Импульсный следящий радиодальномер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Введение

2. Фазовый метод радиодальнометрии

3. Частотный метод радиодальнометрии

4. Импульсный метод радиодальнометрии

5. Структурные схемы не следящего и следящего импульсных радиодальномеров

6. Расчет длины волны и параметров ФАР

7. Расчет параметров сигнала

8. Выбор параметров устройств обработки сигналов

9. Расчет погрешностей

10. Расчет энергетических параметров

11. Тактико-технические параметры импульсного радиодальномера

1. Введение

радиодальномер импульсный следящий

Радиодальномемр -- средство для определения расстояний бесконтактным методом с помощью радиоволн, технически реализованное в виде автономного прибора либо в составе радиодальномерной системы.

Радиодальномеры применяются в воздушной и космической навигации, геодезии, военном деле, для локального позиционирования транспортного средства и в других целях. Частным случаем радиодальномера можно считать радиовысотомер, однако, на практике, в технической классификации эти понятия разделяют.

В основу принципа действия радиодальномера положено определение времени прохождения радиоволны от радиодальномера до какого-либо объекта и обратно, расстояние до которого будет прямо пропорционально этому времени. Отражающий объект может быть пассивным или активным, с переизлучением принятого сигнала. Пассивное отражение используют только те дальномеры, которые предназначены для измерения расстояний до произвольно выбранных целей, например, в военном деле, большинство дальномеров используют специальные переизлучающие устройства, заранее расположенные в какой-либо точке, или дальномерные радиомаяки (в радионавигационных системах).

По способу измерения радиодальномеры бывают двух видов -- импульсные и фазовые. В импульсных дальномерах производится непосредственное измерение времени задержки принятого отражённого сигнала. Принцип действия фазового дальномера основан на определении количества длин волн, укладывающихся на пути прохождения сигнала.

На воздушных судах используются импульсные радиодальномеры, работающие (по принципу активной радиолокации) совместно с радиомаяками различных дальномерных и угломерно-дальномерных радионавигационных систем (DME, TACAN, РСБН и др.). В качестве запросных и ответных сигналов используются кодированные посылки радиоимпульсов с несущими частотами, соответствующими дециметровому диапазону радиоволн. В настоящее время радиодальномеры стоят практически на всех типах летательных аппаратов (кроме некоторых легкомоторных).

Для геодезических целей применяются обычно фазовые радиодальномеры, работающие, как правило, в сантиметровом диапазоне радиоволн, с активным отражателем, в качестве которого может использоваться прибор, аналогичный измеряющему прибору, измеряющий и отражающий приборы называют соответственно ведущей и ведомой станциями. Геодезические радиодальномеры иногда называют теллурометрами.

В зенитных радиоискателях и радиолокационных прицелах используются радиодальномеры импульсного типа с направленной антенной, работающие с пассивно отражающей целью, фактически, такие радиодальномеры представляют собой специализированные радиолокаторы.

2. Фазовый метод радиодальнометрии

Рис.1.Структурная схема фазового дальномера

Фазовый метод радиодальнометрии основан на измерении разности фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Генератор масштабной частоты ГМЧ (рис.1) модулирует по амплитуде колебания генератора высокой частоты ГВЧ, которые излучаются в пространство. На фазометр Ф с ГМЧ поступает зондирующий сигнал , являющейся непрерывным гармоническим колебанием, и сигнал с выхода приемника, который без учета шумов можно записать в виде , где

- масштабная частота;

- начальная фаза;

-время запаздывания сигнала;

- фазовый сдвиг, возникающий при отражении радиоволн от объекта;

- фазовый сдвиг сигнала в цепях дальномера.

Разность фаз сигналов и :. Поэтому время запаздывания и, следовательно, дальность до объекта .

Таким образом, если предварительно определить сдвиг фаз и , то измерив разность фаз , можно найти дальность. Последнее выражение справедливо и при работе с ответчиком. В этом случае под , следует понимать фазовый сдвиг сигнала в цепях ответчика.

Фазовый сдвиг , можно исключить при калибровке РД, когда часть сигнала с выхода УРЧ (входит в состав ГВЧ на рис.1 не показан) подается на вход приемника РПрУ, а фазометр измеряет . Изменение фазы при отражении сигнала сильно влияет на точность, так как при отражении от металлов и диэлектриков меняется на 180 градусов. Поэтому работают в режиме модуляции сигнала.

