Доплеровский радиопеленгатор - Doppler radio direction finding

Доплеровский радиопеленгатор, или Доплеровский пеленгатор для краткости, это радиопеленгация метод, генерирующий точные подшипник информация с минимумом электроники. Лучше всего подходит для УКВ и УВЧ частоты, и требуется совсем немного времени, чтобы указать направление. Это делает его пригодным для измерения местоположения подавляющего большинства коммерческих, любительских и автоматизированных радиопередач, а доплеровский пеленгатор является одним из наиболее широко используемых методов определения направления. Другие методы пеленгации обычно используются только для мимолетных сигналов или длинных или коротких волн.

Как следует из названия, система использует Эффект Допплера для определения того, приближается или удаляется движущаяся антенна приемника от источника. В ранних системах для создания этого движения использовались антенны, установленные на вращающихся дисках. В современных системах антенны перемещаются не физически, а электрически, путем быстрого переключения между набором из нескольких антенн. Пока переключение происходит достаточно быстро, что легко организовать, эффект Доплера будет достаточно сильным, чтобы определить направление сигнала. Этот вариант известен как псевдодоплеровский пеленгатор, а иногда последовательная фаза DF. Этот новый метод настолько широко используется, что часто то Доплеровский пеленгатор встречается в большинстве источников.

Определение направления

Рано радиопеленгация (RDF) решения использовали высоконаправленные антенны с резкими «нулями» в диаграмме приема.[1] Оператор вращал антенну в поисках точек, в которых сигнал либо достиг максимума, либо, что чаще всего, внезапно исчезал или «обнулялся». Общая конструкция антенны RDF - это рамочная антенна, который представляет собой просто петлю из проволоки с небольшим зазором в круге, обычно вращающуюся вокруг вертикальной оси с зазором внизу.[2] Некоторые используемые системы дипольные антенны вместо петель. До 1930-х годов радиосигналы, как правило, были в том, что сегодня известно как длинноволновый спектр. Для эффективного приема этих сигналов необходимы очень большие антенны. На этих длинах волн определение пеленгации с помощью вращающихся антенн затруднено из-за их размера.[3][4]

Большой прогресс в технике RDF был представлен в виде Пеленгатор Беллини-Този Система, которая заменила вращение антенны вращением небольшой катушки с проволокой, соединенной с двумя неподвижными рамочными антеннами. Рамочные антенны были похожи на те, что использовались в более ранних системах, но были фиксированными, установленными под прямым углом друг к другу, чтобы сформировать крестообразную конструкцию. Каждая антенна будет производить разный выходной сигнал, относительная сила которого зависит от того, насколько близок сигнал к нулю любой из антенн. Эти сигналы были отправлены на две катушки проводов, катушки возбуждения, также расположенные под прямым углом. Они воссоздали исходные сигналы в гораздо меньшем пространстве, размером примерно с сода может. Вращая небольшую рамочную антенну, сенсорная катушка, в пространстве между двумя катушками скрещенного поля можно было выполнить DF. Фактически, он воссоздал традиционную технику в гораздо меньшем масштабе, позволяя строить основные антенны любого размера.[5]

Роберт Уотсон-Ватт представил следующее крупное достижение в области пеленгации как систему "хафф-дафф", прозвище высокочастотная радиопеленгация. Хафф-Дафф также использовал скрещенные антенны, часто Антенна Adcock,[6] но отправили свой вывод на два канала осциллограф. Относительные силы и фазы двух сигналов отклоняли положения X и Y электронного луча осциллографа на разные величины, в результате чего на экране появлялся эллипс или восьмерка, а длинная ось указывала направление сигнала.[7] Считывание было практически мгновенным и оказалось возможным легко обнаруживать даже короткие передачи. Хафф-Дафф использовался примерно в четверти всех успешных Подводная лодка опускания.[8]

Обе эти системы имеют недостатки. Система Беллини-Този по-прежнему имеет движущиеся части, хотя и небольшие, но имеет более серьезное ограничение, которое требует от оператора поиска сигнала, что может занять несколько минут. Хафф-Дафф обеспечивает прямую и немедленную индикацию направления сигнала, но только за счет необходимости осциллографа или аналогичной системы отображения с таким же быстрым откликом. Оба требуют два близко согласованных приемника и усилителя, и часто третий для «чувствительной» антенны, если используется.[9]

