Доплеровская радиопеленгация

Доплеровская радиопеленгация , также известная как Доплеровская радиопеленгация , представляет собой метод радиопеленгации , который генерирует точную информацию о пеленге с минимальным использованием электроники. Он лучше всего подходит для ОВЧ и УВЧ частот , и для указания направления требуется лишь короткое время. Это делает его пригодным для измерения местоположения подавляющего большинства коммерческих, любительских и автоматизированных трансляций. Доплеровская пеленгация — один из наиболее широко используемых методов пеленгации. Другие методы пеленгации обычно используются только для мимолетных сигналов или для более длинных или коротких волн.

Система доплеровской пеленгации использует эффект Доплера приемника , чтобы определить, приближается ли движущаяся антенна от источника или удаляется от него. Ранние системы использовали антенны, установленные на вращающихся дисках, для создания этого движения. В современных системах антенны перемещаются не физически, а электрически за счет 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 псевдодопплеровский DF или иногда последовательный фазовый DF . Этот новый метод настолько широко используется, что в большинстве ссылок часто . упоминается допплеровский ДФ ^[1]

Пеленгация

В ранних решениях радиопеленгации (RDF) использовались остронаправленные антенны с резкими «нулями» в диаграмме приема. ^[2] Оператор вращал антенну в поисках точек, где сигнал либо достигал максимума, либо, что чаще, внезапно пропадал или «обнулялся». Распространенной конструкцией антенны RDF является рамочная антенна , которая представляет собой просто петлю из провода с небольшим зазором в круге, обычно расположенную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси с зазором внизу. ^[3] использовались дипольные антенны В некоторых системах вместо рамок . До 1930-х годов радиосигналы обычно находились в длинноволновом спектре. Для эффективного приема этих сигналов необходимы очень большие антенны. Пеленгация с помощью вращающихся антенн на этих длинах волн затруднена из-за требуемого размера антенн. ^[4]^[5]

Большим достижением в технике RDF стала система пеленгатора Беллини-Този (BT), которая заменила вращение антенны вращением небольшой катушки с проводом, соединенной с двумя неподвижными рамочными антеннами. Рамочные антенны были аналогичны тем, которые использовались в более ранних системах, но фиксировались в положении, установленном под прямым углом друг к другу, образуя крестообразную конструкцию. Каждая антенна выдавала разные выходные сигналы, относительная мощность которых зависит от того, насколько близок сигнал к нулю любой антенны. Эти сигналы посылались на две катушки провода, катушки поля , также расположенные под прямым углом. Они воссоздали исходные сигналы в гораздо меньшем пространстве, размером с банку из-под газировки . Вращая небольшую рамочную антенну, сенсорную катушку , в пространстве между двумя скрещенными катушками поля можно выполнить пеленгацию. По сути, он воссоздал традиционную технику в гораздо меньшем масштабе, позволяя создавать основные антенны любого размера. ^[6]

Роберт Уотсон-Ватт представил следующее важное достижение в области пеленгации - высокочастотную систему пеленгации, или HF/DF, также прозванную «хафф-дафф». HF/DF также использовали перекрестные антенны, часто антенну Adcock . ^[7] но отправил свои выходные данные на два канала осциллографа . Относительные силы и фазы двух сигналов отклоняли координаты X и Y электронного луча осциллографа на разную величину, в результате чего на экране появлялся эллипс или восьмерка, длинная ось которой указывала направление сигнала. ^[8] Считывание было практически мгновенным и позволяло легко обнаруживать даже короткие передачи. HF/DF использовалась примерно в четверти всех успешных потоплений подводных лодок . ^[9]

Обе эти системы имеют недостатки. Система Беллини-Този по-прежнему имеет движущиеся части, хотя и небольшие, но имеет более серьезное ограничение: оператор должен искать сигнал, что может занять несколько минут. HF/DF обеспечивает прямую и немедленную индикацию направления сигнала, но только за счет необходимости использования осциллографа или аналогичной системы отображения с таким же быстрым временем отклика. Оба требуют двух близко согласованных приемников и усилителей и часто третьего для «чувствительной» антенны, если она используется. ^[10]

