Спосіб визначення кута приходу радіохвиль

Реферат: Спосіб визначення кута приходу радіохвиль належить до області техніки електричних вимірів і може бути використаний при дослідженні поширення радіохвиль на відкритих трасах. Новим в способі визначення кута приходу радіохвиль є первинне генерування високочастотних коливань з першою частотою в першому каналі інтерферометра і коливань з другою частотою в другому каналі інтерферометра. Високочастотні коливання випромінюють через антени інтерферометра у напрямі третьої антени, де їх приймають, трансформують по частоті і перевипромінюють у зворотному напрямі. У каналах інтерферометра ці високочастотні коливання повторно приймають і змішують з вихідними коливаннями. При цьому вимірюють різницю фаз комбінаційних низькочастотних складових і запам'ятовують її. На другому етапі в першому каналі інтерферометра генерують високочастотні коливання з другою частотою, а в другому каналі інтерферометра генерують коливання з першою частотою. Знов вимірюють різницю фаз комбінаційних низькочастотних складових і беруть середнє арифметичне поточній виміряній різниці фаз і яка була запам'ятована раніше. По отриманій середньоарифметичній різниці фаз визначають кут приходу радіохвиль з високою точністю. Даний спосіб дозволяє досягнути високої точності вимірів кута приходу радіохвиль UA 97737 C2 (12) UA 97737 C2 UA 97737 C2 5 10 15 20 Винахід належить до області техніки електричних вимірів і може бути використаний при вивченні поширення радіохвиль на відкритих трасах. Відомі способи виміру флуктуацій амплітуди радіохвиль [див., наприклад, кн. Введенский Б.А. Поширення ультракоротких хвиль - М.: Наука, 1973, 408 с.]. Проте вимір флуктуацій кутів приходу також представляє особливий інтерес при вивченні поширення радіохвиль. Найбільш близькими по технічній суті до заявлюваного винаходу є спосіб визначення кута приходу радіохвиль, заснований на вимірі різниці фаз між сигналами в двох рознесених точках простору [А.С. № 1718149 (СРСР), оп. у БІ № 9, 07.03.1992 G01R 29/08]. За цим способом визначення кута приходу радіохвиль спочатку в двох незалежних каналах генерують безперервні високочастотні коливання з двома різними частотами, що мало відрізняються один від одного f1 і f2 . Через дві рознесені в просторі антени ці безперервні високочастотні коливання первинно випромінюють у напрямі третьої антени, де їх приймають і вводять в них монотонно наростаюче фазове зрушення. Трансформовані таким чином по частоті безперервні високочастотні коливання з частотами f /1  f1  F і f / 2  f2  F перевипромінюють у напрямі рознесених в просторі антен первинного випромінювання, де обидва ці коливання, що повторно випромінюють, антенами первинного випромінювання повторно приймають, змішують з початковими безперервними високочастотними коливаннями і виділяють комбінаційні низькочастотні складові різниці початкових безперервних високочастотних коливань і повторно прийнятих трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань. У тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f1 , виділяють комбінаційну низькочастотну складову з частотою F  f /1  f1 , а в тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f2 , виділяють комбінаційну низькочастотну 25 складову з частотою F  f / 2  f2 , після чого вимірюють різницю фаз між цими двома комбінаційними низькочастотними складовими. На основі виміру різниці фаз і відомої відстані між антенами розраховують кут приходу радіохвиль по формулі:      arcsin ,  2kb  де  - вимірювана різниця фаз; k - хвилеве число; b - відстань між приймальними 30 35 40 45 50 антенами (база інтерферометра), 2 виходить за рахунок подвійного проходження трас радіохвилями. На практиці кути приходу радіохвиль малі, тому для збільшення точності визначення кута приходу необхідно збільшувати базу інтерферометра. Просторове рознесення між первинно випромінюючими антенами можна вільно змінювати залежно від вимірів, що проводяться, оскільки антени первинного випромінювання не зв'язані між собою фазостабільними фідерами. Проте наведений спосіб виміру кутів приходу радіохвиль має істотний недолік, що полягає у присутності помилки вимірів, залежної від відстані між антенами первинного випромінювання і первинного прийому. Виміряна різниця фаз виходить за рахунок різниці набігів фаз високочастотних коливань по кожній трасі окремо, яка виділяється в кожному каналі інтерферометра. У першому каналі інтерферометра отримують набіг фази 2k1d1 при частоті сигналу f1, де d1 - відстань між антеною першого каналу інтерферометра і третьою антеною, а в другому каналі отримують набіг фази 2k2d2 при частоті сигналу f2, де d2 - відстань між антеною другого каналу інтерферометра і третьою антеною, при цьому набіг