Эффект Допплера

Если разместить антенну на движущейся платформе, например на крыше грузовика, движение грузовика вызовет Эффект Допплера для сдвига частоты сигнала вверх по мере его движения к сигналу или вниз по мере его удаления. Когда грузовик движется под прямым углом к ​​сигналу или вообще не движется, переключения не будет.[10] Если грузовик движется по круговой колее, иногда он приближается к сигналу, удаляется от него или движется под прямым углом. Это вызовет сдвиг частоты целевого сигнала с нарастанием и падением, что приведет к частотно-модулированный (FM) сигнал, известный как Доплеровская синусоида.[11] FM-сигнал имеет ту же частоту, что и скорость вращения автомобиля.[10][12]

Величина смещения зависит от длины волны сигнала и угловой скорости антенны:

S = р W c/λ

куда S - доплеровский сдвиг частоты (Гц), р это радиус круга, W угловая скорость в радианах в секунду, λ целевая длина волны и c это скорость света в метрах в секунду.[12] Преобразование в более распространенные единицы:

Чтобы преобразовать Гц в радианы в секунду, умножьте его на 6,28 (2 пи)
Чтобы преобразовать МГц в Гц, умножьте на 1 миллион
Исключение констант дает (6,28 × 1000000) / 300000000 = 1/0.02093... ~= 48

Такой, что:

S = р Пт Fc/ 48

куда Пт частота вращения в Гц и Fc целевая частота в МГц.[12][а]

Рассмотрим пример охоты на грузовике FM радио станции на частоте 101,5 МГц при движении по площадке шириной 100 метров (330 футов) (радиус 50 м) со скоростью 25 километров в час (16 миль в час). Окружность площадки составляет 2π × 50 или 314 м, а ее скорость в м / с составляет 25000/60/60 ~ = 7 м / с, поэтому грузовик совершает один круг за 314/7 = 45 секунд. Пт поэтому1⁄45. Подавая это в формулу выше, частотный сдвиг равен:

S = 50 × 0.0222... × 101.8/ 48 = 2,4 Гц

Этот сдвиг частоты слишком мал, чтобы его можно было точно измерить. Чтобы повысить вероятность обнаружения, продукт р W должен быть увеличен. По этой причине системы доплеровской радиопеленгации обычно устанавливают свои антенны на небольшой диск, который вращается с высокой скоростью с помощью электродвигателя. Выполнение того же расчета с использованием антенны, установленной на диске диаметром 50 сантиметров (20 дюймов), вращающемся с частотой 1000 Гц, приводит к:

S = .25 × 1000 × 101.8/ 48 = 530 Гц

Что легко обнаружить. Тем не менее, такая скорость вращения, 60 000 об / мин, требует высокоточных систем. Поскольку антенны должны двигаться с очень высокой скоростью, этот метод действительно полезен только для более высокочастотных сигналов, когда антенны могут быть короче.[b] и выше Fc дает больший дивиденд.[12]

Ранние образцы доплеровских пеленгаторных систем датируются по крайней мере 1941 годом,[13] и они использовались в объединенное Королевство для охоты на немецких радары раннего предупреждения, который работал на частоте 250 МГц в 1,25-метровый диапазон. К 1943 году были доступны образцы, работавшие в диапазоне УВЧ, использованные для поиска немецких Вюрцбургские радары работает на частоте 560 МГц.[14]

Существенным преимуществом этого метода является то, что он требует только одного приемника, усилителя и соответствующего FM-демодулятора. Напротив, системы Huff-Duff и B-T требуют двух близко согласованных приемников, по одному на каждую пару антенн и часто третий для канала считывания.[6] Широкое использование этой техники в гражданских целях началось только после внедрения практических схем для квадратурный детектор и фазовая автоподстройка частоты, оба были введены после войны, что значительно упростило прием FM-сигналов. Его использование примерно соответствует распространению FM радио, который также использовал эти приемы.[10]

Псевдодоплеровский

Чтобы еще больше упростить систему, можно смоделировать движение антенны с помощью небольшого количества дополнительной электроники. Это псевдодоплеровский пеленг техника.[15]

Рассмотрим пару всенаправленных антенн, принимающих сигнал от целевого передатчика. По мере того, как сигнал распространяется мимо приемника, амплитуда сигнала на антеннах растет и падает. На больших расстояниях от передатчика хорошо в "дальнее поле", волновые фронты можно считать параллельными.[16] Если две антенны расположены перпендикулярно линии к цели, разность фаз между ними равна нулю, тогда как если они расположены параллельно линии, разность фаз будет функцией расстояния между ними и длины волны сигнала. .[16]

