Фазовый и частотный методы измерения дальности (стр. 2 из 3)

Ясно, что чем уже полоса пропускания фильтра ΔFф, тем выше разрешающая способность по дальности и тем меньше возможные расхождения между истиной и указываемой индикатором дальностью цели. Этому же способствует увеличение частоты модуляции и девиации частоты.

Сказанное подтверждается формулами среднеквадратической ошибки σд и потенциальной разрешающей способности ΔДmin п частотного дальномера:

(6)

(7)

Функциональная схема многоканального параллельного спектроанализатора

Рис.4

2.Фазовые методы дальнометрии.

Общие сведения. Измерение дальности фазовыми методами заключается в измерении приращения фазы гармонического колебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала:

Δφ=Ωмtд=2πFм·Д/с=4πД/λм (8)

Частота Fм и длина волны λм=с/Fм называются масштабными потому, что от них зависит масштаб шкалы дальности, т.е. коэффициент пропорциональности между измеряемым фазовым сдвигом Δφ и дальностью цели Д.

Через фазовые интервалы Δφ=2π гармоническое колебание, а с ним и показания фазометра повторяются. Отсюда согласно формуле (8) максимальный предел однозначно измеряемой дальности

Додн=λм/2 (9)

Наиболее простым по устройству был бы фазовый радиодальномер с излучением колебаний только одной – несущей частоты fо. Но тогда масштабная частота Fм=fо и длина волны λм=λо=с/fо, а так как РЛС обычно работают на УКВ, то это ограничило бы однозначно измеряемую дальность несколькими метрами (Додн= λм/2).

Вместе с тем масштабная частота влияет на точность определения дальности. Действительно, из формулы (9) дальность Д=сΔφ/4πFм=λмΔφ/4π, и если фазометр измеряет Δφ со среднеквадратической ошибкой σΔφ, то дальность определяется со среднеквадратической ошибкой

σд =сσΔφ/4πFм=λмσΔφ/4π (10)

Шумы препятствуют точному определению фазового сдвига и увеличением отношения сигнал/шум qо ошибка σΔφп уменьшается: σΔφп=1/

[рад]. С учетом этого из формулы (10) находим потенциальную среднеквадратическую ошибку измерения дальности фазовыми методами:

σдп=сσΔφп/4πFм=с/4πFм

=λм/4π (11)

Как видно, всем фазовым дальномерам присуще противоречие: увеличение масштабной частоты способствует повышению точности измерений, но уменьшает предел однозначно измеряемой дальности. Рассмотрим, как разрешается это противоречие в двух применяемых на практике фазовых методах.

Фазовый радиодальномер с модуляцией несущей. Передающая антенна излучает радиоволны несущей частоты fо, модулированные по амплитуде гармоническими колебаниями низкой частоты F, а сравнение фаз излучаемого и отраженного сигналов производится на частоте огибающей Fм этих сигналов. Пропорционально уменьшению масштабной частоты от fо до Fм=F (увеличению масштабной длины волны λм=с/F) возрастает однозначно измеряемая дальность Додн. Например, при частоте модуляции F=300 Гц длина волны λм=3·10

/300=10 м и Додн=λм/2=10 /2=5·10 м=500 км.

В передатчике дальномера (Рис.5,6) колебания генератора высокой частоты модулируются по амплитуде колебаниями генератора масштабной частоты. Отраженные от цели АМ колебания усиливаются и демодулируются амплитудным детектором. Следовательно, выходное напряжение приемника uпрм имеет частоту, равную масштабной Ωм=2πFм, но отличается по фазе от напряжения uм на Ωмtд. Этот фазовый сдвиг измеряется фазометром.

На функциональной схеме показан неследящий измеритель фазы с дискретным счетом дальности. Измерение сводится к счету числа эталонных импульсов Nэт, генерируемых за время запаздывания сигнала tд. Очевидно, что период следования этих импульсов Тэт должен быть строго стабильным и существенно меньше запаздывания сигнала tд даже при минимальной дальности цели.