фази в другому каналі інтерферометра можна представити як 2k2d2=2(k1+k)d2. В результаті різниця фаз буде рівна =2k1(d1-d2)-2kd2. У отриманому виразі видно, що при вимірі різниці фаз сигналів, а, отже, і при обчисленні кута приходу радіохвиль виникає помилка вимірів 2kd2, яка залежить від відстані d2. У основу винаходу поставлено задачу підвищення точності визначення кута приходу радіохвиль. Вона вирішується завдяки тому, що за способом визначення кутів приходу радіохвиль, по якому спочатку в двох незалежних каналах інтерферометра генерують безперервні високочастотні коливання з двома різними частотами, що мало відрізняються один від одного f1 і f2, після чого через дві рознесені в просторі антени інтерферометра ці безперервні високочастотні коливання первинно випромінюють у напрямі третьої антени, де їх приймають і вводять в них монотонно наростаюче фазове зрушення, при цьому трансформовані таким чином по частоті безперервні високочастотні коливання з частотами f /1  f1  F і f / 2  f2  F перевипромінюють у напрямі рознесених в просторі антен інтерферометра, де обидва 55 ці коливання, що повторно випромінюють, антенами інтерферометра повторно приймають, змішують з початковими безперервними високочастотними коливаннями і виділяють 1 UA 97737 C2 5 10 15 20 комбінаційні низькочастотні складові різниці початкових безперервних високочастотних коливань і повторно прийнятих трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань, причому в тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f1, виділяють комбінаційну низькочастотну складову з частотою F  f /1  f1 , а в тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f2, виділяють комбінаційну низькочастотну складову з частотою F  f / 2  f2 , після чого вимірюють різницю фаз 1 між цими двома комбінаційними низькочастотними складовими в обох каналах інтерферометра, що відрізняється тим, що цю виміряну різницю фаз 1 запам'ятовують і після цього в тому каналі інтерферометра, де спочатку генерували коливання з частотою f1, починають генерувати коливання з частотою f2, а в тому каналі інтерферометра, де спочатку генерували коливання з частотою f2, починають генерувати коливання з частотою f1, після чого повторюють всю процедуру: первинно випромінюють обома антенами інтерферометра високочастотні коливання, первинно приймають третьою антеною обидва високочастотні коливання, вводять в прийняті коливання монотонно наростаюче фазове зрушення, повторно випромінюють трансформовані по частоті високочастотні коливання, повторно приймають антенами інтерферометра ці трансформовані по частоті високочастотні коливання, змішують повторно прийняті високочастотні коливання з початковими високочастотними коливаннями, виділяють в обох каналах інтерферометра комбінаційні низькочастотні складові різниці і вимірюють різницю фаз 2 між цими двома комбінаційними низькочастотними складовими в обох каналах інтерферометра, після чого вимірюють середньоарифметичне значення різниці фаз   cp  1  2 , 2 і на основі виміряної різниці фаз і відомої відстані між антенами розраховують кут приходу радіохвиль по формулі:  cp    arcsin  ,  2k  k b  25 30 35 40 45 50 55 де b - відстань між антенами інтерферометра (база інтерферометра), k - хвилеве число високочастотних коливань з частотою f1, k - різниця хвилевих чисел високочастотних коливань з частотами f1 і f2. Порівняння заявлюваного винаходу з вже відомими способами і прототипом показує, що спосіб, що заявляється, проявляє нові технічні властивості, що полягають в можливості визначення кута приходу радіохвиль з вищою точністю. При цьому точність вимірів не залежить від відстані між антенами інтерферометра і третьою антеною. Ці властивості заявлюваного винаходу є новими, оскільки у способі-прототипі погрішність kd2 збільшується із збільшенням відстані між антенами інтерферометра і третьою антеною, а в способі, що заявляється, ця погрішність постійна і визначається величиною k, яку можна врахувати при калібруванні і далі не враховувати. Вказаний спосіб визначення кута приходу радіохвиль можна реалізувати за допомогою пристрою, наведеного на рисунку. Пристрій для визначення кута приходу радіохвиль містить керовані генератори високочастотних коливань 1 і 2, Y-циркулятори 3 і 4, антени первинного випромінювання і вторинного прийому інтерферометра 5 і 6, змішувачі 7 і 8, фазометр 9, антену первинного прийому і вторинного випромінювання 10, керований фазообертач відбивного типа 11, генератор низькочастотних 12. При цьому вихід генератора високочастотних коливань 1 з'єднаний з першим виводом Yциркулятора 3, другий вивід якого з'єднаний з антеною первинного випромінювання і вторинного прийому інтерферометра 5, а третій вивід Y-циркулятора 3 з'єднаний з входом змішувача 7, вихід якого з'єднаний з першим входом фазометра 9, при цьому вихід генератора високочастотних коливань 2 з'єднаний з першим виводом Y-циркулятора 4, другий вивід якого з'єднаний з антеною первинного випромінювання і вторинного прийому інтерферометра 6, а третій вивід Y-циркулятора 4 з'єднаний з входом змішувача 8, вихід якого з'єднаний з другим входом фазометра 9, при цьому антена первинного прийому і вторинного випромінювання 10 з'єднана з сигнальним виходом керованого фазообертача відбивного типа 11, вхід управління якого з'єднаний з виходом генератора низькочастотних коливань 12. Працює пристрій, що реалізовує спосіб підвищення точності визначення кута приходу радіохвиль, наступним способом. Спочатку задають частоту генератора високочастотних коливань 1, рівну f1. При цьому високочастотні коливання з початковою амплітудою U01, частотою f1 і початковою фазою 1 2 UA 97737 C2 u1  U01  e j2f1t  1  5 з виходу генератора високочастотних коливань 1 через Y-циркулятор 3 подають в антену первинного випромінювання інтерферометра 5. При цьому у напрямі антени первинного прийому 10 випромінюють електромагнітну хвилю. Одночасно з цим задають частоту генератора високочастотних коливань 2, рівну f2. При цьому високочастотні коливання з початковою амплітудою U02, частотою f2 і початковою фазою 2 u  U  e j2f2 t  2  2 10 15 02 з виходу генератора високочастотних коливань 2 через Y-циркулятор 4 подають в антену первинного випромінювання інтерферометра 6. При цьому у напрямі антени первинного прийому 10 випромінюють електромагнітну хвилю. Антеною первинного прийому 10 обидві високочастотні електромагнітні хвилі уловлюють і далі високочастотні коливання з частотами f1 і f2 подають на керований фазообертач відбивного типа 11. Керований фазообертач 11 реалізує монотонну зміну фази високочастотних коливань. При цьому, якщо за період Т низькочастотного сигналу, що управляє, який надходить з виходу генератора низькочастотних коливань 12, реалізується в керованому фазообертачі 11 зрушення фаз від 0 до 2, то можна говорити про зсув спектру обох високочастотних коливань на так звану частоту Доплера:  20 2  2F . T Трансформовані по частоті високочастотні коливання, що надходять на антену вторинного випромінювання 10, мають вигляд u/  U/  e j2f1 Ft k1d1  0  1  , 1 / u2 01 /  U02  e j2f2 Ft k 2d2  0  2  де k1, k2 – хвилеві числа: k1  25 30 35 2f1 2f2 ; k2  c c d1,d2 - відстані між антенами 5 і 10, а також 6 і 10 відповідно, 0 - початкова фаза / / низькочастотних коливань на виході генератора 12, U01 і U02 - амплітуди високочастотних коливань з врахуванням загасання на трасі поширення радіохвиль. Антеною вторинного випромінювання 10 (вона ж антена первинного прийому) цих трансформованих високочастотних коливань випромінюють у напрямі антен вторинного прийому інтерферометра 5 і 6 (вони ж антени первинного випромінювання). При цьому прийняті трансформовані високочастотні коливання через треті виводи Y-циркуляторов 3 і 4 надходять у змішувачі 7 і 8, де виділяють комбінаційні низькочастотні складові різниці початкових безперервних високочастотних коливань і трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань. При цьому в тому каналі, де генерувалися високочастотні коливання з частотою f1, виділяють комбінаційну низькочастотну складову різниці трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань з частотою f /1  f1  F і початкових з частотою f1 f /1  f1 = f1  F  f1 = F . 40 45 У другому каналі також виділяють комбінаційну низькочастотну складову різниці трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань з частотою f / 2  f2  F і початкових з частотою f2 f / 2  f2 = f2  F  f2 = F . Таким чином, на виході змішувачів 7 і 8 матимемо два низькочастотні коливання з однаковими частотами F і повними фазами, визначуваними наступними співвідношеннями 11=2Ft+k1d1+0+ k /1 d1, 12=2Ft+k2d2+0+ k / 2 d2, де k1 і k2 – хвилеві числа: k1  50 2f1  F 2f2  F , k2  . c c Як видно з наведених формул, у виразах для повної фази виділених комбінаційних складових відсутні значення початкової фази і частоти високочастотних коливань, оскільки вони взаємно віднімаються. 