Фазови радиодалекомери ц. С. Карагьозов Увод

Увод

Радиодалекомерите са радиoтехнически навигационни устройства за измерване на разстоянието до обекта (целта). При това разстоянието до целта R се определя по времето на закъснение на отразения сигнал :

След измерване на това време, разстоянието до целта R се определя съгласно израза

с мигновена относителна грешка

Полагайки и за случайни неизвестни и независими величини, намираме относителната точност на радиодалекомера:

Дисперсията се обуславя от точността, с която са известни скоростта на разпространение на радиовълните и нейното непостоянство по трасето на измерването. В условия на вакуум тази скорост е c = 299792458± (m/s), а σ_c/c = 10^-9.

В атмосферата σ_c/c = 10^-4÷10^-6, затова даже при отсъствие на апаратурни грешки (при идеална апаратура), когато σ_tR = 0, пределната точност на измерване на разстоянието зависи от това, доколко точно е известна c и от възможността за отчитане на σ_c.

Възможно е да се получи относителна грешка в измерването на разстоянието от порядъка на 10^-7 при измерване на едно и съшо разстояние на няколко (минимум две) честоти. Например, при разпространение на сигнала през атмосферата се изплозва алгоритъм на зависимостта на грешката на измервана на разстоянието от честотата на сигнала:

където K е константа, а Ψ е функция, свързана с приетия модел на параметрите на атмосферата.

При използване на две честоти истинското разстояние R се определя чрез решаване на система от две уравнения по резултатите от двете измервания:



.
Съществуват три основни метода за измерване на времето на закъснение на отразения или преизлъчения от обекта(целта) сигнал спрямо излъчения от радиодалекомера сондиращ сигнал:

• 
  фазов- когато се измерва изменението на фазата за времето на закъснение;
  
• 
  честотен – когато се измерва изменението на честотата за времето на закъснение;
  
• 
  импулсен – когато непосредствено се измерва времето на закъснение.
  

Структурната схема на фазовия радиодалекомер е представена на фиг.1.

Фиг.1.Структурна схема на фазов радиодалекомер

Неговите основни елементи са:

• 
  генератор на мащабна честота-ГМЧ;
  
• 
  усилвател на радиочестота -УРЧ ;
  
• 
  генератор на радиочестота -ГРЧ;
  
• 
  предавателна антена-А1;
  
• 
  приемна антена А2;
  
• 
  приемник –Прм;
  
• 
  измерител на фазата - ИФ.
  

Излъченият от антената А1 сондиращ радиосигнал представлява непрекъснато хармоническо колбание:

а отразеният от целта сигнал има вида:

В горните изрази са приети следните означения: U_m1,U_m2 - амплитуди на сондиращия и отразения сигнали; φ_1, φ₂ – мигновени (моментни) фази на сондиращия и отразения сигнали; φ₀₁–начална фаза сондиращия сигнал; φ_ап – изместване на фазата в апаратурата на радиодалекомера; φ_отр - изместване на фазата на отразения сигнал в процеса на отражението от обекта.

Измерителят на фазата определя разликата във фазите φ_Δ на опорния (сондиращия) и отразения сигнал:

откъдето

Фазовото изместване φ_ап може да бъде изключено от (1) след калиброване на радиодалекомера, когато част от сигнала от изхода на УРЧ се подава на входа на приемника Прм, при което измерителят на фазата ИФ измерва непосредствено φ_Δ = φ_ап.

Изменението на фазата в процеса на отражението φ_отр силно влияе на точността, т.к. при отражение от метали и диелектрици φ_отр се променя на 180⁰. Затова обикновено се избира Ω_М < ω₀ и носещият сигнал на ГРЧ се модулира по някакъв негов параметър от сигнала на генератора на мащабна честота ГМЧ (в този случай превключвателите П са в положение 2). Сега вече и величината φ_отр в (1) може да се пренебрегне, т.к. измерването на φ_Δ в измерителя на фазата ИФ се извършва на видеочестотата Ω_М. При това основното уравнение на фазовия радиодалекомер (1) придобива вида:

(2)

където е мащабен коефициент

Това условие се удовлетворява чрез чрез избора на мащабната честота. Действително,от горното условие непосредствено следва:

При случайни и независими величини ΔМ и Δφ_Δ

където σ_М² и σ_φ² са съответно дисперсиите на изменението на мащабния коефициент и на измерването.

Съставящата σ_М² се отстранява при постоянство на мащабния коефициент М, което се постига чрез стабилизация на мащабната честота. Тогава , откъдето следва, че за увеличаване на точността на фазовия далекомер, е необходимо да се намали мащабния коефициент М, т.е.,да се увеличи мащабната честота Ω_М.

От изложеното по – горе следва,че във фазовия радиодалекомер съществуват противоречиви изисквания по отношение на избора на мащабната честота. Увеличаването на Ω_М спомага за повишаване на точността, но довежда до нееднозначност на измерването. Това противоречие се разрешава чрез използване на многоскални (работещи на няколко мащабни честоти) измерители.

Що се касае до величината σ_φ, то за различните измерители на фазата тя може да бъде представена във вида:

където К_НО > 1 е коефициент на загубите при неоптималната обработка, зависещ от вида на ИФ, а q = P_С/Pш е отношението сигнал – шум по мощност на входа на ИФ.

Ако К_НО = 1, точността на фазовия радиодалекомер ще се характеризира със средноквадратическа грешка на измерване на разстоянето


2.Принцип на действие на следящ фазов радиодалекомер

Следящият фазов радиодалекомер е предназначен за автоматическо съпровождане на целта по разстояние. Неговата структурна схема е представена на фиг.2. Основните му елементи са:

• 
  предавателно устройство – ГМЧ, ГРЧ и А1;
  
• 
  Приемно устройство – А2, хетеродин (гетеродин – рус. (ГЕТ)), смесител, усилвател на междинна (промежуточная - рус.) честота (УПЧ), амплитуден детектор.
  
• 
  Следящ измерител на фазата (СИФ) – фазов детектор, екстраполатор, управляем фазовращател, фазовращател на 90⁰.
  

Фиг.2. Структурна схема на следящ фазов радиодалекомер

На левия вход на фазовия детектор от състава на СИФ постъпва опорен сигнал от ГМЧ с мигновена (текуща) фаза

където φ_ФВ е фазовото изместване в управляемия фазовращател.

На горния вход на същия фазовия детектор, от амплитудния детектор постъпва обвиващата на отразения сигнал, също с мащабна честота, но с текуща фаза

При тези условия изходното напрежение на фазовия детектор е:

Доколкото

и във фазовия детектор се формира дискриминационна характеристика с нула в точката , с положителен клон при и с отрицателен клон при .

Напрежението на фазовия детектор постъпва на екстраполатора,състоящ се обикновено от определен брой интегратори и изработващ управляващо напрежение за регулируемия фазовращател. Последният е със скала, градуирана в разстояние.
3.Принцип на действие на цифров измерител на фазата (цифров фазов радиодалекомер)

Измерването на разликата във фазите на опорния и отразения сигнали се основава на преобразуването на фазовото изместване на отразения сигнал φ_Δ във временен интервал и запълване на този интервал с броячни импулси. Най – простата структурна схема на цифров измерител на фазата φ_Δ е представена на фиг.3. Тя включва следните основни елементи:

• 
  формировател на опорни импулси – ФОИ;
  
• 
  формировател на сигнални импулси – ФСИ;
  
• 
  генератор на ключови импулси (тригер) – Тр;
  
• 
  генератор на броячни (счетни – рус.)импулси – ГСчИ;
  
• 
  електронен ключ – Н;
  
• 
  електронен брояч (счетчик – рус.) – Сч.
  

Фиг.3.Стуктурна схема на цифров измерител на фазова разлика и вид на сигналите в нейните характерни точки

Опорният сигнал от генератора на мащабна честота (ГМЧ) и отразеният от целта сигнал от изхода на приемника (Прм) със същата честота постъпват съответно на ФОИ и ФСИ. Формираните опорни импулси (ОИ) и сигнални импулси (СИ) представляват кратковременни импулси с мащабна честота, фиксиращи началото на положителната полувълна съответно на опорния и отразения сигнал.ОИ запускат тригера а СИ го връщат в изходно състояние. По този начин тригерът изработва ключови импулси с продължителност t_Δ (t_R). Само по време на тяхното действие електронният ключ Н е отворен и през него броячните импулси от ГСчИ с период на повторение Т_СЧ преминават към брояча Сч. Броят на преброените импулси е N = ] t_Δ /T_СЧ [ ,където „].[„ е знак за закръгляне до най – близкото по – малко цяло число. От изхода на брояча се снема код, съдържащ оценка за разстоянието R_ОЦ, получаваща се в съответствие с израза: R_ОЦ = 0,5 сТ_СЧN.

Цифровият метод се характеризира с грешка на дискретизацията ΔR = 0,5сТ_СЧ, която намалява при увеличаване на честотата на броячните импулси.

1.Изпълнява се измерване на разстоянието до обекта на честоти f₁ = 3000 MHz и f₂ = 5000 MHz. При това R_ИЗМ1 = 25.10⁶m и R_ИЗМ2 = 25,6.10⁶m. Определете истинското разстояние до обекта.

2.Какво отношение сигнал/шум трябва да се осигури на входа на ИФ на фазовия радиодалекомер,за да бъде грешката от измерването σ_R по – малка от 15m, ако R_MAX = 1,5km?

3. Честотата на броячните импулси на цифров радиодалекомер е 10MHz, а разстоянието до целта е 295m. Определете грешката на дискретизация, броя на преброените импулси и оценката на разстоянието.

1.П. А. Бакулев. Радиолокационные систeмы. Учебник для вузов. М.: Радиотехника. 2004.