10.2. Частотные радиодальномеры

Принцип действия частотного РД. Получение зависимости частоты преобразованного сигнала (сигнала «биений» отраженного и зондирующего сигналов) от основано на использовании модулированных по частоте зондирующих сигналов. При линейном законе ЧМ (рис. 10.4, а) из-за запаздывания отраженного сигнала на время мгновенная разность излучаемой и принимаемой частот сигналов На практике применяют периодические законы ЧМ

(рис. 10.4, б-г), так как передатчики и приемники имеют ограниченный диапазон перестройки частоты.

Рис. 10.4. Законы изменения частоты в частотном методе дальнометрии: а - монотонный, б, в, г - периодические

В простейшем частотном РД (рис. 10.5, а) звуковой генератор задает частоту модуляции и вместе с частотным модулятором формирует ЧМ-сигнал, частота которого изменяется по симметричному пилообразному закону с девиацией частоты Модулированные по частоте колебания ГРЧ на несущей частоте (рис. 10.5, б) излучаются антенной . В результате запаздывания отраженного сигнала на на выходе балансного смесителя (БС) возникают биения с частотой Сигнал биений усиливается и подается на измеритель частоты

Зависимость частоты биений от дальности может быть получена из рис. 10.6, соответствующего участку графика на рис. 10.5, б. Из треугольников и следует, что откуда

Основное уравнение частотного радиодальномера имеет вид

где масштабный коэффициент.

Рис. 10.5. Структурная схема частотного радиодальномера (а) и графики изменения частоты в различных точках РД (б)

Частоту модуляции выбирают из условия однозначности отсчета дальности в пределах заданной дистанции При периодических законах модуляции (симметричная пила на рис. получаем

Кроме того, измеряют или поэтому для того, чтобы незначительно отличалась от определяемой (10.3), в частотных дальномерах выбирают При этом соотношение (10.5) всегда выполняется.

Рис. 10.6. Изменение частоты излучаемого и принимаемого сигналов за период модуляции

Особенностью частотных РД является дискретный характер зависимости измеренной дальности от фактической (рис. 10.7), что вызывается периодичностью закона а также периодичностью смены фазовых соотношений сигналов их и на входе смесителя. Поэтому спектр сигнала биений содержит частотные компоненты, только кратные частоте модуляции, причем характер нарастания частоты биений зависит от взаимного расположения векторов сигналов Дискрет по дальности можно найти из выражения как наименьшая частота биений то минимальное измеряемое расстояние

При увеличении в спектре периодического сигнала биений последовательно появляются частоты и т.д., поэтому частота биений изменяется каждый раз на а дальность - на Дополнительные скачки на обусловлены изменением фазовых соотношений принятого и опорного сигналов.

Рис. 10.7. Зависимость измеренной частотным радиодальномером дальности от фактической дальности

Разрешающая способность частотного РД. Если необходимо разрешать цели по дальности или измерять дальность до всех целей,

расположенных на дистанции, то в качестве измерителя частоты используют анализатор спектра. В этом случае на выходе смесителя и усилителя низкой частоты присутствуют сигналы биений всех целей (биения "отраженный сигнал опорный сигнал ) и сигналы биений на комбинационных частотах (биения "отраженный сигнал отраженный сигнал

где отраженный сигнал от цели; опорный сигнал.

Поскольку то и двойной суммой можно пренебречь. В результате на вход анализатора поступает столько биений частоты сколько целей находится на дистанции.

При использовании параллельного анализатора спектра (рис. 10.8,а и б) получаем многоканальную систему с числом каналов, равным числу элементов разрешения: Время анализа определяется инерционностью фильтров: где полоса пропускания фильтра; разрешающая способность по частоте биений.

При последовательном анализе спектра (рис. 10.8, в, г) аппаратура существенно упрощается, но возрастает время анализа, так как последовательный просмотр дистанции путем перестройки фильтра может выполняться со скоростью при которой за время установления процесса на выходе фильтра туст частота настройки фильтра изменится не более, чем на т.е. Поскольку то

Рис. 10.8. Структурные схемы и идеализированные частотные характеристики фильтров - анализаторов спектра сигналов в частотном РД

Обычно в анализаторах спектра избегают изменения АЧХ фильтра при перестройке и меняют частоту подаваемого на него сигнала с помощью преобразователя частоты (рис. 10.9). Такого же эффекта можно добиться и без преобразователя с помощью дополнительной вобуляции частоты модуляции или девиации частоты

Разрешающая способность частотных РД характеризуется дискретным характером отсчетов дальности, т.е. скачками разрешающей способностью анализатора спектра. Чтобы спектральные компоненты двух целей не попали в полосу прозрачности фильтра анализатора, необходимо выполнение условия Отсюда с учетом (10.4) получаем

Однако улучшение за счет уменьшения ограничено дискретностью измерения дальности и, следовательно, не может быть меньше

Таким образом, разрешающая способность частотного РД тем выше, чем больше девиация частоты, т.е. чем шире спектр зондирующего сигнала.

Рис. 10.9. Структурная схема приемной части частотного РД с последовательным анализатором спектра

Рис. 10.10. Структурная схема частотного радиодальномера (а) и изменения частоты сигналов при вобуляции частоты модуляции (б) и девиации частоты (в)

Точность измерения дальности. На основании (10.4) и в предположении случайного характера и независимости составляющих суммарной погрешности получаем

В частотных РД принимают меры для поддержания стабилизируя величины и Тогда и для уменьшения а и стремятся увеличить частоту модуляции и девиацию частоты а для неискаженной передачи закона ЧМ переходят на несущие частоты Погрешность измерения частоты биений можно оценить как (см. гл. 9)

где коэффициент, учитывающий отличие схемы РД от оптимальной и зависящий от типа измерителя; отношение сигнал/шум по мощности на входе измерителя частоты; среднеквадратическая длительность сигнала.

Если то что справедливо для оптимальной обработки сигнала с неизвестным временем прихода, случайной начальной фазой и флуктуирующей амплитудой. При этом потенциальная точность частотного радиодальномера характеризуется погрешностью

На точность дальнометрии может также влиять дискретность отсчета с дискретом что имеет значение, однако, только при точечной цели. В этом случае для уменьшения влияния дискретности отсчета можно использовать модуляцию частоты зондирующего сигнала одновременно несколькими частотами.

Наконец, при относительном движении цели со скоростью V, появляется доплеровский сдвиг частоты который может внести погрешность в измерение дальности. Для учета этой погрешности используют симметричные законы ЧМ и раздельную обработку сигнала в двух половинах периода модуляции (рис. 10.11). Тогда на первой половине периода частоты модуляции а на второй откуда

частоты, пропорциональные дальности и скорости.

Принцип действия следящего частотного РД. Для автоматического сопровождения целей по дальности в частотных РД применяют системы автоподстройки частоты (АПЧ). В соответствующем частотном РД (рис. 10.12) сигнал биений с балансного смесителя (БС) после фильтрации поступает на частотный дискриминатор. Сигнал ошибки, пропорциональный отклонению от точки перехода через нуль дискриминационной характеристики, после интегрирования в экстраполяторе подается на управляемый генератор и изменяет до тех пор, пока не наступит равенство . В этот момент и по значению можно судить о дальности до цели.

В заключение следует отметить, что частотные РД часто используют в качестве радиовысотомеров малых частот на различных ЛА.

Рис. 10.11. Влияние эффекта Доплера на частоты сигналов в частотном РД

Рис. 10.12. Структурная схема следящего частотного радиодальномера

Принцип действия частотного РД с цифровым анализом спектра. Измерение дальности в таких РД основано на дискретном преобразовании Фурье с помощью которого можно реализовать параллельный анализатор спектра, подобный показанному на рис. 10.8, а. Из анализируемого сигнала предварительно формируются квадратурные сигналы, которые затем подвергаются аналого-цифровому преобразованию. Число выборок каждого из квадратурных сигналов должно быть достаточным для однозначного представления исследуемого сигнала. Например, при частотно-модулированном сигнале с постоянной амплитудой число отсчетов фазы сигнала длительностью должно составлять где ширина спектра сигнала, а интервал дискретизации, причем

При использовании алгоритма -точечного ДПФ анализатор спектра состоит из гребенки узкополосных фильтров с центральными частотами где частота дискретизации сигнала; полоса пропускания каждого фильтра порядка

Обнаружение и оценку частоты сигнала производят по номеру канала ДПФ, в котором накопленный сигнал превысил порог обнаружения. Для вычисления коэффициентов ДПФ применяют алгоритмы дискретного или быстрого преобразования Фурье, что позволяет анализировать спектр в реальном масштабе времени. Структурная схема анализатора спектра подобна приведенной на рис. 10.8.