналу 17 з великою точністю визначається за допомогою третього детектора 21 і процесора 33. З ви ходів першого четвертого перемикачів режимів роботи 6-9 напруги надходять на перший та другий перемикачі каналів q і j 10, 12. Перемикач каналів 10 працює з першим та другим лінійними вібраторами 2 і 3 антенної решітки, перемикач каналів 12 - з третім та четвертим лінійними вібраторами 4 і 5 антенної решітки. Перемикачі каналів 10, 12 працюють на низькій частоті і протягом періоду T1 до виходу приєднують канал q, або канал j. Напруги з виходів першого та другого перемикачів каналів 10, 12 надходять у перший комутатор елементів антенної решітки 11, який послідовно пропускає сигнали від першого та друго го лінійних вібраторів 2 і 3 або від третього та четвертого лінійних вібраторів 4 і 5 антенної решітки. Таким чином, за період роботи T2 першого комутатора елементів антенної решітки 11 відбувається часове ущільнення чотирьох каналів в одному тракті, який підводить напруги до змішувача 15. Гетеродин 14, який працює сумісно зі змішувачем 15, настроюється на частоту електромагнітної хвилі з ура хуванням проміжної частоти fпр одночасно з генератором сигналу 17. Таким чином, під час установлення заданої частоти привід настроювання забезпечує відтворення частоти сигналу fc, що приймається, генератором 17 і генерування гетеродином 14 напруги з частотою fс-fпр - Проміжна частота перевищує частоту перемикання каналів на два або більше порядків. Отже, на вхід підсилювача проміжної частоти 16 з періодичністю T2 надходять чотири вибірки напруг з неперервних вхідних сигналів. Тривалість кожної вибірки становить Т1/2. Після підсилення напруга підводиться до роз'єднувача трактів елементів антенної решітки 18. Вирізки сигналів, що приймаються третім і четвертим лінійними вібраторами 4, 5 антенної решітки надходять на керований процесором 33 фазообертач 19. Сигнали керування виробляються за результатами вимірювання фазового зсуву y за формулою y= kd pd sin q = sin q 2 l (1) З цією метою тракти обох пар першого-другого 2-3 та третього-четвертого 4-5 лінійних вібраторів після зсуву фази в фазообертачі 19 об'єднуються другим комутатором елементів антенної решітки 20 і напруги всіх чотирьох вибірок перетворюються за формою в прямокутні імпульси підсилювачем-обмежувачем 22. Це об'єднання трактів забезпечує підсилення тільки одним пристроєм підсилювачем-обмежувачем 22 і не вносить спотворень у фазові співвідношення. Після такої трансформації сигналу всі чотири канали виокремлюються в чотири тракти виокремлювачем каналів 23 і у вимірювачі фази 24 фазовий зсув між сигналами розділених трактів перетворюється в проміжки часу, за допомогою яких розраховується і усереднюється зсув фаз між напруженостями каналів q1 і q2, j1 і j 2, q1 і j1 , q 2 і j 2. Таким чином процесор 33 обчислює зсув y і y П. За визначеним кутом \і/ сигнали керування, що виробляються процесором 33, установлюють на фазообертачі 19 такий фазовий зсув, який би компенсував кут y. Отже, блоки фазообертач 19, виокремлювач каналів 23, вимірювач фази 24 та процесор 33 є елементами замкнутого контуру, який відпрацьовує сигнали керування адекватності фазовому зсуву - контур автоматичного регулювання, завдяки якому сигнали від третього і четвертого лінійних вібраторів 4, 5 антенної решітки стають синфазними відповідними сигналами від першого та другого лінійних вібраторів 2,3 антенної решітки. Синфазні сигнали від третього та четвертого лінійних вібраторів 4, 5 антенної решітки зсуваються в часі на проміжок Т1/2 за допомогою лінії затримки 25, тобто вибірки сигналів від першого - другого 2-3 та третього - четвертого 4-5 лінійних вібраторів антенної решітки стають синфазними та синхронними. Перший та другий роздільники каналів 27 та 28 виокремлюють канали 9 і ер з трактів першого - другого 2-3 та третього - четвертого 4-5 лінійних вібраторів антенної решітки, після чого сигнали підсумовуються першим та другим суматорами 29 та 30 (напруги Uq1, і Uq2 та Uj1 і Uj2). Таким чином, амплітуди сигналів подвоюються, а шуми підсумовуються з урахуванням їх статичних властивостей. Перший та другий детектори 31 та 32 виробляють однополярні напруги, значення яких відображають усереднені амплітуди сигналів високої частоти Еq та Еj. Оскільки напруженості поля обчислюються за формулою E= Uв их kпрl д (2) то процесор 33 уточнює значення діючої довжини антени, вісь якої горизонтальна. Очевидно, що діюча довжина півхвильового вібратора може коректуватися за формулою l Iд = p æp ö cosç sinq ÷ è2 ø cos q (3) де кут q обчислюється за формулою q = arcsin ly pd (4) Визначення коефіцієнта передачі kпр відбувається в режимі контролю. У цьому режимі за допомогою автоматично керованого атенюатора 13 процесор 33 зрівнює напруги з першого, другого та третього детекторів 31, 32 та 21. Очевидно, що при цьому добуток коефіцієнта атенюації і коефіцієнта передачі напруги всього тракту адаптивного вимірювача параметрів електромагнітного поля досягає одиниці. Оскільки у всіх чотирьох каналах сигнали мають однакові амплітуди і фази, то в режимі контролю Еq = Еj і y П = 0, y = 0. У режимі компараторного вимірювання напруги з ви ходів першого та другого детекторів 31 та 32 послідовно порівнюються з напругою, що надходить з виходу автоматично керованого атенюатора 13. Коли різниця між амплітудами напруг дорівнює нулю, амплітуди напруг Еq і Еj визначаються як напруга на виході генератора сигналів 17 у разі ослаблення на коефіцієнт атенюації. Тобто і в цьому випадку відбувається в процесорі 33 порівняння вимірюваних напруг сигналів з відомою напругою генератора сигналів 17. Особливе місце в адаптивному вимірювачі параметрів електромагнітного поля займає формувач сигналів керування 26 першим та другим перемикачами каналів 10, 12, першим та другим комутаторами елементів антенної решітки 11, 20, роз'єднувачем трактів елементів антенної решітки 18, першим та другим роздільниками каналів 27, 28 та виокремлювачем каналів 23. Структурн у схему формувача сигналів керування 26 показано на фіг. 2. Вона складається з генератора коротких імпульсів 36, який формує імпульси з періодом т. Стабільність цього періоду потрібно забезпечувати досить високою, тому що від точності установлення і стабільності періоду залежить точність вимірювання фазових зсувів. Безпосередньо короткі імпульси генератора коротких імпульсів 36 надходять через шину даних процесора 33 у вимірювач фази 24 і використовуються для дискретизації проміжків часу. Крім того, короткі імпульси подаються на входи першого - четвертого вентилів 39-42. Вентилі 39-42 відкриваються або закриваються сигналами, що створюються перемикачем вентилів 37. У перемикачі вентилів 37 за сигналом початку роботи, який надходить від процесора 33, генеруються дві "одиничні" напруги - U1(t) та U2(t-T0) (фіг. 4), де T0=n0t. (5) Отже, перший та третій вентилі 39, 41 відкриваються одночасно з появою напруги U1(t), а другий та четвертий вентилі 40, 42 - із запізненням на Т0. З початком появи напруги U1(t) формувач сигналу початку рахунку 38 виробляє імпульс d(t=0), який приводить у дію вимірювач фази 24. Відкриті перший - четвертий вентилі 39-42 пропускають короткі імпульси на входи