Фазовый и частотный методы измерения дальности

Министерство образования Российской Федерации

Казанский Государственный Технический Университет им. А.Н. Туполева

Реферат

По дисциплине:

«Основы радиотехнических систем»

На тему:

«Фазовый и частотный методы измерения дальности»

Выполнил ст. гр.5531

М.А. Лукьянов

Проверил

Р.В. Мнекин

Казань 2002

Содержание

Введение……………………………………………

Методы измерения дальности

1.Частотный метод радиодальнометрии…………

Сущность метода………………………………..

Реализация частотного метода дальнометрии...

2. Фазовые методы дальнометрии………………..

Общие сведения………………………………...

Фазовый радиодальномер с модуляцией

несущей………………………………………...

Двухчастотные фазовые дальномеры…………

III. Список использованной литературы……………..

Введение

Радиолокацией называется совокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаружения различных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движения посредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых или переизлучаемых объектами.

Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилось 30-х годах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новых средств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

Выдающийся вклад в развитие радиолокации внесли русские ученые и инженеры П.К. Ощепков, М.М. Лобанов, Ю.К. Коровин, Б.К. Шембель. В советском союзе первые успешные эксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационных устройств были проведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружение войск ПВО поступили первые серийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом в развитии радиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю.Б. Кобзарева импульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна из наиболее прогрессирующих областей радиотехники.

Получение информации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства. Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС), а наблюдаемые объекты – радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли, наземные инженерные сооружения.

В радиолокации наиболее часто измеряется дальность между целью и РЛС. Существуют импульсный, частотный и фазовый методы измерения дальности. Целью данной работы является описание частотного и фазового методов.

Данный документ содержит 7 рисунков. При написании реферата было использовано 4 источника литературы и ресурсы сети Internet.

Методы измерения дальности.

Частотный метод радиодальнометрии.

Сущность метода. Для этого метода характерно, что зондирующее излучение непрерывное и модулировано по частоте. Модуляция позволяет различать прямой и отраженный сигналы по разности их частот и тем самым не только обнаружить цель, но и измерить ее дальность.

Частоту передатчика fпрд, естественно, нельзя неограниченно увеличивать или уменьшать. Ее изменяют по пилообразному или пилообразному (Рис.1) закону с частотой модуляции Fм=1/Тм. Девиацию, т.е. максимальное отклонение частоты, обозначим

Δfm=fmax-fmin.

Частота отраженного сигнала fотр повторяет частоту излученного сигнала fпрд с запаздыванием tд=2Д/с. Отсюда в один и тот же момент времени t разность частот прямого (fпрд) и отраженного (fотр) сигналов, т.е. частота биений

Fб=|νм|tд=2|νм|Д/с , (1)

где |νм| - скорость изменения частоты.

В один полупериод модуляции Тм/2 частота передатчика fпрд возрастает и скорость νм>0, а в другой полупериод – наоборот; вместе с тем частота Fд физически не может быть отрицательной величиной. Поэтому в формулу (1) введено абсолютное значение скорости

модуляции |νм|. При пилообразном законе эта скорость постоянная и равна частному от деления частоты Δfm на ее продолжительность Тм/2. Тогда формулу (1) можно представить в виде

Fб=2|νм|Д/с=4ΔfmД/сТм=4ΔfmFмД/с (2)

Величины Δfm, Fм и с – постоянные, а это значит, что в ЧМ дальномере измерение текущей дальности цели Д сводится к измерению разности частот Fб прямого и отраженного сигналов, причем Д и Fб связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью. Отсюда происходит другое название величины Fб – частоты дальности.

Линейный закон изменения частоты Fб нарушается на участках протяженностью tд, в середине которых эта разностная частота проходит через нулевое значение. Однако, если максимальное запаздывание сигнала, которое фиксируется данной РЛС, значительно меньше периода модуляции

Временные диаграммы иллюстрирующие частотный метод измерения дальности

Рис.1

(tд max << Тм), то нарушением линейности можно пренебречь и считать формулу (2) справедливой для любого закона частотной модуляции. Соотношение tд max << Тм является также условием однозначного отсчета дальности.

Реализация частотного метода дальнометрии. По способу обработки сигналов неследящие частотные измерители делятся на корреляционные, с фильтровой обработкой и с корреляционно-фильтровой. Третий вариант, наиболее простой в осуществлении, представлен функциональной схемой дальномера (Рис.2) и временными диаграммами (Рис.3).

Передающее устройство состоит из генератора высокой частоты, модулятора, изменяющего частоту генерируемых колебаний по пилообразному или синусоидальному закону, и передающей антенны А1. Первым каскадом приемника является смеситель, с которого начинается Корреляционно-фильтровая обработка: в смесителе перемножаются отраженный сигнал uотр(t), который подводится от приемной антенны А2, с опорным сигналом uпр(t), который подводится по короткому кабелю от передатчика; накопление энергии происходит в RC-фильтрах нижних частот, следующих за перемножителем. Как во всяком смесителе, перемножение происходит в нелинейном элементе и в результате образуются составляющие суммарной и разностной частот отраженного и опорного (прямого) сигналов. Сигнал с частотой биений пропускается к усилителю низкой частоты, а составляющие суммарных частот подавляются фильтрами нижних частот смесителя.

Как показывает временная диаграмма напряжения биений uб (Рис.3), когда частота его Fб отклоняется от своего основного значения, синусоидальность этого напряжения нарушается. Двухсторонний ограничитель амплитуды, следящий за усилителем низкой частоты, преобразует полученное несинусоидальное напряжение с периодом Тм в прямоугольные колебания uогр. Так называемый счетчик нулей определяет частоту биений Fб по числу переходов через нуль, которые совершают положительные перепады этих колебаний за период модуляции Тм. Переходы отмечены точками на временной диаграмме. Если число их Nm умножить на частоту модуляции Fм, то получится частота дальности, которую фиксирует индикатор

Fб= NmFм (3)

Если счетчик аналоговый (Рис.3), то выходное напряжение uсч постоянное, а если счетчик цифровой, то работа его сводится к подсчету эталонных импульсов, пропорциональных, как и напряжение uсч, частоте дальности. Очевидно, что индикатор при таком счетчике должен показывать дальность цели в цифровой форме.

В связи с тем, что счетчики подсчитывают число полных биений, показания частотного дальномера изменяются скачками. Наименьшая Функциональная схема частотного радиодальномера с корреляционно-фильтровой обработкой сигналов

А2

А1

Смеситель

Усилитель

напряжения биений

Генератор

высокой

частоты

Частотный

модулятор

Амплитуд-ный ограничи-тель

Счетчик

нулей

Индикатор

Рис.2

Временные диаграммы частоты биений и напряжений в измерителе частотного радиодальномера с корреляционно-фильтровой обработкой сигналов

Рис.3

дальность Дmin, которую способен измерить дальномер, соответствует одному полному биению за период модуляции (Nm=1). Согласно (3) это означает, что Fб=Fм, а из (2) следует, что Fм=4ΔfmFмДmin/с. Отсюда находим минимальную дальность, измеряемую частотным дальномером:

Дmin=с/4Δfm (4)

Следующие показания дальномера будут соответствовать уже двум (Nm=2; Fб=2Fм), трем (Fб=3Fм) и т.д. полным биениям за один период модуляции. Значит, имеется ошибка дискретности измерения дальности, равная скачку

ΔД=с/4Δfm (5)

При измерении дальности нескольких целей измеритель должен содержать спектроанализатор, рассчитанный на последовательный или параллельный анализ частот биений.

Последовательный анализ производится плавным изменением частоты гетеродина приемника или оптимального фильтра, следующего за смесителем. Это требует больших затрат времени и связано с неполным использованием энергии отраженного сигнала во время перестройки.

Многоканальный параллельный спектроанализатор (Рис.4) состоит из узкополосных фильтров Ф1,Ф2,Ф3,…, детекторов Д1, Д2, Д3, Д4, …. и неоновых лампочек ЛН1, ЛН2, ЛН3, ЛН4, …. . Полосы пропускания фильтров примыкают друг к другу и охватывают весь диапазон измеряемых частот дальности. По номерам загорающихся лампочек можно судить о том, к какому участку (каналу) дальности относится каждая наблюдаемая цель.

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

Д1

Ф1

Д2

Ф2

Д3

Ф3

Дn

Фn

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=10м и Додн=λм/2=10/2=5·10м=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

Передатчик

Генератор

Высокой

частоты

Модулятор

Генератор

Масштабной

частоты

Фазометр

Приемник с амплитудным

детектором

Ограничитель

Счетчик

Генератор

Эталонных

импульсов

Каскад

совпадения

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

Передатчик

Сумматор

Смеситель I

Передатчик

Фазометр

Усилитель-

ограничитель

Разветвитель

Смеситель II

Усилитель-

ограничитель

Рис.7

Подбором величины Δf добиваются однозначных измерений в заданном диапазоне дальности, а многошкальным отсчетом обеспечивают необходимую точность. Высокая стабильность и кратность частот Fм этих шкал достигается тем, что сначала получают различные пары частот f1 и f2 умножением и смешением колебаний первичного кварцевого генератора, а затем образуют требуемые масштабные частоты Fм как биения частот f1,f2.

Осуществление фазового радиодальномера на биениях усложняется тем, что невозможно разделить непрерывные прямой и ответный сигналы одинаковой частоты. По этой причине метод биений применяется только в системах с активным ответом, где ответный сигнал излучается на частоте, отличной от частоты запросного сигнала.