§ 17.3. ПОСТРОЕНИЕ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВЕКТОРА СКОРОСТИ

Построение доплеровских измерителей в значительной степени зависит от выбранного режима излучения. Применяются системы непрерывного излучения без модуляции или с частотной модуляцией, а также системы с импульсным излучением малой (квазинепрерывные) и большой скважности.

Рис. 17.8

Основным достоинством системы непрерывного излучения без модуляции является сосредоточенность спектра отраженного сигнала в пределах одной полосы частот, что обеспечивает наиболее полное испльзование энергии сигнала, а также сравнительно простое устройство передатчика, приемника и индикатора.

На рис. 17.8 представлена структурная схема простейшего трехлучевого самолетного ДИСС с непрерывным излучением, неподвижной антенной системой и непосредственным преобразованием отраженных сигналов на низкую частоту.

Генератор высокой частоты (ГВЧ) клистронного или полупроводншсового типа генерирует колебания с частотой необходимой мощности, поступающие через делитель мощности на три излучателя передающей антенны, которая формирует три луча, направленных под заданными углами и 0 вниз и в стороны относительно оси антенной системы, совпадающей с осью самолета.

Отраженные сигналы со средними частотами , (), принятые по каждому из трех лучей приемной антенны, поступают на три идентичных приемоизмерительных канала. На вход каждого канала проникают также колебания от ГВЧ на частоте , которые выполняют функции опорных в балансных смесителях на входе каждого канала. На выходах балансных смесителей выделяются низкочастотные колебания доплеровского спектра, которые после усиления УНЧ в каждом канале поступают на измеритель частоты. Ширина полосы УНЧ выбирается исходя из возможного диапазона доплеровских частот. Заметим, что при таком преобразовании частоты теряется знак доплеровского смещения, что несущественно для самолетных ДИСС.

Измеритель частоты в каждом канале измеряет среднюю частоту доплеровского спектра, а вычислительное устройство на основе уравнений, рассмотренных в § 17.2, вычисляет путевую скорость W и угол сноса , которые затем регистрируются индикатором, а также применяются для определения координат самолета методом счисления пути (интегрированием скорости).

Для измерения средней доплеровской частоты можно использовать счетчик числа пересечений нулевого уровня напряжением НЧ (счетчик числа «нулей»), автокоррелятор, измеряющий время корреляции, обратно пропорциональное средней частоте, или частотный дискриминатор. Во всех трех случаях получают почти одинаковые погрешности. Практически легче осуществить счетчик «нулей», а точнее, счетчик числа импульсов, сформированных схемой ограничения и дифференцирования, в точках пересечения нулевого уровня напряжением на выходе УНЧ.

Более высокую чувствительность имеет ДИСС, в котором основное усиление осуществляется на промежуточной частоте после первого преобразования частоты смешением сигнала с колебаниями гетеродина на частоте , причем постоянство поддерживается с помощью АПЧ гетеродина.

Важно также формирование колебаний с частотой с помощью генератора опорной частоты (ГОЧ) и балансного модулятора, в котором колебания ГВЧ и ГОЧ смешиваются и после фильтрации верхней боковой частоты подаются на балансный смеситель.

Рис. 17.9

На выходе УПЧ в такой схеме (рис. 17.9) включен синхронный детектор, обеспечивающий лучшее отношение сигнал/шум при выделении доплеровских частот. В остальном рассматриваемая схема ДИСС аналогична предыдущей.

В вертолетных ДИСС необходимо определять знак доплеровского приращения частоты, теряемый в предыдущих схемах. Для этого в приемниках таких ДИСС вместо синхронного детектора применяется квадратурный смеситель, содержащий два синхронных детектора, на которые подается сигнал на высокой или промежуточной частоте с сохранением знака доплеровского смещения

и опорные напряжения той же частоты, но со сдвигом на и . На выходах такого смесителя выделяются колебания частотой , фаза которых отличается на , причем — соответствует положительному, а — отрицательному знаку . Информацию о знаке получают с помощью простой импульсной схемы, на которую подаются напряжения с выходов квадратурного смесителя.

Недостатком ДИСС с непрерывным излучением является трудность устранения просачивающегося на вход приемника сигнала передатчика. Этот сигнал обычно модулирован по амплитуде и фазе шумовым напряжением. Он может во много раз превышать не только собственные шумы приемника, но и принимаемые сигналы, что ведет к снижению чувствительности приемника.

Для уменьшения влияния просочившихся сигналов в ДИСС используется частотная или импульсная модуляция излучаемых колебаний. Проще всего осуществить развязку приемного и передающего каналов для импульсного режима излучения, при котором на время излучения импульса приемник запирается. Однако при этом появляются «слепые высоты», т. е. ДИСС оказывается неработоспособным на высотах , на которых время задержки отраженных сигналов кратно периоду повторения импульсов :

(17.13)

где .

Обычно выбирают и условие (17.13) справедливо лишь для малых высот, где отраженный сигнал обеспечивает большое отношение сигнал/помеха, что и используется в непрерывно-импульсных ДИСС при работе на малых высотах без блокирования приемного канала.

Однако наибольшее практическое применение находят импульсные ДИСС, работающие в автокогерентном режиме, при котором поочередно взаимодействуют доплеровские спектры противоположно направленных лучей (первого и третьего, второго и четвертого). Передающее устройство таких ДИСС (рис. 17.10) генерирует высокочастотные импульсы длительностью с частотой повторения и несущей .

Высокочастотный коммутатор с частотой коммутации (несколько герц) поочередно подключает к передатчику соответствующие пары антенн. На время излучения приемник запирается переключателем прием-передача, управляемым импульсами от модулятора.

Отраженные сигналы соответствующих пар лучей через коммутатор лучей и переключатель прием-передача поступают на смеситель сигнала, затем усиливаются на промежуточной частоте и детектируются. На выходе детектора поочередно выделяется спектр разностных частот или в соответствии с (17.11) и (17.12). Этот спектр и используется дальше для определения путевой скорости W и угла сноса .

Такой метод выделения доплеровской информации в виде разностной частоты двух одновременно приходящих отраженных сигналов не требует опорного сигнала, поэтому и получил название автокогерентного приема или приема с внешней когерентностью. Сигнал, пропорциональный разности частот , позволяет управлять поворотом антенны в горизонтальной плоскости. При продольная ось антенны совмещается с вектором W, угол между осью антенны и осью самолета равен . Этот угол с помощью датчика передается на индикатор .

К сожалению, крен самолета ведет к неодновременному приходу сигналов пар лучей, что нарушает работу ДИСС. Поэтому в автокогерентных ДИСС осуществляют стабилизацию антенны в горизонтальной плоскости. Однако при этом не устраняются нарушения работы ДИСС в условиях сильно пересеченной местности, когда задержки сигналов противоположных лучей настолько отличаются, что отраженные сигналы не перекрываются и разностные биения не образуются. На практике такие условия создаются сравнительно редко.

Рис. 17.10

Следует отметить, что в ДИСС с автокогерентным приемом могут использоваться генераторы с невысокой стабильностью частоты, поскольку при приеме взаимодействуют одновременно приходящие отраженные сигналы, на которых частотные и фазовые нестабильности передатчика сказываются в равной степени и при вычитании спектров компенсируются.

Широкое применение находят ДИСС с ЧМ, поскольку частотная модуляция, сохраняя преимущества режима непрерывного излучения, позволяет радикально снизить влияние шумовой составляющей просачивающегося на вход приемника излучаемого сигнала, так как благодаря ЧМ спектр отраженного сигнала сдвигается пропорционально его задержке. При этом, так же как и в импульсных ДИСС, возможна работа с одной антенной для передачи и приема с разделением каналов с помощью невзаимных ферритовых устройств.

В ДИСС с ЧМ выбором соответствующей гармоники частоты модуляции принимаемого сигнала можно обеспечить необходимое подавление просочившегося сигнала передатчика. Выделение требуемой гармоники обеспечивается настройкой фильтров УПЧ на частоту . В остальном схема ДИСС с ЧМ принципиально не отличается от схемы ДИСС без модуляции несущей.

Применение ЧМ позволяет с помощью ДИСС измерять не только составляющие скорости, но и наклонные дальности до подстилающей поверхности по каждому из трех лучей антенны, на основании которых можно вычислить высоту полета ЛА, а также углы крена и тангажа.

Для определения расстояний в таких ДИСС измеряется фазовый сдвиг принимаемого сигнала, пропорциональный временной задержке сигнала, непосредственно связанной с расстоянием. На рис. 17.11 показана упрощенная структурная схема такого комбинированного измерителя. Излучение и прием осуществляются в измерителе трехлучевыми антеннами, причем обработка отраженных сигналов производится одновременно в трех одинаковых каналах приемника. Генератор высокой частоты (ГВЧ) модулируется по частоте по гармоническому закону с частотой модуляции . При девиации частоты и средней частоте генератора напряжение излучаемого сигнала можно записать в виде

(17.14)

Рис. 17.11

Отраженные сигналы в каждом канале поступают на балансный смеситель, гетеродинный сигнал которого, имеющий частоту формируется путем выделения верхней боковой частоты на выходе балансного модулятора, осуществляющего смешение сигналов ГВЧ и генератора опорной частоты .

На выходе смесителя УПЧ выделяет из сложного спектра преобразованного сигнала составляющую соответствующую гармонике частоты модуляции, имеющей доплеровское смещение частоты .

С выхода УПЧ сигнал поступает на квадратурный смеситель, который при смешении с опорным напряжением частоты , формируемым вторым смесителем, выделяет доплеровское смещение с сохранением знака, определяемого схемой преобразования. Доплеровские смещения всех трех каналов используются для вычисления значений W и .

В канале измерения дальности сигнал на частоте выделяется первым смесителем и полосовым УПЧ, на выходе которого напряжение подвергается квадратичному преобразованию. В результате преобразования получается напряжение, которое содержит составляющую на частоте с фазой , не зависимой от доплеровских флуктуаций и пропорциональной дальности Д до отражающей поверхности по лучу. Измерив фазометром фазовый сдвиг на частоте , можно найти в каждом из трех каналов, а затем с помощью вычислителя рассчитать высоту Н и углы крена и тангажа ЛA. Такой комбинированный измеритель очень удобен для вертолетов и космических аппаратов с мягкой посадкой.