Реферат: Фазовый и частотный методы измерения дальности

Министерство образования РоссийскойФедерацииКазанский ГосударственныйТехнический Университет им. А.Н. ТуполеваРеферат

По дисциплине:

«Основы радиотехнических систем»

На тему:

«Фазовый и частотный методы измерения дальности»

Выполнил ст. гр.5531

М.А. Лукьянов

Проверил

Р.В. Мнекин

Казань 2002Содержание

I.         Введение……………………………………………

II.        Методы измерения дальности

       1.Частотный метод радиодальнометрии…………

           Сущность метода………………………………..

           Реализация частотного методадальнометрии...

       2. Фазовые методы дальнометрии………………..

            Общие сведения………………………………...

            Фазовый радиодальномер с модуляцией

             несущей………………………………………...

            Двухчастотные фазовые дальномеры…………

      III.       Список использованной литературы……………..

Введение

 

  Радиолокацией называется совокупностьметодов и технических средств, предназначенных для обнаружения различныхобъектов в пространстве, измерения их координат и параметров движенияпосредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых илипереизлучаемых объектами.

  Радиолокация как научно-техническое направление в радиотехнике зародилось 30-хгодах. Достижения авиационной техники обусловили необходимость разработки новыхсредств обнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками(дальностью, точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.

  Выдающийся вклад в развитие радиолокации внесли русские ученые и инженеры П.К.Ощепков, М.М. Лобанов, Ю.К. Коровин, Б.К. Шембель. В советском союзе первыеуспешные эксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационныхустройств были проведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружение войск ПВОпоступили первые серийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом вразвитии радиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю.Б.Кобзарева импульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна изнаиболее прогрессирующих областей радиотехники.

   Получениеинформации в радиолокации сопряжено с наблюдением некоторой областипространства. Технические средства, с помощью которых  ведется радиолокационноенаблюдение, называются радиолокационными станциями (РЛС), а наблюдаемые объекты– радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты,корабли, наземные инженерные сооружения.

  В радиолокации наиболее часто измеряется дальность между целью и РЛС.Существуют импульсный, частотный и фазовый методы измерения дальности. Цельюданной работы является описание частотного и фазового методов.

  Данный документ содержит 7 рисунков. Принаписании реферата было использовано 4 источника литературы и ресурсы сети Internet.

     

Методы измерения дальности.

1.   Частотный метод радиодальнометрии.

 

Сущность метода. Для этого метода характерно, что зондирующее излучение непрерывное имодулировано по частоте. Модуляция позволяет различать прямой и отраженныйсигналы по разности их частот и тем самым не только обнаружить цель, но иизмерить ее дальность.

   Частотупередатчика fпрд, естественно, нельзя неограниченно увеличивать илиуменьшать. Ее изменяют по пилообразному или пилообразному (Рис.1) закону счастотой модуляции Fм=1/Тм. Девиацию, т.е. максимальное отклонениечастоты, обозначим

                              Δfm=fmax-fmin.

   Частотаотраженного сигнала fотр повторяет частоту излученного сигнала fпрд с запаздыванием tд=2Д/с. Отсюда в один и тот же момент времени tразность частот прямого (fпрд) и отраженного (fотр) сигналов,т.е. частота биений

Fб=|νм|tд=2|νм|Д/с,                                     (1)

где |νм| — скорость изменения частоты.

   В один полупериод модуляции Тм/2 частотапередатчика fпрд возрастает и скорость νм>0, ав другой полупериод – наоборот; вместе с тем частота Fд физически неможет быть отрицательной величиной. Поэтому в формулу (1) введено абсолютноезначение скорости

модуляции |νм|. При пилообразном законе эта скорость постоянная иравна частному от деления частоты Δfm на ее продолжительность Тм/2.Тогда формулу (1) можно представить в виде

Fб=2|νм|Д/с=4ΔfmД/сТм=4ΔfmFмД/с                  (2)

   Величины Δfm, Fми с – постоянные, а это значит, что в ЧМдальномере измерение текущей дальности цели Д сводится к измерению разностичастот Fбпрямого и отраженного сигналов, причем Д и Fб связаны между собой прямо пропорциональнойзависимостью. Отсюда происходит другое название величины Fб – частоты дальности.

       Линейный закон изменения частоты Fб нарушается на участках                            протяженностью tд, в середине которых эта разностная частота проходитчерез нулевое значение. Однако, если максимальное запаздывание сигнала, котороефиксируется данной РЛС, значительно меньше периода модуляции

Временные диаграммы иллюстрирующие частотный метод измерениядальности

/> /> /> /> /> /> /> /> <td/> />
Рис.1

(tд max<< Тм), то нарушением линейности можно пренебречь и считать формулу (2)справедливой для любого закона частотной модуляции. Соотношение tд max<< Тм является также условием однозначного отсчета дальности.

  Реализация частотного метода дальнометрии. По способу обработки сигналов неследящие частотные измерители делятсяна корреляционные, с фильтровой обработкой и с корреляционно-фильтровой. Третийвариант, наиболее простой в осуществлении, представлен функциональной схемойдальномера (Рис.2) и временными диаграммами (Рис.3).

   Передающее устройство состоит из генератора высокой частоты, модулятора,изменяющего частоту генерируемых колебаний по пилообразному или синусоидальномузакону, и передающей антенны А1. Первым каскадом приемника является смеситель,с которого начинается Корреляционно-фильтровая обработка: в смесителеперемножаются отраженный сигнал uотр(t), который подводится от приемной антенны А2, сопорным сигналом uпр(t), который подводится по короткому кабелю отпередатчика; накопление энергии происходит в RC-фильтрахнижних частот, следующих за перемножителем. Как во всяком смесителе,перемножение происходит в нелинейном элементе и в результате образуютсясоставляющие суммарной и разностной частот отраженного и опорного (прямого)сигналов. Сигнал с частотой биений пропускается к усилителю низкой частоты, асоставляющие суммарных частот подавляются фильтрами нижних частот смесителя.

  Как показывает временная диаграмма напряжения биений uб (Рис.3),когда частота его Fб отклоняется от своего основного значения,синусоидальность этого напряжения нарушается. Двухсторонний ограничительамплитуды, следящий за усилителем низкой частоты, преобразует полученноенесинусоидальное напряжение с периодом Тм в прямоугольные колебания uогр.Так называемый счетчик нулей определяет частоту биений Fб по числупереходов через нуль, которые совершают положительные перепады этих колебанийза период модуляции Тм. Переходы отмечены точками на временной диаграмме. Есличисло их Nm умножить на частоту модуляции Fм,то получится частота дальности, которую фиксирует индикатор

Fб= NmFм                                                   (3)

    Если счетчик аналоговый (Рис.3), то выходноенапряжение uсч постоянное, аесли счетчик цифровой, то работа его сводится к подсчету эталонных импульсов,пропорциональных, как и напряжение uсч,частоте дальности. Очевидно, что индикатор при таком счетчике должен показыватьдальность цели в цифровой форме.

В связи с тем, что счетчики подсчитывают число полныхбиений, показания частотного дальномера изменяются скачками. Наименьшая Функциональная схема частотного радиодальномера скорреляционно-фильтровой обработкой сигналов

/> /> /> /> /> /> /> <td/> />
Рис.2

Временные диаграммычастоты биений и напряжений в измерителе частотного радиодальномера скорреляционно-фильтровой обработкой сигналов

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

                                                                                                                                                                  

/>


Рис.3

дальностьДmin, которую способен измерить дальномер, соответствуетодному полному биению за период модуляции (Nm=1). Согласно(3) это означает, что  Fб=Fм, а из (2) следует, что Fм=4ΔfmFмДmin/с. Отсюданаходим минимальную дальность, измеряемую частотным дальномером:

Дmin=с/4Δfm                                               (4)

      Следующие показания дальномера будутсоответствовать уже двум  (Nm=2; Fб=2Fм), трем (Fб=3Fм)и т.д. полным биениям за один период модуляции. Значит, имеется ошибкадискретности измерения дальности, равная скачку

ΔД=с/4Δfm                                          (5)

      При измерении дальностинескольких целей измеритель должен содержать спектроанализатор, рассчитанный напоследовательный или параллельный анализ частот биений.

       Последовательный анализпроизводится плавным изменением частоты гетеродина приемника или оптимальногофильтра, следующего за смесителем. Это требует больших затрат времени и связанос неполным использованием энергии отраженного сигнала во время перестройки.

      Многоканальный параллельный спектроанализатор (Рис.4) состоит из узкополосныхфильтров Ф1, Ф2, Ф3,…, детекторов Д1, Д2, Д3, Д4, …. и неоновых лампочек ЛН1,ЛН2, ЛН3, ЛН4, …… Полосы пропускания фильтров примыкают друг к другу иохватывают весь диапазон измеряемых частот дальности. По номерам загорающихсялампочек можно судить о том, к какому участку (каналу) дальности относитсякаждая наблюдаемая цель.

      Ясно, что чем уже полоса пропускания фильтра ΔFф, тем вышеразрешающая способность по дальности и тем меньше возможные расхождения междуистиной и указываемой индикатором дальностью цели. Этому же способствуетувеличение частоты модуляции и девиации частоты.

Сказанноеподтверждается формулами среднеквадратической ошибки σд и потенциальнойразрешающей способности ΔДmin п частотного дальномера:

                       />                  (6)

                     />                  (7)

Функциональнаясхема многоканального параллельного спектроанализатора

/>


Рис.4

2.Фазовые методы дальнометрии.

 

Общиесведения. Измерение дальностифазовыми методами заключается в измерении приращения фазы гармоническогоколебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала:

Δφ=Ωмtд=2πFм·Д/с=4πД/λм                             (8)

     Частота Fм и длинаволны λм=с/Fм называются масштабными потому, чтоот них зависит масштаб шкалы дальности, т.е. коэффициент пропорциональностимежду измеряемым фазовым сдвигом Δφ и дальностью цели Д.

        Через фазовые интервалы Δφ=2π гармоническое колебание, ас ним и показания фазометра повторяются. Отсюда согласно формуле (8)максимальный предел однозначно измеряемой дальности

Додн=λм/2                                               (9)

      Наиболее простым по устройству был бы фазовый радиодальномер с излучениемколебаний только одной – несущей частоты fо. Но тогдамасштабная частота Fм=fо и длина волны λм=λо=с/fо, атак как РЛС обычно работают на УКВ, то это ограничило бы однозначно измеряемуюдальность несколькими метрами (Додн= λм/2).

      Вместе с тем масштабная частота влияет на точность определения дальности.Действительно, из формулы (9) дальность Д=сΔφ/4πFм=λмΔφ/4π,и если фазометр измеряет Δφ со среднеквадратической ошибкойσΔφ, то дальность определяется со среднеквадратической ошибкой

σд =сσΔφ/4πFм=λмσΔφ/4π                                     (10)

       Шумы препятствуют точному определению фазового сдвига и увеличением отношениясигнал/шум qо ошибка σΔφп уменьшается:σΔφп=1//>[рад]. С учетомэтого из формулы (10) находим потенциальную среднеквадратическую ошибкуизмерения дальности фазовыми методами:

σдп=сσΔφп/4πFм=с/4πFм/>=λм/4π/>                           (11)

        Как видно, всем фазовымдальномерам присуще противоречие: увеличение масштабной частоты способствуетповышению точности измерений, но уменьшает предел однозначно измеряемойдальности. Рассмотрим, как разрешается это противоречие в двух применяемых напрактике фазовых методах.

Фазовыйрадиодальномер с модуляцией несущей. Передающаяантенна излучает радиоволны несущей частоты fо,модулированные по амплитуде гармоническими колебаниями низкой частоты F, асравнение фаз излучаемого и отраженного сигналов производится на частотеогибающей Fм этих сигналов. Пропорционально уменьшению масштабнойчастоты от fо до Fм=F (увеличению масштабной длины волны λм=с/F) возрастаетоднозначно измеряемая дальность Додн. Например, при частоте модуляции F=300Гц длина волны λм=3·10/>/300=10/>м и Додн=λм/2=10/>/2=5·10/>м=500 км.

      В передатчике дальномера (Рис.5,6) колебания генератора высокой частотымодулируются по амплитуде колебаниями генератора масштабной частоты. Отраженныеот цели АМ колебания усиливаются и демодулируются амплитудным детектором.Следовательно, выходное напряжение приемника uпрм имеетчастоту, равную масштабной Ωм=2πFм, ноотличается по фазе от напряжения uм на Ωмtд. Этот фазовый сдвиг измеряетсяфазометром.

      На функциональной схеме показан неследящий измеритель фазы с дискретным счетомдальности. Измерение сводится к счету числа эталонных импульсов Nэт,генерируемых за время запаздывания сигнала  tд. Очевидно,что период следования этих импульсов Тэт должен быть строго стабильным исущественно меньше запаздывания сигнала tд даже приминимальной дальности цели.

       Сравниваемыепо фазе синусоидальные напряжения uм и uпрмпреобразуются амплитудными ограничителями в прямоугольные колебания uом иuопрм, которые затем перемножаются, чтобы получитьколебания отрицательной полярности в течение времени tд и положительнойполярности в остальную часть полупериода модуляции. Каскад совпадения имеет двавхода: на один от генератора отрицательных эталонных импульсов поступаютколебания uэт, а на другой от перемножителя-колебания uом иuопрм. Так как те и другие совпадают по знаку только винтервалы времени tд, то эталонные импульсы uэт проходят ксчетчику пачками Nэт=tд/Tэт и цифровой счетчик указывает дальность целипропорционально числу Nэт:

Д=ctд/2=сNэтТэт/2=сNэт/2Fэт.                                      (12)

      Ошибка дискретностиизмерителя соответствует периоду эталонных импульсов:

ΔДдкр=/>сТэт/2=/>с/2Fэт                                   (13)

      Увеличение частоты Fэт уменьшает ошибку  ΔДдкр, но усложняетреализацию счета импульсов. При Fэт=10/> Гц имеемΔДдкр=/>3·10/>/2·10/>=/>15м.

Функциональная схема фазового дальномера смодуляцией несущей

/>

/>


Рис.5

Временные диаграммы напряжений фазового дальномера

с модуляцией несущей

/>


Рис.6

Противоречие в выборемасштабной частоты разрешают применение многошкального отсчета: подобноизмерению времени с помощью часовой, минутной и секундной стрелок часов, дальностьопределяют одновременно

илипоследовательно с помощью грубой шкалы, соответствующей самой

низкоймодулирующей частоте Fм1, и более точной шкалы, соответствующей масштабнойчастоте Fм2, которая кратна Fм1, и еслитребуется – по еще более точным шкалам, проградуированным для более высокихмасштабных частот Fм= Fм3, Fм4, ….

  Частоту Fм1 выбирают исходя из заданноймаксимально измеряемой дальности, а самую большую масштабную частоту – согласнотребуемой точности измерений. При этом число шкал должно быть таким, чтобы припересчете данной ошибки на ближайшую точную шкалу максимальная фазовая ошибкашкалы не превысила 2π.

Двухчастотныефазовые дальномеры. В этихдальномерах масштабная частота образуется в результате биений синусоидальныхколебаний двух несущих частот f1,f2, которые генерируются с начальными фазамиψ01,ψ02 в передатчике (Рис.7). Колебания следуют через сумматор впередающую антенну и, кроме того, в смеситель I – в качествеопорных сигналов. На выходе этого смесителя получаются колебания разностнойчастоты Δf=f1-f2 c фазой

ψ1=(2πf1-2πf2)t+(ψ01-ψ02)=2πΔft+(ψ01-ψ02)                    (14)

     Отраженные от цели сигналыулавливаются приемной антенной, разветвляются по частотам f1,f2, проходят через усилители-ограничители и преобразуются смесителемII в колебания разностной частоты  f1-f2. Частоты f1,f2выбираются близкими друг другу и для них фазовые сдвиги, обусловленныеотражением волн от цели и задержкой в РЛС, можно считать одинаковыми. На выходесмесителя II эти сдвиги полностью вычитаются и с учетомвремени запаздывания сигнала tд=2Д/с фазовый уголвыходного напряжения

ψ11=(2πf1-2πf2)(t-2Д/c)+(ψ01-ψ02)=πΔf(t-2Д/c)+(ψ01-ψ02)           (15)

     Фазометр измеряет разностьфаз ψ1,ψ11, выраженных формулами (14),(15), и определяет дальностьцели согласно выражению

Δψ=ψ1-ψ11=2πΔf(t-t+2Д/c)+(ψ01-ψ02)-(ψ01-ψ02)=4πΔfД/c=4πД/Δλ   (16)

    Легко заметить, чтофазометр двухчастотного дальномера не реагирует на сдвиг по фазе, вызванныйотражением волн от цели, и позволяет получить требуемый диапазон однозначногоизмерения дальности за счет малой разности длин волн Δλ=c/Δf,которая играет роль масштабной длины волны: λм=Δλ.Соответственно масштабная частота Fм=Δf.

    Функциональная схема двухчастотного фазовогорадиодальномера

/>


Рис.7

      Подбором величины Δfдобиваются однозначных измерений в заданном диапазоне дальности, амногошкальным отсчетом обеспечивают необходимую точность. Высокая стабильностьи кратность частот Fм этих шкал достигается тем, что сначала получают различныепары частот f1 и f2 умножениеми смешением колебаний первичного кварцевого генератора, а затем образуюттребуемые масштабные частоты Fм как биения частот f1,f2.

     Осуществление фазового радиодальномерана биениях усложняется тем, что невозможно разделить непрерывные прямой иответный сигналы одинаковой частоты. По этой причине метод биений применяетсятолько в системах с активным ответом, где ответный сигнал излучается начастоте, отличной от частоты запросного сигнала. 

Список использованной литературы.

 

1.  В.Б. Пестряков, В.Д. Кузенков.Радиотехнические системы.

М.: «Радио и связь» 1985 г.

2.  http://www.5ballov.ru

3.  Журналы «Радио» №8,№11 за 1972 г.

4.  Г.Б. Белоцерковский. Основырадиолокации и радиолокационные устройства. М.: «Советское радио» 1975 г.

5.  В.В. Васин, Б.М. Степанов.Справочник-задачник по радиолокации.

еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике