§ 16.2. СОВМЕСТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ ОБЪЕКТА ЧАСТОТНЫМ МЕТОДОМ

Движение объекта приводит к появлению доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала , которое можно использовать для определения радиальной скорости объекта если измерить раздельно дальностное и скоростное приращения частоты.

Рассмотрим два возможных случая работы системы. В первом случае , т. е. дальностное приращение во всем диапазоне измеряемых дальностей и скоростей превышает скоростное (рис. 16.2, а). Результирующая частота биений

Если не учитывать относительно кратковременные провалы частоты биений, то среднее значение измеряемой частоты пропорционально дальности: , а скорость пропорциональна , где и высокая и низкая частоты биений.

Таким образом, для измерения D и необходимы два счетчика, фиксирующих дальность и скорость объекта.

При превышении критической скорости , соответствующей условию , картина меняется (рис. 16.2,б) и будут справедливы соотношения

Для однозначного измерения дальности и скорости объекта во всем заданном диапазоне дальностей и скоростей необходимо выбрать соответствующие значения и .

Рис. 16.2

В дальномерах стремятся получить высокую чувствительность по дальности и поэтому выбирают параметры системы так, чтобы выполнялось условие . Так как

то необходимо обеспечить

Следовательно, при заданной средней частоте излучения для получения однозначного измерения дальности и скорости увеличивают девиацию частоты и частоту модуляции FM, с тем чтобы вывести критическую скорость запределы измеряемого диапазона, и, наоборот, для получения однозначного измерения скорости выбирают . При этом можно получить и высокую чувствительность системы по скорости: . Дискретность измерения частоты не единственная причина, ограничивающая точность измерения дальности частотным методом. Из формулы (16.1) следует, что погрешность в измерении частоты биений , а также отклонения девиации частоты и частоты модуляции вызывают соответствующие погрешности в измерении дальности

При определении результирующей погрешности системы должны быть учтены и другие причины, влияющие на точность измерения. Так, частотная модуляция обычно сопровождается паразитной амплитудной модуляцией, которая приводит к искажению огибающей биений.

При этом в спектре биений появляются паразитные составляющие которые могут вызвать дополнительные погрешности и даже нарушить работу дальномера на предельных дальностях, когда отраженный сигнал мал. Для уменьшения паразитной амплитудной модуляции стремятся обеспечить равномерную частотную характеристику высокочастотного тракта в заданной полосе. Решение этой задачи усложняется при увеличении отношения .

Возникает также вопрос о влиянии нелинейности закона модуляции частоты на работу дальномера. Исследования показывают, что при измерении дальности и скорости одного объекта основные соотношения, полученные для линейной модуляции, справедливы для всех законов изменения частоты, при которых кривые изменения частоты и имеют не более одного пересечения на каждый полупериод модуляции. Однако при измерении дальности многих объектов необходим линейный закон модуляции, выдерживаемый достаточно строго (см. § 16.3).

Линейный закон нужен и при автоматическом сопровождении одиночного объекта по дальности, которое в ЧМ-дальномерах сводится к автоматическому удержанию частоты биений в полосе пропускания узкополосного фильтра. Автоматическое сопровождение позволяет сделать систему узкополосной. Это снижает влияние помех по сравнению с неперестраиваемым усилителем с полосой пропускания, охватывающей весь диапазон возможных частот биений, тогда как в каждый момент времени спектр биений занимает лишь небольшую часть полосы.

Одну из распространенных схем автоматического сопровождения по дальности применяют при сравнительно медленном изменении расстояния, например в ЧМ-высотомере при выполнении условия . В обычную схему частотного дальномера вводят блок управления, изменяющий или так, чтобы частота биений поддерживалась равной частоте настройки усилителя биений при изменении дальности D в заданном диапазоне:

(16.7)

При этом напряжение, пропорциональное дальности , снимается с блока управления. Находят примененйе и другие варианты схем автосопровождения. В одном из них осуществляют автоподстройку гетеродина, что имеет преимущества, поскольку система автосопровождения охватывает лишь приемную часть системы.

Рис. 16.3

При использовании следящего гетеродина, частота которого изменяется так, что разность остается постоянной, усиление сигнала в приемнике ЧМ-дальномера переносится, на промежуточную частоту . Это позволяет избавиться от воздействия низкочастотных помех, вызванных, например, вибрациями, которые испытывает аппаратура при размещении на движущемся объекте. Для измерения дальности и скорости одиночного объекта в этом случае можно использовать частотный дискриминатор, настроенный на . Постоянная составляющая напряжения на выходе дискриминатора пропорциональна , а составляющая на частоте модуляции — . Таким образом, с помощью фильтра нижних частот и фильтра, настроенного на частоту , можно выделить напряжения, пропорциональные и D объекта. При этом устраняется дискретность отсчета дальности и появляется возможность измерения малых дальностей, чему мешало воздействие низкочастотных помех при непосредственном усилении на низкой частоте в простейшей схеме ЧМ-дальномера.