3 UA 97737 C2 5 10 15 20 25 Частоту Доплера вибирають багато менше частоти вихідних високочастотних коливань f1 і f2. З цієї причини k /1  k1 і k / 2  k 2 . В цьому випадку для повних фаз низькочастотних коливань на виході змішувачів 7 і 8 можна записати 11=2Ft+2k1d1+0, 12=2Ft+k2d2+0. Тоді різниця фаз низькочастотних коливань на виході фазометра 9 буде рівна 1=2k1d1-2k2d2. Це значення виміряної різниці фаз 1 запам'ятовують. Потім задають частоту генератора високочастотних коливань 1, рівну f2, а частоту генератора високочастотних коливань 2, рівну f1, з тими ж амплітудами і початковими фазами і випромінюють обидва ці коливання через ті ж антени інтерферометра 5 і 6 у напрямі антени 10, де ці високочастотні коливання знову первинно приймають, трансформують по частоті і перевипромінюють назад в напрямі антен інтерферометра 5 і 6, де ці високочастотні коливання повторно приймають і змішують з початковими високочастотними коливаннями. Неважко показати, що на виході змішувачів 7 і 8 отримаємо низькочастотні коливання, повні фази яких можна описати як 21=2Ft+2k2d1+0, 22=2Ft+k1d2+0. Тоді різниця фаз низькочастотних коливань на виході фазометра 9 буде рівна 2=2k2d1-2k1d2. Новизна способу, що заявляється, полягає в тому, що при розрахунку і обробці різниць фаз хвилеві числа k1 і k2 вважаємо принципово різними величинами. При цьому вважаємо, що k2=k1+k. Приймемо k1=k. Тоді 1=2k(d1-d2)-2kd2, 2=2k(d1-d2)+2kd1 Після цього беремо середньоарифметичне значення цих двох виміряних різниць фаз cp  1  2  2k  k d1  d2  . 2 Тоді кут приходу радіохвиль визначимо по формулі  cp    arcsin  ,  2k  k b  30 35 де - база інтерферометра. Народногосподарський ефект від використання заявлюваного винаходу зв'язаний з появою можливості визначення кута приходу радіохвиль з вищою точністю, не залежною від довжини вимірювальної траси. Інший аспект підвищення ефективності від використання заявлюваного винаходу зв'язаний з тим, що на практиці кути приходу радіохвиль малі, тому для збільшення точності визначення кута приходу необхідно збільшувати базу інтерферометра. Просторове рознесення між первинно випромінюючими антенами можна вільно змінювати в залежності від проведених вимірів, тому що антени первинного випромінювання не зв'язані між собою фазостабільними фідерами. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Спосіб визначення кута приходу радіохвиль, по якому спочатку в двох незалежних каналах інтерферометра генерують безперервні високочастотні коливання з двома різними частотами, що мало відрізняються один від одного f1 і f2 , після чого через дві рознесені в просторі антени інтерферометра ці безперервні високочастотні коливання первинно випромінюють у напрямі третьої антени, де їх приймають і вводять в них монотонно наростаюче фазове зрушення, при цьому трансформовані таким чином по частоті безперервні високочастотні коливання з частотами f1/  f1  F і f2 /  f2  F перевипромінюють у напрямі рознесених в просторі антен інтерферометра, де обидва ці коливання, що повторно випромінюють, антенами інтерферометра повторно приймають, змішують з початковими безперервними високочастотними коливаннями і виділяють комбінаційні низькочастотні складові різниці початкових безперервних високочастотних коливань і повторно прийнятих трансформованих по частоті безперервних високочастотних коливань, причому в тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f1 , виділяють комбінаційну низькочастотну складову з 4 UA 97737 C2 частотою F  f /1  f1 , а в тому каналі, де генерують високочастотні коливання з частотою f2 , виділяють комбінаційну низькочастотну складову з частотою F  f / 2  f2 , після чого вимірюють різницю фаз 1 , між цими двома комбінаційними низькочастотними складовими в обох каналах інтерферометра, який відрізняється тим, що цю виміряну різницю фаз 1 запам'ятовують і 5 10 15 після цього в тому каналі інтерферометра, де спочатку генерували коливання з частотою f1 , починають генерувати коливання з частотою f2 , а в тому каналі інтерферометра, де спочатку генерували коливання з частотою f2 , починають генерувати коливання з частотою f1 після чого , повторюють всю процедуру: первинно випромінюють обома антенами інтерферометра високочастотні коливання, первинно приймають третьою антеною обидва високочастотні коливання, вводять в прийняті коливання монотонно наростаюче фазове зрушення, повторно випромінюють трансформовані по частоті високочастотні коливання, повторно приймають антенами інтерферометра ці трансформовані по частоті високочастотні коливання, змішують повторно прийняті високочастотні коливання з початковими високочастотними коливаннями, виділяють в обох каналах інтерферометра комбінаційні низькочастотні складові різниці і вимірюють різницю фаз 2 між цими двома комбінаційними низькочастотними складовими в обох каналах інтерферометра, після чого вимірюють середньоарифметичне значення різниці фаз   cp  1  2 20 2, і на основі виміряної різниці фаз і відомої відстані між антенами розраховують кут приходу радіохвиль по формулі:  cp    arcsin    2k  k b  , де b - відстань між антенами інтерферометра (база інтерферометра), k - хвилеве число високочастотних коливань з частотою f1 ,  k - різниця хвилевих чисел високочастотних коливань з частотами f1 і f2 . 5 UA 97737 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6