ГЛАВА 16 ЧАСТОТНЫЕ ДАЛЬНОМЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

§ 16.1. ЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Применение частотной модуляции (ЧМ) излучаемого сигнала позволяет создать дальномер с непрерывным излучением, обладающий высокой точностью и разрешающей способностью при измерении дальности. При этом сохраняется возможность измерения скорости движения объекта доплеровским методом.

Определение дальности частотным методом сводится к измерению изменения частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала до отражающего объекта и обратно. Если частота излучаемых колебаний изменяется непрерывно по линейному закону со скоростью , то приращение частоты излучаемых колебаний за время распространения сигнала составит . Измеряя разность частот излучаемых и принимаемых колебаний , определим дальность объекта:

Однако непрерывное изменение частоты по линейному закону практически неосуществимо и приходится применять Периодическую модуляцию частоты, что изменяет работу системы. Практически используют три вида модуляции: симметричную линейную (СЛЧМ), несимметричную линейную (НЛЧМ) и гармоническую (синусоидальную) (ГЧМ).

Рассмотрим работу частотного дальномера при использовании симметричной линейной модуляции. Структурная схема простейшего частотного дальномера представлена на рис. 16.1, а.

Рис. 16.1

Работу дальномера при неизменном расстоянии до объекта поясняет временная диаграмма на рис. 16.1,б. Верхний график характеризует изменение частоты излучаемых (сплошная линия) и принимаемых (пунктирная линия) колебаний, имеющих среднюю частоту , период модуляции и девиацию частоты . Нижний график воспроизводит изменение разностной частоты биений . При выполнении условия можно записать:

Выражение для не учитывает провалы кривой при . Фактически частотомер фиксирует среднюю частоту биений за период модуляции:

При выполнении условия . Следовательно,

Обычно в частотных системах измерения дальности одного объекта в качестве частотомера используют счетчик импульсов, который фиксирует число биений за период модуляции:

Дискретность отсчета , соответствующая изменению числа биений на единицу, может быть найдена из соотношения

Отсюда

где - модуляционная длина волны.

Одним из очевидных путей уменьшения постоянной погрешности является увеличение девиации частоты. Однако из-за ряда причин возможности увеличения ограничены, поэтому при необходимости устранения или радикального уменьшения постоянной погрешности применяют усложненные системы, например системы с двойной частотной модуляцией. Приведенное объяснение постоянной погрешности ЧМ системы измерения дальности наглядно, но из него можно сделать неправильный вывод, что ее причина в дискретности счетчика. На самом же деле причина появления ошибки заключается в дискретности спектра периодического сигнала, используемого в ЧМ-дальномерах. Спектр биений также дискретный со спектральными линиями, расположенными на шкале частот в точках . При измерении и будет зафиксирована частота , ближайшая к частоте биений , связанной с дальностью D формулой (16.2).

Таким образом, частота биений может измеряться с дискретностью , что в соответствии с формулой (16.2) определяет дискретность измерения дальности . Минимальная частота спектра биений, которая может быть зафиксирована анализатором спектра, равна частоте модуляции . Следовательно, минимальная дальность, измеряемая частотным дальномером,

Если в зоне облучения ЧМ-дальномера находится несколько объектов на разных дальностях, то каждому из них соответствует свой частотный спектр биений и для разрешения двух объектов необходимо разделять эти спектры, Так как ширина спектра сигнала ЧМ-дальномера примерно равна девиации частоты , то разрешаемое им расстояние

Это расстояние и характеризует разрешающую способность ЧМ-дальномера по дальности.

Таким образом, точность и разрешающая способность ЧМ-дальномера, а также минимальная дальность определяются девиацией частоты излучаемого сигнала, т. е. шириной его спектра.