Эффект Доплера

Если разместить антенну на движущейся платформе, например на крыше грузовика, движение грузовика приведет к тому, что эффект Доплера сместит частоту сигнала вверх по мере его движения к сигналу или вниз по мере удаления. Когда грузовик движется под прямым углом к сигналу или вообще не движется, переключения передач не будет. ^[11] Если грузовик движется по круговой трассе, будут моменты, когда он приближается к сигналу, удаляется от него или движется под прямым углом. Это приведет к увеличению и уменьшению частотного сдвига целевого сигнала, создавая частотно-модулированный (FM) сигнал, известный как доплеровская синусоидальная волна . ^[12] FM-сигнал имеет ту же частоту, что и скорость вращения автомобиля. ^[11]^[13]

Величина сдвига является функцией длины волны сигнала и угловой скорости антенны:

С = .mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ r W / λ ⁠

Где $S$ — доплеровский сдвиг частоты (Гц), $r$ — радиус круга, $W$ — угловая скорость в радианах в секунду, $λ$ — целевая длина волны, а $c$ — скорость света в метрах в секунду. ^[13] Преобразование в более распространенные единицы:

Чтобы преобразовать Гц в радианы в секунду, умножьте это число на 6,28 (2π).

Чтобы перевести МГц в Гц, умножьте на один миллион.

Приблизительно скорость света равна

c = 300 \times 10. 6 ⁠ m / s ⁠

Устранение констант дает

⁠ 6.28 \times 10 6 / 300 \times 10 6 ⁠ = ⁠ 1 / 0.02093... ⁠ \approx 48

Такой, что:

С \approx ⁠ r F r F c / 48 ⁠

Где $F r$ — частота вращения в Гц, а $F c$ — заданная частота в МГц. ^[13]^[а]

Рассмотрим пример грузовика, ловящего FM-радиостанцию на частоте 101,5 МГц и движущегося по площадке шириной 100 метров (330 футов) (радиус 50 метров (160 футов)) со скоростью 25 километров в час (16 миль в час). Окружность площадки $2π \times 50 м$ или $314 м$ , а ее скорость $25 ⁠ km / h ⁠ = 25 \times 1000 ⁠ m / km ⁠ / 60 ⁠ h / min ⁠ / 60 ⁠ min / s ⁠ \approx 7 ⁠ м / с ⁠$ , то есть грузовик совершает один круг за $314/7 = 45 с$ . $F r$ Следовательно, 1 ⁄ 45 . Если учесть это в приведенной выше формуле, сдвиг частоты составит:

С = ⁠ 50 \times 0,0222... \times 101,8 / 48 ⁠ = 2,4 Гц

Эта величина сдвига частоты слишком мала, чтобы ее можно было точно измерить. Чтобы улучшить шансы обнаружения, $r \times W.$ необходимо увеличить По этой причине системы доплеровской пеленгации обычно устанавливают свои антенны на небольшом диске, который вращается с высокой скоростью с помощью электродвигателя. Выполнение того же расчета с использованием антенны, прикрепленной к диску диаметром 50 сантиметров (20 дюймов), вращающемуся с частотой 1000 Гц, дает:

С = ⁠ 0,25 \times 1000 \times 101,8 / 48 ⁠ = 530 Гц

Что легко обнаружить. Тем не менее, такая скорость вращения, 60 000 об/мин, требует высокоточных систем. Поскольку антеннам приходится двигаться с очень высокой скоростью, этот метод действительно полезен только для более высокочастотных сигналов, где антенны могут быть короче. ^[б] и более высокий $F c$ приносит больший дивиденд. ^[13]

Ранние примеры систем доплеровской пеленгации датируются как минимум 1941 годом. ^[14] и они использовались в Соединенном Королевстве для поиска немецких радаров раннего предупреждения , которые работали на частоте 250 МГц в диапазоне 1,25 метра . К 1943 году были доступны примеры, работавшие в диапазоне УВЧ, которые использовались для обнаружения немецких радаров Вюрцбурга, работающих на частоте 560 МГц. ^[15]

Существенным преимуществом этого метода является то, что для него требуется только один приемник, усилитель и соответствующий FM-демодулятор. Напротив, системы HF/DF и BT требуют двух точно согласованных приемников, по одному для каждой пары антенн и часто третьего для канала измерения. ^[7] Широкое гражданское использование этой техники началось только после появления практических схем квадратурного детектора и системы фазовой автоподстройки частоты , которые были представлены после войны, что значительно упростило прием FM-сигналов. Его использование примерно следует за распространением FM-радио , в котором также использовались эти методы. ^[11]

Псевдо-допплер

Для дальнейшего упрощения системы можно смоделировать движение антенны с помощью небольшого количества дополнительной электроники. Это псевдодоплеровский метод пеленгации. ^[16]

Рассмотрим пару всенаправленных антенн, принимающих сигнал от целевого передатчика. По мере распространения сигнала мимо приемника амплитуда сигнала на антеннах возрастает и падает. На больших расстояниях от передатчика, в « дальней зоне », волновые фронты можно считать параллельными. ^[17] Если две антенны расположены перпендикулярно цели, разность фаз между ними равна нулю, тогда как если они расположены параллельно линии, разность фаз будет зависеть от расстояния между ними и длины волны сигнала. ^[17]

В этом примере рассмотрим две антенны, расположенные длины целевой На расстоянии 1/4 волны друг от друга и параллельно ей. Если бы две антенны опрашивались мгновенно, разница фаз между ними всегда была бы одинаковой и составляла 90°. Но если вместо этого переключить вход с одной антенны на другую, всегда будет некоторая задержка, в течение которой сигнал продолжает проходить мимо двух антенн. В этом случае, если исходная выборка была взята, когда пик волнового фронта находился на ближней антенне, а затем система переключилась на дальнюю, то разность фаз будет не 90°, а несколько меньше, поскольку волновой фронт приблизился ко второй антенне. в течение этого времени. ^[13]

Теперь рассмотрим серию таких антенн, расположенных по окружности, и переключатель, который подключается к антеннам по очереди по часовой стрелке. Если целевой сигнал находится в положении полуночи, то фазовый сдвиг будет увеличиваться при движении переключения «вперед» между положениями семи и одиннадцати часов и уменьшаться при движении «в сторону», между часом и пятью. При переключении между антеннами, перпендикулярными линии сигнала, одиннадцать к одному и пять к семи, сдвиг будет постоянной величиной. ^[13]

Сигнал с антенн подается в один приемник, в результате чего формируется серия импульсов, амплитуда которых зависит от фазы в момент дискретизации. Затем этот сигнал сглаживается для получения синусоидальной волны. ^[18] Эта синусоидальная волна модулируется точно так же, как и в случае с одной движущейся антенной. В случае движущейся антенны частота смещается, поскольку антенна движется по волновому фронту при прохождении, тогда как в псевдодоплеровском случае это достигается путем синхронизации выборок для имитации движения одной антенны. Затем направление на целевой передатчик можно определить таким же образом, как и в случае с движущейся антенной, путем сравнения фазы этого сигнала с опорным сигналом. В этом случае опорным сигналом является тактовый сигнал, запускающий переключатель. ^[13]

Поскольку он не имеет движущихся частей и может быть построен с использованием простой электроники, метод псевдодопплера очень популярен. Хотя в современных системах измерение не так быстро, как при измерении системой HF/DF , оно настолько быстрое, что практическая разница между этими двумя методами незначительна. Псевдо-доплеровский режим имеет значительное преимущество в том, что антенная система намного проще, в ней используются несимметричные антенны , и если система коммутации расположена на антенне, к приемнику идет только один провод, и, следовательно, требуется только один усилитель. ^[16] Поскольку этот метод широко используется, его часто называют просто допплеровским DF, при этом слово «псевдо» добавляется редко. ^[13]

Основным недостатком метода является необходимость дополнительной обработки сигнала. Поскольку «движение» в псевдодоплеровском режиме происходит ступенчато, результирующий сигнал не такой плавный, как в случае с движущейся антенной. В результате получается сигнал со значительным количеством боковых полос , которые необходимо отфильтровать. Система переключения также вносит электронный шум, что еще больше сбивает с толку выходной сигнал. ^[19] Современная обработка сигналов может легко свести эти эффекты к незначительному. ^[16]

Примечания

^ Моелл был написан в 1978 году и использует дюймы для обозначения радиуса, в результате чего константа преобразования равна 1880. Для современных читателей она была преобразована в метры путем деления на ~ 39 дюймов / м.
^ По разным причинам радиоантенны должны быть примерно 1/2 принять . длины волны, которую они пытаются

Ссылки

Цитаты

^ «Псевдодоплеровский пеленгатор Аманда Ке, Мелисса Ли, Джимми Модсли» (PDF) .
^ Армия 1977 , с. 3.3.
^ Сэдлер 2010 , с. 4.
^ Йеанг 2013 , с. 188.
^ Моэлл 1987 , с. 28.
^ Армия 1977 , с. 3.17.
^ Jump up to: ^а ^б Сэдлер 2010 , с. 6.
^ Армия 1977 , с. 3.36.
^ Бауэр, Артур О. (27 декабря 2004 г.). «HF/DF: оружие союзников против немецких подводных лодок 1939–1945» (PDF) . п. 1 . Проверено 26 января 2008 г.
^ Сэдлер 2010 , стр. 5–6.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Армия 1977 , с. 3.26.
^ Моэлл 1987 , с. 123.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Моэлл 1987 , с. 121.
^ США, номер с истекшим номером 2414798 , Гораций Буденбом, «Пеленгатор», опубликовано 28 января 1947 г., передано Bell Labs.
^ Рембовский и др. 2009 , с. 21.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Сэдлер 2010 , с. 7.
^ Jump up to: ^а ^б Армия 1977 , с. 3.27.
^ Пуазель 2012 , с. 376.
^ Моэлл 1987 , с. 137.

Библиография

Сэдлер, Дэвид (25 февраля 2010 г.). ВЧ радиопеленгация (PDF) (Технический отчет). Исследование поместья Рок. Архивировано из оригинала (PDF) 9 августа 2017 года.
Моэлл, Джозеф (1987). Охота за передатчиками: упрощенная радиопеленгация . ТАБ Книги. ISBN 9780830627011 .
Радиопеленгация . Армия США. 1977.
Рембовский, Анатолий; Ашихмин, Александр; Козьмин Владимир; Смольский, Сергей (2009). Радиомониторинг: проблемы, методы и оборудование . Спрингер. ISBN 9780387981000 .
Пойзель, Ричард (2012). Антенные системы и средства радиоэлектронной борьбы . Артех Хаус. ISBN 9781608074846 .
Йанг, Чен-Пан (2013). Исследование неба радиоволнами . Издательство Чикагского университета. ISBN 9780226015194 .

[14] Моелл был написан в 1978 году и использует дюймы для обозначения радиуса, в результате чего константа преобразования равна 1880. Для современных читателей она была преобразована в метры путем деления на ~ 39 дюймов / м.

[15] По разным причинам радиоантенны должны быть примерно 1/2 принять . длины волны, которую они пытаются

[1] «Псевдодоплеровский пеленгатор Аманда Ке, Мелисса Ли, Джимми Модсли» (PDF) .

[FOOTNOTEArmy19773.3-2] Армия 1977 , с. 3.3.

[FOOTNOTESadler20104-3] Сэдлер 2010 , с. 4.

[FOOTNOTEYeang2013188-4] Йеанг 2013 , с. 188.

[FOOTNOTEMoell198728-5] Моэлл 1987 , с. 28.

[FOOTNOTEArmy19773.17-6] Армия 1977 , с. 3.17.

[FOOTNOTESadler20106-7] Jump up to: ^а ^б Сэдлер 2010 , с. 6.

[FOOTNOTEArmy19773.36-8] Армия 1977 , с. 3.36.

[9] Бауэр, Артур О. (27 декабря 2004 г.). «HF/DF: оружие союзников против немецких подводных лодок 1939–1945» (PDF) . п. 1 . Проверено 26 января 2008 г.

[FOOTNOTESadler20105–6-10] Сэдлер 2010 , стр. 5–6.

[FOOTNOTEArmy19773.26-11] Jump up to: ^а ^б ^с Армия 1977 , с. 3.26.

[FOOTNOTEMoell1987123-12] Моэлл 1987 , с. 123.

[FOOTNOTEMoell1987121-13] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Моэлл 1987 , с. 121.

[16] США, номер с истекшим номером 2414798 , Гораций Буденбом, «Пеленгатор», опубликовано 28 января 1947 г., передано Bell Labs.

[FOOTNOTERembovskyAshikhminKozminSmolskiy200921-17] Рембовский и др. 2009 , с. 21.

[FOOTNOTESadler20107-18] Jump up to: ^а ^б ^с Сэдлер 2010 , с. 7.

[FOOTNOTEArmy19773.27-19] Jump up to: ^а ^б Армия 1977 , с. 3.27.

[FOOTNOTEPoisel2012376-20] Пуазель 2012 , с. 376.

[FOOTNOTEMoell1987137-21] Моэлл 1987 , с. 137.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[а]

[б]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]