першого - четвертого лічильників 43-46 відповідно: перший та третій вентилі 39 і 41 з умовою нуля відліку часу, а другий та четвертий вентилі 40 і 42 із запізненням То. Перший лічильник 43 у разі нарахуванні T0 коротких імпульсів, де n1 = 2 (T1 + T2 ) , t (6) перекидає перший тригер 47 в інше положення. Завдяки цьому генерується напруга прямокутної форми з періодом T1+T0 (фіг. 5а). Др угий лічильник 44 сумісно з другим тригером 48 формує з таким самим періодом прямокутні імпульси напруги, але зсун уті на час Т0 (фіг. 5б). Напруги з ви ходів першого та др угого тригерів 47, 48 складаються першою логічною схемою І 51 та на ви ході цієї схеми утворюється сигнал керування першим та другим перемикачами каналів 10, 12, виокремлювачем каналів 23 і першим та другим роз'єднувачами каналів 27, 28 (фіг. 5 в). Аналогічно формуються сигнали керування першим та другим комутаторами елементів антенної решітки 11, 20 та роз'єднувачем трактів елементів антенної решітки 18. Тільки сигнали, після проходження третього та четвертого лічильників 45, 46, з третього та четвертого тригерів 49, 50, а також зі другої логічної схеми І 52 будуть мати вдвічі більшу тривалість періоду. Форма отриманих сигналів, забезпечує надійне розділення каналів у разі часового ущільнення. Схема вимірювача фази 24 складається з чотирьох або восьми ідентичних структур у залежності від вимог до точності. Мінімальна кількість структур може становити тільки дві. У цьому разі, одна структура, що зображена на фіг. 3, вимірює зсув фаз у між напругами Uq1 і Uq2, а др уга - визначає фазовий зсув y П між напругами Uq1, і Uj1. З метою збільшення точності використовуються всі сигнали, тобто усереднюються кути, що визначаються за формулою: & & y¢ = arg U q1 - arg Uq2 (7) & & y ¢ = argUj1 - argUj2 (8) & & y¢ = arg Uq1 - arg Uq2 П (9) & & y ¢¢ = argUj1 - argUj2 П (10) Принцип вимірювання фази полягає в тому, що на перший тригер 55 надходить імпульс d(t=0), який переводить перший тригер 55 у стан з високою вихідною напругою. Цією напругою відкривається перший ключ 57, лічильні імпульси надходять у лічильник 59. Рахунок продовжується до моменту надходження на перший тригер 55 переднього фронту першого імпульсу від вибірки сигналу U q1. На аналогічний другий канал також надходить імпульс d(t=0), який переводить другий тригер 56 у стан з високою вихідною напругою, відкривається другий ключ 58. Але в цьому каналі використовується реверсивний лічильник 60, який починає рахунок з числа n1=2(T1+T0)/t. Перший формувачі імпульсів перекидання тригера 53 після надходження на нього переднього фронту імпульсу переводить перший тригер 55 у стан з низькою напругою, перший ключ 57 закривається і лічильник 59 припиняє рахунок. Другий формувачі імпульсів перекидання тригера 54 таким же чином після приходу переднього фронту друго го імпульсу (Uq2) переводить другий тригер 56 у стан з низькою напругою, другий ключ 58 закривається і реверсивний лічильник 60 припиняє зворотний відлік. Вибірки імпульсів з лічильника 59 і реверсивного лічильника 60 складаються в суматорі 61 (вибірка з реверсивного лічильника 60 має від'ємне значення) і остаточний сигнал, що являє собою набір коротких імпульсів, тривалість яких відповідає зсуву фаз y' між напругами Uq1, і Uq2, прямує до процесора 33. Так само вимірюються зсуви фаз y¢¢ , y¢ , y П між напругами Uj1 і Uj2, Uq1 і Uj1, Uq2 і Uj2. Дисплеї 34 показує ¢ П кінцеві результати вимірювань. На принтер 35 виводяться кінцеві дані. Джерела інформації 1. Патент РФ №2054686, МПК6 G 01 R 29/08, 1996 2. Патент РФ №2126975, МПК6 G 01 R 29/10, 1999