Абсолютная погрешность измерения дальности:

, где ,, - абсолютные ошибки определения разности фаз, сдвига фазы при отражении и сдвига фазы в цепях дальномера соответственно. Получим, что дальномерная ошибка обратно пропорциональна масштабной частоте. Поэтому для уменьшения Нужно увеличивать . Однако при этом будет уменьшаться диапазон однозначного измерения дальности. Дело в том, что однозначное измерение разности фаз двух колебаний возможно в пределах не более . Следовательно , для однозначного измерения дальности необходимо, чтобы , т.е. частота масштабных колебаний и их период должны удовлетворять условию:

, . Этому условию удовлетворяют сравнительно низкие частоты. Чтобы обеспечить требуемую точность и в то же время однозначность фазовой дальнометрии, используют две масштабные частоты или более, т.е. применяют многошкальный метод измерения дальности. Вначале однозначно измеряют дальность на низкой масшьабной частоте, т.е. по грубой шкале. Затем измерения производят на второй, более высокой масштабной шкале, т.е. более точной шкале. При этом, чтобы сохранялась однозначность дальнометрии, период второй масштабной частоты должен превышать погрешность измерения временного запаздывания на первой масштабной частоте (т.е. по грубой шкале).

Достоинства фазовой дальнометрии: малая пиковая мощность генерируемых колебаний благодаря непрерывности излучения, возможность изменения малых дальностей, простота измерителя, сравнительно малая аппаратурная погрешность.

Недостатки: отсутствие разрешения объектов по дальности, необходимость использования двух антенн для эффективной развязки передающего и приемного каналов.

3. Частотный метод радиодальнометрии

Рис.2. Структурная схема частотного дальномера.

При этом методе дальнометрии излучается непрерывное частотно- модулированное колебание; время запаздывания определяется путем измерения частоты биений между излучаемым и принимаемым сигналами.

Передатчик, состоящий из частотного модулятора ЧМ и генератора высокой частоты ГВЧ (рис. 2), генерирует колебания, частота которых меняется по периодическому закону - пилообразному или гармоническому(рис.3).



Рис.3.Диаграмма изменения частоты излучаемого и принимаемого сигналов частотного дальномера

При симметричном пилообразном законе модуляции частота излучаемых колебаний , , где

- начальное значение частоты;

-девиация частоты;

-период модуляции.

Частота принимаемого сигнала изменяется по такому же закону (при неподвижном объекте), при этом из-за задержки сигнала на время . На выходе смесителя См образуются биения разностной частоты , которые после усилителя низкой частоты УНЧ поступают на частотный анализатор ЧА. В результате . Тогда относительная погрешность измерения дальности

, где

- относительная погрешность измерения частоты биений;

,,-относительные нестабильности девиации частоты, частоты модуляции и скорости распространения волн соответственно.

В рассматриваемом дальномере появляется также дополнительная методическая погрешность, обусловленная спецификой используемого метода. Из-за периодичности модуляции сигнала спектр биений близок к дискретному, причем спектральные линии расположены в точках . Частотный анализатор определяет частоту биений по положению спектральной линии с наибольшей амплитудой. При этом минимальное изменение частоты биений, которое можно зафиксировать . Следовательно, фиксируемое минимальное изменение дальности . Эта величина и дает методическую погрешность частотной дальнометрии. Она же определяет измеряемое и разрешаемое расстояния. Для уменьшения необходимо увеличивать девиацию частоты , т.е. расширять спектр зондирующего сигнала.

Основные достоинства частотной дальнометрии: малая пиковая мощность зондирующего сигнала, возможность разрешения объектов по дальности.

Недостатки: трудности обеспечения эффективной развязки передающего и приемного каналов, высокие требования к линейности изменения частоты.

4. Импульсный метод радиодальнометрии

Импульсный метод радиодальнометрии основан на непосредственном измерении времени запаздывания принимаемого радиоимпульса относительно излученного.

При импульсном методе дальнометрии могут возникать значительные ошибки, если не выполняется условие однозначного измерения дальности. Это условие требует, чтобы принимаемые сигналы поступали в приемник до начала следующего зондирующего импульса, т.е. максимальное время запаздывания не должно превышать периода повторения импульсов :

где - максимальная дальность объекта. В противном случае при появляется дальномерная ошибка, кратная . Условие позволяет выбрать период повторения импульсов для однозначного измерения дальности. При заданном это условие ограничивает максимальную дальность объектов, при которой дальнометрия еще является однозначной.

Разрешающая способность импульсного радиодальномера будет (по рис. 4):

В свою очередь , следовательно .

Рис.4.Влияние времени запаздывания на разрешающую способность

Достоинства импульсной радиодальнометрии: возможность развязки передающего и приемного каналов с помощью антенного переключателя, позволяющая строить РЛС с одной антенной; простота разрешения объектов по дальности и удобство измерения дальности многих объектов.

Недостатки: необходимость использования больших импульсных мощностей передатчиков, невозможность измерения малых дальностей из-за наличия «мертвой» зоны, которая определяется длительностью излучаемых импульсов и временем протекания переходных процессов в антенном переключателе.

5. Структурные схемы не следящего и следящего импульсных радиодальномеров

1.Не следящий импульсный радиодальномер.

Зондирующий сигнал в импульсном радиодальномере формируется ГРЧ, на который подаются импульсы модулятора или генератора импульсов. Синхронизатор (Синх) обеспечивает одновременность запуска модулятора и генератора пилообразного напряжения, создающего развертку на экране (ЭЛТ) в выходном устройстве (ВУ). Импульсы радиочастоты (зондирующий сигнал) через переключатель прием-передача (ППП) поступают в антенну и излучаются в пространство. Отраженные сигналы принимаются той же антенной после усиления и преобразования в приемнике (ПРм) направляются в аналоговое или цифровое выходное устройство. При использовании аналогового ВУ эти импульсы подаются на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ для измерения времени . На горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ приходит пилообразное напряжение развертки от генератора пилы (Г). Импульсный генератор подсвета используется для включения яркости ЭЛТ только на время прямого хода развертки.

Рис.5. Структурная схема не следящего импульсного дальномера с аналоговым ВУ

2.Следящий импульсный радиодальномер.

Временной дискриминатор (ВД) следящего цифрового измерителя дальности (ИД) состоит из двух схем И, на которые поступают отраженные от цели импульсы с выхода приемника Прм и селекторные импульсы с соответствующих генераторов ГСИ-1 и ГСИ-2. Импульсы совпадения, длительность которых равна времени «перекрытия» отраженного сигнала первым и вторым селекторными импульсами, подаются на генераторы стандартных импульсов (ГСтИ), выполняющие функцию аналого-цифрового преобразователя. Число выдаваемых каждым из ГСтИ импульсов пропорционально длительности импульса на его входе. Импульс совпадения второго селекторного импульса с отраженным сигналом используется для обнаружения цели схемой СПЗ (эта цепь на рис.6 не показана). Выход ГСтИ-1 подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика (РСч), а выход

ГСтИ-2 - к суммирующему входу Рсч.

Синтезатор (Синт) служит для управления задержкой селекторных импульсов, вырабатываемых генераторами ГСИ-1 и ГСИ-2. Для определения момента запуска ГСИ-1 (ГСИ-2 запускается задним фронтом импульса ГСИ-1) используется схема сравнения (Сср) и счетчик Сч. В момент излучения зондирующего сигнала импульс синхросигнала СС открывает электронный ключ (ЭК). Счетные импульсы с генератора ГСчИ начинают поступать на счетчик Сч. Когда непрерывно возрастающее число в Сч станет равным содержащемуся в РСч числу , схема сравнения вырабатывает импульс, который запускает ГСИ-1, закрывает ЭК и обнуляет Сч.

С другой стороны, равное в момент начала слежения , в каждом такте работы РЛ (в каждом периоде повторения зондирующих импульсов ) увеличивается из-за превышения числа импульсов на суммирующем входе реверсивного счетчика (РСч) над числом импульсов на его вычитающем входе. Поэтому от такта к такту возрастает, что приводит к сдвигу момента запуска ГСИ-1, а следовательно к росту . В режиме установившегося слежения , и . Поэтому является метой измеряемой дальности R.

Таким образом, изменение происходит дискретно, что приводит к погрешности дискретизации:

,

зависящей от периода следования счетных импульсов . Для снижения можно увеличить частоту следования счетных импульсов или применить схему уточнения. В рассматриваемом импульсном дальномере целесообразно использовать вместо ГСтИ электронные ключи и подавать на них те же счетные импульсы, что и на счетчик Сч.

6. Расчет длины волны и параметров ФАР

Примем, что в РЛ используется ФАР с круглой апертурой. Тогда длина волны зондирующего сигнала может быть найдена следующим образом:

, где

-диаметр апертуры;

-разрешающая способность РЛ по угловым координатам.

Получим:

Антенны с круглой апертурой имеют одинаковую ширину ЛДА как в азимутальной, так и в угломерной плоскостях, равную в рассматриваемом случае:

Коэффициент усиления такой антенны при , выраженной в градусах, будет:

,

где принято, что КПД антенны

Скорость обзора равна:

, где

-сектор обзора;

-период обзора.

7. Расчет параметров сигнала

Длительность импульса определяется заданной разрешающей способностью РЛ по дальности :

Период повторения импульсов определяется из условия однозначного отсчета дальности:

,

где -максимальная измеряемая дальность. Для определенности заменим формулу равенством, введя коэффициент запаса :

Откуда частота повторения импульсов:

Найдем длительность пачки импульсов и число импульсов в пачке , влияющих на параметры схем поиска и захвата. Считая что в РЛ реализован последовательный обзор заданного сектора пространства, получаем:

Тогда число импульсов в пачке принимаемых РЛ при обзоре сигналов будет:

8. Выбор параметров устройств обработки сигналов

Максимальное значение скорости поиска:

где радиальная скорость равна сумме радиальной скорости носителя радиолокатора и радиальной скорости цели , т.е

Тогда

Минимальное время поиска цели:

Полоса пропускания приемно-усилительного тракта , должна быть согласованна с шириной спектра сигнала в целях повышения отношения мощностей сигнала и шума q на выходе измерителя дальности. Используем для определения этой полосы соотношение:

9. Расчет погрешностей

1). Начинаем расчет на дальности .

Суммарная погрешность РЛ: .

В оптимизированном следящем измерителе выполнятся условие:

, получим, что

, тогда

2).В измерителе со 1-ой степенью астатизма:

, где

-максимальная скорость цели;

-постоянная времени звеньев фильтра;

Тогда получим:

,тогда

3),где

-разрешающая способность по дальности;

-период повторения импульсов.

Получим, что

4).Найдем отношение сигнал/шум из уравнения:

4).Перейдем к следующему шагу расчета погрешностей на дальности .Для этого найдем отношение сигнал/шум для данной дальности:

На максимальной дальности также повторяем все расчеты с новым отношением сигнал/шум.

5). Рассчитаем теперь погрешность при .

Найдем значение по формуле:

Тогда:

,

Где ;

-постоянная времени звеньев фильтра.

Найдем суммарную погрешность:

5). Произведем те же расчеты на дальности для .

Полученные величины занесем в таблицу:

N		R	q
1			33	0.012	18.325	0.67	0.335	0.75
2			2	0.402	18.325	3.839	0.335	3.724
3			2	0.402	9.116	2.707	1.354	3.027
4			33	0.012	9.116	0.468	1.354	1.433

10. Расчет энергетических параметров

Минимальная мощность, принимаемого сигнала определяется соотношением:

,

где

- значение отношения мощностей сигнала и шума на дальности

;

-произведение постоянной Больцмана на стандартную температуру (в градусах Кельвина), при которой определяются шумовые параметры приемного тракта ИРД;

-шумовая полоса пропускания тракта обработки сигнала, равная в рассматриваемом ИРД полосе пропускания приемно-усилительного тракта;

-коэффициент шума приемника;

-коэффициент потерь энергии сигнала при обработке.

Требуемая мощность передатчика рассчитывается по формуле:

где

-коэффициент потерь энергии во всех высокочастотных элементах РЛ, кроме антенн, потери которых учтены ранее коэффициентом полезного действия ;

- эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели;

-протяженность зоны осадков;

-удельный коэффициент затухания в осадках. Его значения находятся по графику (рис.8), для конкретной интенсивности осадков Q=1мм/ч и полученной при расчетах длине волны зондирующего сигнала .

Рис.8

11. Тактико-технические параметры импульсного радиодальномера

Тактические параметры	Технические параметры
Область обзора: -максимальная дальность обнаружения ; -минимальная дальность обнаружения ; -сектор обзора по азимуту ; -время обзора по азимуту . Разрешающая способность: -по дальности ; -по углу . Точность: -суммарная погрешность РЛ . Помехоустойчивость: -минимальное значение принимаемой мощности ; -минимальное отношение мощностей сигнала и шума .	-тип антенны ФАР с круглой апертурой; -рабочая длина волны ; - диаметр апертуры; -ширина ДНА в азимутальной и угломерных плоскостях; -скорость обзора ; -КПД ; -коэффициент усиления ; -скорость поиска ; -время поиска ; -полоса пропускания приемно-усилительного тракта ; -число импульсов в пачке принимаемых РЛ при обзоре сигналов; -длительность пачки импульсов; -частота повторения импульсов; -период повторения импульсов ; -длительность импульса.

Размещено на Allbest.ru