Методи вимірювання дальності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи вимірювання дальності

Вимірювання дальності до об'єкта є одним з обов'язкових елементів вирішення головного радіонавігаційного завдання. Фізичною підставою виміру дальності є фіксація часу поширення радіосигналу між цілю та радіолокаційною станцією [4].

1. Імпульсний метод

Це один з амплітудних методів радіолокаційних вимірів: для його реалізації незатухаючі коливання несучої частоти піддаються в передавачі амплітудно-імпульсної модуляції.

Функціональна схема вимірювача дальності представлена на рисунку 1, а часові діаграми - на рисунку 2. Синхронізатор РЛС створює імпульси зі строго стабільним періодом проходження. Цими імпульсами одночасно запускаються передавач і генератор розгортки, напруга якого подається на горизонтально відхиляють ЕПТ.

Рисунок 1. Функціональна схема імпульсного вимірювача дальності

Радіоімпульси передавача мають ту ж частоту прямування, що і синхронізуючі імпульси U1. Антенний перемикач спрямовує зондувальні імпульси в антену і закриває вхід приймача на час передачі. Після відбиття від цілі утворюються радіолокаційні імпульси U3, які приймаються тієї ж антеною. Внаслідок недосконалості антенного перемикача на вхід приймача проникає мала частка високочастотної енергії передавача, яка служить опорним сигналом для відліку дальності. Всі ці радіоімпульси підсилюються і детиктуються в приймачі, в результаті чого виходять відеоімпульси U4. Прикладені до вертикально відхиляючі пластини ЕПТ, вони викликають вертикальне відхилення світлової плями на екрані трубки. Місце відхилення залежить від напруги розгортки U5 в даний момент часу t.

Рисунок 2. Тимчасові діаграмиапруги в імпульсному радіолокаційному вимірювачі дальності

Напруга U5 пилкоподібна, воно наростає з постійною швидкістю під час прямого ходу розгортки і швидко зменшується до вихідної величини під час зворотного ходу розгортки; далі йде інтервал спокою аж до початку чергового циклу розгортки. У зв'язку з запізненням на час tд відбитого сигналу відмітка його зміщена від початку розгортки на відстань

Основні показники імпульсного методу:

* Потенційна роздільна здатність по дальності визначається з тих міркувань, що при зближенні цілей, їх імпульси розрізняються доти, поки різниця часу запізнювання не скоротиться до тривалості одного імпульсу. Ця межа відповідає відстані між цілями

* Межа однозначного відліку дальності. Кожна РЛС у відповідності зі своїм енергетичним потенціалом має максимальну дальність дії Дмакс. Необхідно, щоб період проходження імпульсів Тс був більше, ніж tдмакс. Якщо ця умова не дотримується, то сигнал, відбитий від досить віддаленої цілі, приймається після випромінювання чергового зондуючого імпульсу 0 і відлік дальності стає неоднозначним. Таким чином, однозначний відлік дальності обмежується періодом Тс.

* Потенційна точність виміру дальності виражається формулою, справедливою для всіх методів вимірювання дальності:

Гідність імпульсного методу вимірювання дальності в тому, що при порівняно простій апаратурі, дозволяє одночасно вимірювати дальність багатьох об'єктів.

До недоліків методу відносяться неможливість вимірювання малих дальностей, цей недолік пояснюється тим, що під час випромінювання зондуючого сигналу приймач замкнений. Даний метод не забезпечує вимірювання радіальної швидкості мети [1].

2. Частотний метод

Визначення дальності до цілі при використанні частотної модуляції (ЧМ) засновано на вимірі збільшення частоти передавача за час поширення сигналу до цілі і назад. Якщо припустити, що частота передавача може змінюватися за лінійним законом, то зміна частоти відбитого сигналу буде запізнюватися на час tз = 2D / c. В результаті змішування цих коливань утворюються биття, огинаюча яких є чисто гармонійним коливанням, тобто її спектр складається з однієї спектральної лінії. Величина приросту частоти (частота биття) дорівнює

На практиці використовуються різні види періодичної модуляції частоти, наприклад: симетричний і несиметричний пилкоподібні закони, синусоїдальний закон.

Розглянемо випадок симетричного пилкоподібного закону ЧМ. Структурна схема такої РЛС (вимірювача дальності) наведена на рисунку 3:

Рисунок 3. Функціональна схема частотного вимірювача дальності

Сигнал передавача потрапляє на вхід приймача (в змішувач) через антену або за спеціальною лінії передачі. Відбитий сигнал від нерухомій цілі, також потрапляє на вхід приймача, запізнюється на час tз. В результаті змішування (додавання) двох коливань на вході приймача утворюються биття.

Миттєва частота биття дорівнює абсолютному значенню різниці миттєвих значень частот випромінюваного і відбитого сигналів, хоча формально можна враховувати знак частоти. Сказане ілюструється рисунком 4. Частоту биття, яка протягом більшої частини періоду модуляції залишається постійною, називається основною. Її значення дорівнює

Невеликі відрізки часу, рівні часу запізнювання tз, протягом яких частота не залишається постійною, називають зонами звернення. У середніх точках цих зон функція проходить через нуль. Вплив зон звернення тим менше, чим краще виконується нерівність TМ >> tз.

Рисунок 4. Тимчасові діаграми процесів в частотному вимірювачі дальності

Після детектування в змішувачі виділяється огинаюча биття, зазвичай іменована перетвореним сигналом. Перетворений сигнал має постійну частоту, виключаючи ділянки тривалістю tз віддалені один від одного на відстані Tм / 2, усередині яких його фаза змінюється на 180 °. Щоб визначити дальність, необхідно виміряти F_Б0. Для цього може бути використаний аналізатор спектру (частотний метод). У разі одиночної цілі часто застосовується більш простий частотомір, що працює за принципом рахунку числа періодів (часовий метод).

Чутливість приймача з безперервним випромінюванням радіохвиль обмежена шумами передавача. Для зменшення їх впливу слід збільшувати розв'язку (перехідне загасання) між антенами. Застосування компенсації прямого сигналу дає розв'язку 10 ... 60 дБ.

Широке застосування знайшов вельми просто реалізований метод вимірювання частоти биття шляхом рахунки числа імпульсів перетвореного сигналу. При цьому перетворений сигнал піддається обмеженню і диференціюванню, після чого позитивні або негативні імпульси запускають формувач, що виробляє стандартні імпульси (певної амплітуди, тривалості і форми). Останні заряджають накопичувальний конденсатор лічильника. При симетричному пилкоподібному законі модуляції число імпульсів за період модуляції дорівнює:

Істотним чинником, що впливає на рахунок числа імпульсів, є «паразитна» амплітудна модуляція зондуючого і відбитого сигналів, викликана резонансними властивостями коливальних систем передавача, входу приймача і антен, вібраціями, флуктуаціями коефіцієнта відбиття. Вплив паразитної модуляції можна зменшити застосуванням балансного змішувача.

До недоліків частотного методу вимірювача дальності відносяться: складність апаратури при вимірювані дальності багатьох об'єктів; трудність ефективної розв'язки приймального і передавального трактів, необхідної для нормальної роботи далекоміра; високі вимоги до лінійності зміни частоти випромінюваних коливань при вимірювані дальності і багатьох об'єктів.

Основні переваги частотного методу вимірювання дальності - це мала пікова потужність випромінюваного сигналу в порівнянні з потужністю при імпульсному методі при високій точності вимірювання і роздільної здатності по дальності і можливість вимірювання дуже малих дальностей.

Зазначені переваги і недоліки частотного методу вимірювання дальності зумовили його використання в радіовисотомірі малих висот. При цьому вимірюється дальність до єдиного об'єкта (поверхні суші або води). При вимірювані дальності одного об'єкта частота випромінюваного сигналу може змінюватися за синусоїдальним або іншому, не обов'язково пилкоподібному закону, що значно спрощує апаратуру [2].

3. Фазовий метод

При фазовому методі застосовуються безперервні сигнали (не обов'язково монохроматичні). Вимір часу запізнювання проводиться шляхом вимірювання різниці фаз між модулюючим коливаннями масштабної частоти, які виділяються з випромінюваного і прийнятого сигналів. Різниця фаз між цими коливаннями пов'язана з часом запізнювання рівністю

Різниця фаз може бути однозначно виміряна в інтервалі (0; 360 °). Тому максимальна дальність, в межах якої можливо однозначне вимір, визначається співвідношенням

Для забезпечення однозначних вимірювань, наприклад, в межах від 0 до 100 км масштабна частота не повинна перевищувати 1,5 кГц. Настільки низькі значення виключають можливість використання в якості масштабної частоти несучих коливань випромінюваних вимірювачем дальності радіосигналів. У практично застосовуваних фазових вимірювачах дальності в якості масштабних використовуються або частоти модулюють коливань, або частоти биття між несучими коливаннями випромінюваних сигналів (рисунок 5).

Рисунок 5. Функціональні схеми фазових вимірювачів дальності

При вимірюванні різниці фаз на частоті биття передавачем вимірювача дальності одночасно випромінюються два гармонійних сигналу. Різниця фаз між биттям частоти, які виділяються за допомогою змішувача і фільтра з випромінюваного і прийнятого сигналів, визначається формулою

В якості вимірювача різниці фаз можуть використовуватися фазометри різних типів.

Основна перевага фазового методу полягає в тому, що вибором масштабної частоти може бути забезпечена дуже висока точність вимірювань. Разом з тим цей метод має ряд істотних недоліків: неможливість одночасного вимірювання дальності кількох об'єктів, що знаходяться в зоні опромінення вимірювача дальності; необхідність придушення випромінюваного сигналу, який надходить на вхід приймача; складність технічної реалізації, яка обумовлена необхідністю використання декількох шкал [3].

Список використаної літератури

радіосигнал імпульсний частотний модуляція

1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. 1983. - 536 с.

2. Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. Под ред. В.Е. Дулевича. 1978. - 608 с.

3. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства: Учебник для техникумов. 1975. - 336 с.

4. Монаков А.А. Теоретические основы радионавигации: Учебное пособие. 2002. - 70 с.

5. Коростелев А.А., Клюева Н.Ф., Мельник Ю.А. Теоретические основы радиолокации. 1978. - 608 с.

6. Сорочан А.Г. Радиодальномер на основе j-корреляционной обработки сигнала.//Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2005.

7. Васин В.В. Справочник-задачник по радиолокации. 1977. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru