Частотный метод измерения дальности

Как видно из названия, принцип данного метода заключается в том, что каждому значению дальности должна соответствовать одна и только одна частота , поступающая в устройство измерения дальности. При этом в большинстве современных радиосистем частота не содержится (в явном виде) в принятом радиосигнале, а формируется внутри радиоприемного устройства. Рассмотрим вариант метода частотной радиодальнометрии, наиболее часто используемый в практике авиационных радиосистем.

Радиопередающее устройство формирует непрерывный во времени частотно-модулированный радиосигнал (рис. 3.18, а), который излучается в пространство. Отраженный от объекта радиосигнал (также непрерывный во времени и модулированный по частоте – рис. 3.18, б) поступает на приемную антенну. Два радиосигнала (копия мощного излученного и принятый), между которыми существует задержка во времени подаются на разные входы специального устройства – балансного смесителя. В результате взаимодействия этих двух радиосигналов на выходе балансного смесителя формируется непрерывное напряжение (рис. 3.18, в), амплитуда которого изменяется с частотой . После детектирования данного напряжения образуется непрерывный радиосигнал (рис. 3.18, г), имеющий частоту . Этот радиосигнал далее подается на устройство измерения дальности, в которой частота переводится в соответствующее значение .

Рис. 3.18. Радиосигналы в частотном радиодальнометре: а – излученный радиосигнал; б – принятый радиосигнал; в – напряжение на выходе балансного смесителя; г – напряжение на выходе детектора

Структурная схема частотного радиодальномера приведена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Структурная схема частотного радиодальномера: 1 – радиопередающее устройство; 2 – радиопередающая антенна; 3 – радиоприемная антенна; 4 – балансный смеситель; 5 – детектор; 6 – устройство измерения дальности.

Суть изложенного частотного метода дальнометрии можно проиллюстрировать с помощью частотно-временных зависимостей (рис. 3.20), построенных для случая, когда частота излучаемого радиосигнала меняется по линейному закону. При этом в качестве частоты используется модуль разности частот излученного и принятого радиосигналов , вычисляемый в каждый текущий момент времени.

Рис. 3.20. Частотно-временные зависимости для частотной дальнометрии в случае линейно меняющейся частоты излучаемого радиосигнала: – частота излучаемого радиосигнала; – частота принимаемого радиосигнала; – модуль разностной частоты; – частота девиации; – период частотной модуляции.

Связь частоты с дальностью может быть найдена на рис 3.20, а согласно пропорции или

В итоге получаем:

(3.25)

где – период частотной модуляции; – частота девиации.

Если, например, измеренная разностная частота составляет 4*10⁶Гц=4 МГц, то при девиации частоты равной 30 МГц и периоде модуляции с=5 мс, величины дальности до объекта будет равна 50 км.

Выражение (3.25), связывающее дальность и значение на горизонтальном участке графика на рис. 3.20, б имеющего длительность , задает, фактически, алгоритм работы устройства измерения дальности. Структура этого устройства показана на рис. 3.21, а.

Рис. 3.21. Устройство измерения дальности в частотном радиодальномере: а – структура устройства ( – индикаторы, ); б – амплитудно-частотные характеристики фильтров данного устройства.

Данное устройство выполняет параллельный (одновременный) просмотр всего диапазона возможных разностных частот . Основная часть этого устройства состоит из набора узкополосных фильтров, каждый из которых имеет амплитудно-частотную характеристику с соответствующей центральной частотой и полосой пропускания , где . Когда на общий вход фильтров поступает напряжение , то это напряжение заставляет сработать фильтр с той амплитудно-частотной характеристикой , в чью полосу пропускания попадает частота данного напряжения .

Полосы пропускания всех фильтров выбраны из условия

, (3.26)

где – интервал времени, на котором производится измерение разностной частоты ; – интервал времени, соответствующий переходным процессам. Поэтому фильтры осуществляют измерение лишь на ее горизонтальном участке (рис. 3.21, б).

Наконец индикатор , где , фиксирует факт срабатывания -го фильтра и вырабатывает собственный отсчет дальности . На этом процедура измерения дальности частотным методом заканчивается.

Отметим, что хотя значение периода частотной модуляции может определяться, исходя из заданной величины максимальной однозначно-измеряемой дальности по формуле

(3.27)

но на практике, с целью уменьшения и увеличения , значение выбирается значительно больше, чем рассчитанное по соотношении. (3.27).

Еще одной особенностью частотного метода дальнометрии является дискретность отсчета дальности. Это означает, что если истинная дальность объекта может изменяться сколько угодно плавно, то измеренное значение дальности всегда будет равно целому числу дискретов :

(3.28)

Отсюда, в частности, следует, что существует минимальное значение дальности , которое может измерить частотным методом:

(3.29)

Выражения (3.28) и (3.29) легко получаются из соотношения (3.25), если в него вместо величины поставить значение .

Рассмотренный частотный метод дальнометрии обычно используется в самолетах и вертолетах для измерения малых высот.

Приведем некоторые основные параметры радиовысотомера малых высот РВ-5:

- центральная частота излучаемого радиосигнала, ГГц 4,3

- диапазон измеряемых высот, м 0…750

Ошибка измерения высоты:

- на высотах 0…10 м 0,6 м

- на высотах 10…750 м 6% от высоты

- мощность излучаемого радиосигнала, Вт 0,4

- девиация частоты, МГц 50

- частота модуляции, Гц 150

- масса приемо-передатчика, кг 10

- объем приемо-передатчика, дм³ 12,5

- гарантированный срок службы, ч 2000

Что касается диаграммы направленности, то для высотомеров малых высот она не должна быть слишком узкой, поскольку в случае глубокого маневра самолета луч может сильно уйти в сторону, а этом сопряжено как с повышенными ошибками измерения, так и с риском потерять земную поверхность «из виду». Этим обстоятельством объясняется использование в качестве антенн двух (излучающего и приемного) пирамидальных рупоров, которые размещаются один за другим на горизонтальном участке (удаленном от других антенн, а также от выступающих элементов конструкции) нижней части фюзеляжа самолета и закрываются радиопрозрачным обтекателем (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Один из вариантов расположения радиопрозрачного обтекателя: 1 – радиопрозрачный обтекатель; 2 – антенный отсек; 3 – фюзеляж самолета.

На вертолетах наиболее подходящим методом расположения антенн радиовысотомера является хвостовая балка. Для уменьшения просачивания мощного излученного радиосигнала в приемную антенну расстояние между антеннами выбирается не менее 0,6 м. Рупорные антенны, используемые в РВ-5, имеют ширину диаграммы направленности равную 40º и габаритные размеры 165х165x115 мм.