|
| |
|
Слаботочка Книги f == l/Tu. Девиацию, т. е. максимальное отклонение частоты, обозначим Afn = /макс /мин. Частота отраженного сигнала /о,р повторяет частоту излученного сигнала / рд с запаздыванием / = 2 Д/с Отсюда в один и тот же момент времени t разность частот прямого (/ рд) и отраженного (/отр) сигналов, т. е. частота биений б = 1м1д = 21.м1Д/с, (3.12) где Ум - скорость изменения частоты. В один полупериод модуляции Тм/2 частота передатчика / рд возрастает и скорость Ум > О, а в другой полупериод - наоборот; вместе с тем частота физически не может быть отрицательной величиной. Поэтому в формулу (3.12) введено абсолютное значение скорости модуляции \Vyi\. При пилообразном законе эта скорость постоянная и равна частному от деления девиации частоты Д/ш на ее продолжительность Тм/2. Тогда формулу (3.12) можно представить в виде Fo = 2Ыа/с = ЩтЛ/сТ = 4Д/ /чД/с. (3-13) Величины Д/т, Fm и с - постоянные, а это значит, что в ЧМ дальномере измерение текущей дальности цели Д сводится к изжрению разности частот f б прямого и отраженного сигналов, причем JX и связаны между собой прямо пропорциональной зависимостью. Отсйяга происходит другое название величины Fc - частота дальности. Линейный закон изменения частоты Fe нарушается на участках протяженностью /д, в середине которых эта разностная частота проходит через нулевое значение. Однако, если максимальное запаздывание сигнала, которое фиксируется данной РЛС, значительно меньше периода модуляции (/дмаис м). то нарушением линейности можно пренебречь и считать формулу (3.13) справедливой для любого закона частотной модуляции. Соотношение дмакс м является также условием однозначного отсчета дальности. 18.2. Реализация частотного метода дальнометрии. По способу обработки сигналов неследящие частотные измерители делятся на корреляционные, с фильтровой обработкой и е корреляционно-фильтро- вой. Третий вариант, наиболее простой в осуществлении, представлен функциональной схемой дальномера (рис. 3.15) и временными диаграммами (рнс. 3.16). 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 Mpjp (/), который подводится от приемной антенны А2, с опорным сигналом ир (/), 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 Мб (рис. 3.16), когда частота его Рб отклоняется от своего основного зна- Чашот- лшор шймоду-* высоной частоты Смеситель UnpW Усилитем напря)кв ий Ugrpd) Ампли-myffmiii ограничитель us-. Счетчин нулей Индикатор Рис. 3.15. Функциональная схема частотного радиодальномера с корреляционно-фнльтровой обработкой снгнэлов. чения, синусоидальность этого напряжения нарушается. Двухсторонний ограничитель амплитуды, следующий за усилителем низкой частоты, преобразует полученное несинусондальноенапряженне с перио-  UoTi
Nm-1 Рнс. 3.16. Временные диаграммы частоты биений и напряжений в измерителе частотного радиодальномера с корреляционно-фильтровой обработкой сигналов. дом Т В прямоугольные колебания огр- Так называемый счетчик нулей определяет частоту биений F по числу переходов через нуль, которые совершают положительные перепады этих колебаний за период модуляции Переходы отмечены точками на временной диаграмме. Если число их умножить на частоту модуляции Рш, то получится частота дальности, которую фиксирует индикатор: . F,NmF . (3.14) Если счетчик аналоговый (рис. 3.16), то выходное напряжение Hp, постоянное, а если счетчик цифровой, то работа его сводится к подсчету эталонных импульсов, пропорциональных, как и напряжение Hpq, частоте дальности. Очевидно, что индикатор при таком счетчике должен показывать дальность цели в цифровой форме. В связи £ тем, что счетчики подсчитывают число полных биений, показания частотного дальномера изменяются скачками. Наименьшая дальность Дмин, которую способен измерить дальномер, соответствует одному полному биению за период модуляции (N = !) Согласно (3.14) это означаег, что Fa = f м. а из (3.13) следует, что = = 4 А/тмДмин/с. Отсюда находим минимальную дальность, измеряемую частотным дальномером: Липп-сти. (3.15) Следующие показания дальномера будут соответствовать уже двум (Л = 2; Fa = 2 Fm). трем (Fq = 3 Fm) и т. д. полным биениям за один период модуляции. Значит, имеется ошибка дискретности измерения дальности, равная скачку Выходное напряжение приемнит 7/V2 Рис- 3.17. Функциональная схема многоканального параллельного спектроанали-затора. ДД = с/4Д/, (3.16) 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 згатрат времени и связано с неполным использованием энергии отраженного сигнала во время перестройки. Многоканальный параллельный спектроанализатор (рис. 3.17) состоит из узкополосных фильтров Ф1, Ф2, ФЗ, детекторов Д1, Д2, ДЗ, и неоновых лампочек ЛН1, ЛН2, ЛНЗ, ... 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 Д/ф, тем выше разрешающая Ьпособность по дальности и тем меньше возможные расхождения между истинной и указываемой индикатором дальнрстью цели. Этому же способствует увеличение частоты модуляции и девиации частоты. Сказанное подтверждается формулами среднеквадратической ошибки Од и потенциальной разрешающей способности ДДмин п частотного дальномера: 1 fДfф ДДмин п = (3.17) (3.18) Пример 3.2. Дальномер, работающий по частотному методу радиолокации, имеет следующие параметры: частота модуляции F = 150 Гц, девиация частоты Д/ = 5 МГц, полоса пропускания одного канала Дф = 1 кГц, максимальная частота биений f б макс = Ю кГц. Определить тактические данные дальномера. 1. Согласно формуле (3.13) максимальная дальность действия д,= £iM-= 3i!2!J = 1000 м. 4A/mf 4.5.10 .150 2. Минимальная дальность действия Дмин = с/4Д/т = 3 х X 10 /4 . 5 . 10 = 15 м. 3. Скачок показаний дальномера ДД = с/4А/т = 3 10/4 х X 10 5 = 15 м. 4. Потенциальная разрешающая способность по дальности 4РмА/т 4.150.5-10* 5. Число каналов анализатора частот п = ДмаксДминп = = 1000/100 = 10. Этот же результат получается при делении максимума диапазона разностных частот макс ~ 10 кГц на полосу пропускания фильтра одного канала Дф = 1 кГц. 6. Среднеквадратическая методическая ошибка измерений дальности 1 .ЛРф 1 , 3.,0в.ШЗ мин п Одп = 2 Уз 4РмД/т 2-1.73 4.150.5.10 Если при тех же исходных данных увеличить девиацию частоты ог Д/п, = 5 МГц до Д/т = 150 МГц, то получим: Дмин = АД = 0,5 м; АДйинп = 3,34 м; Од = 0,97 м. Такие высокие показатели недосягаемы для импульсного дальномера, если не усовершенствовать его внутриимпульсной модуляцией. § 19. Фазовые методы дальнометрии 19.1. Общие сведения. Измерение дальности фазовыми методами заключается в изжрении приращения фазы гармонического колебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала: Дф = Омд = 2jif м 2Д/С = inJUK- (3.19) Частота F и длина волны Я = c/F называются масштабными потому, что от них зависит масштаб шкалы дальности, т. е. коэффициент Пропорциональности между измеряемым фазовым сдвигом Аф и Дальностью цели Д. Через фазовые интервалы Дф = 2я гармоническое колебание, а с ним и показания фазометра повторяются. Отсюда согласно формуле (3.19) максимальный предел однозначно измеряемой дальности Додн = W2. (3.20) Наиболее простым по устройству был бы фазовый радиодальномер с излучением колебаний только одной - несущей частоты fo- Но тогда масштабная частота f =7о и длина волны )ti - K = c/fo, а так как РЛС обычно работают на УКВ, та это ограничило бы однозначно измеряемую дальность несколькими метрами (Додн = W2). Вместе с тем масштабная частота влияет на точность определения дальности. Действительно, из формулы (3.19) дальность Д = сх xAф/4яf = Я, Аф/4я, и если фазометр измеряет Аф со среднеквадратической ошибкой- одф, то дальность определяется со среднеквадратической ошибкой Оп = содф/4}г = >, Одф/4п. (3.21) Шумы препятствуют точному определению фазового сдвига и с увеличением отношения сигнал/шум ошибка Одфц уменьшается: одфц = = 1/о 1рад1. С учетом этого из формуды (3.21) находим потенциальную среднеквадратическую ошибку измерения дальности фазовыми методами: o = coAJ4rtfM = c/4nF -Kfo = V4nK- (3-22) Как ввдно, 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. 19.2. Фазовый радиодальномер с модуляцией несущей. Передающая антенна излучает радиоволны несущей-частоты модулированные по амплитуде гармоническими колебаниями низкой частоты F, а сравнение фаз излучаемого и отраженного сигналов произюдится на частоте огибающей F этих сигналов. Пропорционально уменьшению масштабной частоты от fo до f = f (увеличению масштабной длины волны Я = c/F) возрастает однозначно измеряемая дальность Додн- Например, при частоте модуляции F = 300 Гц длина волны Ям = 3 10 /300 = 10 м и Додн = К/2 = 10V2 = 5-10 м = - 500 км. В передатчике дальномера (рис. 3.18) колебания генератора высокой частоты модулируются по амплитуде колебаниями генератора масштабной частоты. Ограженные от цели AM колебания усиливаются и демодулируются амплитудным детектором. Следовательно, выходное напряжение приемника Ыпр имеет частоту, равную масштабной Qm= = 2я/ м, но отличается по фазе от напряжения Мм иа Омд. Этот фазовый сдвиг измеряется фазометром. На функциональной схеме показан неследящий измеритель фазы с дискретным счетом дальности. Измерение сводится к счету числа эталонных импульсов NsT, генерируемых за время запаздывания сигнала /д. Очевидно, что период следования этих импульсов Тэт должен быть Генератор масштабной частоты {ан. Moffi mmop Передатчик ~% частоты Фазометр Ограничитель Ограничитель опрм при фаемнан с амплитудным детектором
 Рис. 3.18. Функциоиадьная схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) фазового дальномера с модуляцией несущей. строго стабильным и существенно меньше запаздывания сигнала /д даже при минимальной дальности цели. Сравниваемые по фазе синусоидальные напряжения Мм и Мцрм преобразуются амплитудными ограничителями в прямоугольные колебания ом и о пом. которые затем перемножаются, чтобы получить коле- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 [12] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 |