В этом примере предположим, что две антенны расположены1⁄4 длины волны цели и выровнены параллельно ей. Если бы две антенны были измерены мгновенно, разность фаз между ними всегда была бы одинаковой - 90 °. Но если вместо этого переключить вход с одной антенны на другую, всегда будет некоторая внутренняя задержка, в течение которой сигнал продолжает проходить мимо двух антенн. В этом случае, если исходный образец был взят, когда пик волнового фронта находился на более близкой антенне, а затем система переключается на более дальнюю антенну, фаза будет не 90 °, а несколько меньше, потому что волновой фронт приблизился ко второй антенне во время то время.[12]

Теперь рассмотрим ряд таких антенн, расположенных по окружности круга, и переключатель, который, в свою очередь, подключается к антеннам по часовой стрелке. Если целевой сигнал находится в положении «12 часов», то сдвиг фазы будет увеличиваться, когда переключатель перемещается «вперед» между положениями 7 и 11 часов, и уменьшаться при перемещении «в сторону», между 1 и 5. При переключении между антеннами, перпендикулярными линии к сигналу, 11 к 1 и 5 к 7, смещение будет постоянным значением.[12]

Сигнал от антенн отправляется в единственный приемник, в результате чего получается серия импульсов, амплитуда которых зависит от фазы в момент выборки. Затем этот сигнал сглаживается, чтобы получить синусоидальную волну.[17] Эта синусоидальная волна модулируется точно так же, как в случае одиночной движущейся антенны. В случае движущейся антенны частота смещается, потому что антенна движется по волновому фронту, когда она проходит, тогда как в случае псевдодоплера это достигается путем синхронизации выборок для имитации движения одиночной антенны. Затем направление на целевой передатчик может быть определено таким же образом, как и в случае с подвижной антенной, путем сравнения фазы этого сигнала с опорным сигналом. В этом случае эталоном является тактовый сигнал, запускающий переключатель.[12]

Поскольку он не имеет движущихся частей и может быть построен с использованием простой электроники, метод псевдодоплера очень популярен. Несмотря на то, что измерения не такие быстрые, как система Хаффа-Даффа, в современных системах измерения настолько быстрые, что между двумя концепциями практически нет различий. Псевдодоплер имеет значительное преимущество в том, что антенная система намного проще, используя монопольные антенны, и если система коммутации расположена на антенне, только один провод идет обратно к приемнику, и поэтому требуется только один усилитель.[15] Поскольку этот метод очень широко используется, его часто называют просто доплеровским пеленгатором, при этом «псевдо» добавляется редко.[12]

Главный недостаток метода - потребность в большей обработке сигнала. Поскольку «движение» в псевдодоплеровском режиме происходит ступенчато, результирующий сигнал не будет плавным, как в случае движущейся антенны. Это приводит к сигналу со значительным количеством боковые полосы которые необходимо отфильтровать. Система переключения также вносит электронный шум, еще больше сбивая с толку вывод.[18] Современный обработка сигнала может легко свести эти эффекты к минимуму.[15]

Заметки

  1. ^ Moell был написан в 1978 году и использует дюймы для радиуса, в результате чего константа преобразования равна 1880, это было преобразовано в метры для современных читателей путем деления на ~ 39 дюймов / м.
  2. ^ По разным причинам радиоантенны должны быть1⁄2 длина волны, которую они пытаются получить.

использованная литература

Цитаты

  1. ^ Армия 1977 г., п. 3.3.
  2. ^ Сэдлер 2010, п. 4.
  3. ^ Ян 2013, п. 188.
  4. ^ Моэлл 1987, п. 28.
  5. ^ Армия 1977 г., п. 3.17.
  6. ^ а б Сэдлер 2010, п. 6.
  7. ^ Армия 1977 г., п. 3.36.
  8. ^ Бауэр, Артур О. (27 декабря 2004 г.). "HF / DF - оружие союзников против немецких подводных лодок 1939–1945" (PDF). п. 1. Получено 2008-01-26.
  9. ^ Сэдлер 2010, стр. 5-6.
  10. ^ а б c Армия 1977 г., п. 3.26.
  11. ^ Моэлл 1987, п. 123.
  12. ^ а б c d е ж г час Моэлл 1987, п. 121.
  13. ^ US Истекло 2414798, Гораций Буденбом, «Пеленгатор», опубликованный 28 января 1947 г., передан Bell Labs 
  14. ^ Рембовский и др. 2009 г., п. 21.
  15. ^ а б c Сэдлер 2010, п. 7.
  16. ^ а б Армия 1977 г., п. 3.27.
  17. ^ Пуазель 2012, п. 376.
  18. ^ Моэлл 1987, п. 137.

Список используемой литературы