3.8. Частотный метод измерения дальности
Принцип измерения дальности с помощью частотной модуляции. Определение дальности до цели при использовании частотной модуляции (ЧМ) основано на измерении приращения частоты передатчика за время распространения сигнала до цели и обратно. Если предположить, что частота передатчика fп (t) может изменяться по линейному закону, то изменение частоты отраженного сигнала fс (t) будет запаздывать на время t3= 2D/с (рис. 2.31, а). В результате смешения этих колебаний образуются биения, огибающая которых является чисто гармоническим колебанием, т.е. ее спектр состоит из одной спектральной линии (рис. 2.31,6). Величина
Рис. 2.31. Частота биений при линейном изменении частоты
приращения частоты, (частота биений) легко определяется из рис. 2.31, а и равна
Fв = t3 tg = 2D(dfn/dt)/c,
т. е. пропорциональна дальности. На практике используются различные виды периодической модуляции частоты, например: симметричный и несимметричный пилообразные законы (рис. 2.32, а, б), синусоидальный закон (рис. 2.32, б).
Рис. 3.32. Виды периодической модуляции частоты
Заметим, что на всех упомянутых рисунках масштаб явно не выдержан, так как всегда средняя частота f0 > fm, где fm - девиация частоты (полоса качания).
Структурная схема простейшей рлс с чм.
Рассмотрим случай симметричного пилообразного закона ЧМ. Структурная схема такой РЛС (дальномера) приведена на рис. 3.33.
Сигнал передатчика попадает на вход приемника (в смеситель) через антенну либо по специальной линии передачи. Отраженный сигнал от неподвижной цели, также попадающий на вход приемника, запаздывает на время t3 (рис. 3.34, а). В результате смешения (сложения) двух колебаний на входе приемника образуются биения.
Мгновенная частота биений равна абсолютному значению разности мгновенных значений частот излучаемого и отраженного сигналов
Fб (t) = /fп (t) – fс (t), хотя формально можно учитывать знак частоты Fб (t). Сказанное иллюстрируется рис. 3.34, б, в. