Частотный метод измерения дальности

• чтобы точно измерить истинную высоту H, необходимо выделить и измерить минимальную частоту дальномерного спектра ;
• при автоматической посадке самолета, зависании вертолета и в ряде других ситуаций радиовысотомеры должны измерять медленно изменяющуюся высоту порядка единиц — десятков метров с точностью порядка дециметров; в этих условиях первостепенное значение приобретает устранение постоянной погрешности измерений;
• для радиовысотомеров характерен очень широкий относительный диапазон измеряемых высот, поэтому для ЧМ радиовысотомеров характерно использование автосопровождения по расстоянию (частоте).

    Общая структура ЧМ высотомера приведена на рис. 8 

    Рис. 8 

    Обязательными элементами передающего тракта являются передатчик (Прд), частотный модулятор (ЧМ) и антенна А_Прд, а приемного тракта — антенна А_Прм, формирователь гетеродинного сигнала (ФГС), входной смеситель (См), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), выделитель минимальной частоты дальномерного спектра (ВМЧ) и измеритель частоты (ИЧ), с выхода которого значения высоты Н выдаются на индикатор и автопилот.

    Рассмотрим  особенности каждого элемента структурной схемы.

    Передатчик  обычно состоит из полупроводниковых  задающего ЧМ генератора и усилителя-умножителя частоты. Задающий генератор имеет несущую частоту F₀ = 300...400 МГц и модулируется частотным модулятором по симметричному линейному закону с девиацией ΔF = 10...20 МГц. В усилителе-умножителе выходной сигнал этого генератора усиливается до 200...400 МВт, а его несущая частота и девиация частоты умножаются на n до f₀ =nF₀ ≈5 ГГц и Δf=nΔF≈150...200 МГц. Сформированный таким образом ЧМ сигнал излучается антенной А_Прд.

    Частотный модулятор варакторного типа обеспечивает симметричную линейную частотную модуляцию задающего генератора с указанной выше девиацией частоты и низкой частотой модуляции F_m (100... 200 Гц). Для формирования компактного дальномерного спектра первостепенное значение имеет строгая линейность частотной модуляции. Поэтому в ЧМ высотомерах блок ЧМ дополняется блоком автоподстройки крутизны частотной модуляции (АПК). 

    Формирователь гетеродинного сигнала в случае работы с нулевой промежуточной частотой представляет собой простой направленный ответвитель, подводящий часть мощности сигнала передатчика к смесителю приемника. Однако из-за высокого уровня вибрационных и других видов низкочастотных шумов на самолете надежность работы такого высотомера снижается. В связи с этим в более совершенных ЧМ высотомерах со смещенным на f_пр гетеродинным сигналом используется ФГС.

    Усилитель промежуточной частоты усиливает  преобразованный сигнал до уровня, необходимого для надежной работы измерителя частоты. При работе с нулевой промежуточной частотой выбирается такая частотная характеристика, чтобы скомпенсировать снижение уровня принимаемого сигнала с квадратом высоты (при увеличении высоты вдвое уровень сигнала снижается вчетверо. т. е. на 6 дБ). Это достигается, когда частотная характеристика на ее рабочем участке имеет подъем 6 дБ/окт. (рис. 9).  

Рис. 9 

    Однако  уровень входного сигнала зависит  не только от дальности, но и от коэффициента обратного рассеяния поверхности и ряда других факторов. Поэтому коррекция частотной характеристики усилителя, как правило, дополняется авторегулировкой усиления (АРУ). При работе с высокой промежуточной частотой прямая связь между и высотой отсутствует. В этом случае частотная характеристика УПЧ в рабочем диапазоне частот должна быть равномерной, а постоянство уровня его выходного сигнала достигается с помощью системы АРУ.

    Принцип действия ЧМ РВ основан на использовании уравнения дальности:

где

               H - измеряемая высота;

               F_Б - частота биений между прямым и отраженным сигналами;

               f_д - девиация (полный размах) частоты излучаемого сигнала;

               F_m - частота модуляции;

               c - скорость света. 

    Принцип измерения высоты приведен на рисунке 10

Рис. 10. Измерения высоты

    Таким образом полагаясь на уравнение дальности, если мы будем изменять значения только одной частоты, а значения других  частот будет поддерживаться постоянным, то можно определить значение высоты, как параметра зависящего от значения изменяемой частоты.

Общая структурная  схема ЧМ РВ приведена на рисунке 11

Рис. 11. Общая структурная схема ЧМ РВ

    Наличие ФВЧ обусловлена необходимостью борьбы с низкочастотными сигналами на выходе смесителя, возникающими за счет неполного подавления амплитудной модуляции гетеродинного сигнала, паразитной связи между антеннами и других причин.

    Радиовысотомеры с ЧМ по принципам построения делятся на системы с постоянными параметрами модуляции, называемые неследящими, и системы с изменяющимися параметрами модуляции, называемые следящими. В следящих системах РВ параметры передатчика должны изменяться таким образом, чтобы на любой высоте поддерживалось значение

    F_Б = const.

    Из  уравнения дальности были получены основные структуры неследящих систем РВ, нашедших широкое распространение в измерении высоты ( ), при выполнение следующих условий: 

Измерение по при , , ;

Измерение по при , , ;

Измерение по при , , .