Сравниваемые по фазе синусоидальные напряжения uм и uпрм преобразуются амплитудными ограничителями в прямоугольные колебания uом и uопрм, которые затем перемножаются, чтобы получить колебания отрицательной полярности в течение времени tд и положительной полярности в остальную часть полупериода модуляции. Каскад совпадения имеет два входа: на один от генератора отрицательных эталонных импульсов поступают колебания uэт, а на другой от перемножителя-колебания uом и uопрм. Так как те и другие совпадают по знаку только в интервалы времени tд, то эталонные импульсы uэт проходят к счетчику пачками Nэт=tд/Tэт и цифровой счетчик указывает дальность цели пропорционально числу Nэт:

Д=ctд/2=сNэтТэт/2=сNэт/2Fэт. (12)

Ошибка дискретности измерителя соответствует периоду эталонных импульсов:

ΔДдкр=

сТэт/2= с/2Fэт (13)

Увеличение частоты Fэт уменьшает ошибку ΔДдкр, но усложняет реализацию счета импульсов. При Fэт=10

Гц имеем ΔДдкр= 3·10 /2·10 = 15 м.

Функциональная схема фазового дальномера с модуляцией несущей

Рис.5

Временные диаграммы напряжений фазового дальномера

с модуляцией несущей

Рис.6

Противоречие в выборе масштабной частоты разрешают применение многошкального отсчета: подобно измерению времени с помощью часовой, минутной и секундной стрелок часов, дальность определяют одновременно

или последовательно с помощью грубой шкалы, соответствующей самой

низкой модулирующей частоте Fм1, и более точной шкалы, соответствующей масштабной частоте Fм2, которая кратна Fм1, и если требуется – по еще более точным шкалам, проградуированным для более высоких масштабных частот Fм= Fм3, Fм4, ….

Частоту Fм1 выбирают исходя из заданной максимально измеряемой дальности, а самую большую масштабную частоту – согласно требуемой точности измерений. При этом число шкал должно быть таким, чтобы при пересчете данной ошибки на ближайшую точную шкалу максимальная фазовая ошибка шкалы не превысила 2π.

Двухчастотные фазовые дальномеры. В этих дальномерах масштабная частота образуется в результате биений синусоидальных колебаний двух несущих частот f1,f2, которые генерируются с начальными фазами ψ01,ψ02 в передатчике (Рис.7) . Колебания следуют через сумматор в передающую антенну и, кроме того, в смеситель I – в качестве опорных сигналов. На выходе этого смесителя получаются колебания разностной частоты Δf=f1-f2 c фазой

ψ1=(2πf1-2πf2)t+(ψ01-ψ02)=2πΔft+(ψ01-ψ02) (14)

Отраженные от цели сигналы улавливаются приемной антенной, разветвляются по частотам f1,f2, проходят через усилители-ограничители и преобразуются смесителем II в колебания разностной частоты f1-f2. Частоты f1,f2 выбираются близкими друг другу и для них фазовые сдвиги, обусловленные отражением волн от цели и задержкой в РЛС, можно считать одинаковыми. На выходе смесителя II эти сдвиги полностью вычитаются и с учетом времени запаздывания сигнала tд=2Д/с фазовый угол выходного напряжения

ψ11=(2πf1-2πf2)(t-2Д/c)+(ψ01-ψ02)=πΔf(t-2Д/c)+ (ψ01-ψ02) (15)

Фазометр измеряет разность фаз ψ1,ψ11, выраженных формулами (14),(15), и определяет дальность цели согласно выражению

Δψ= ψ1-ψ11=2πΔf(t-t+2Д/c)+(ψ01-ψ02)- (ψ01-ψ02)=4πΔfД/c=4πД/Δλ (16)

Легко заметить, что фазометр двухчастотного дальномера не реагирует на сдвиг по фазе, вызванный отражением волн от цели, и позволяет получить требуемый диапазон однозначного измерения дальности за счет малой разности длин волн Δλ=c/Δf, которая играет роль масштабной длины волны: λм=Δλ. Соответственно масштабная частота Fм=Δf.

Функциональная схема двухчастотного фазового радиодальномера

Рис.7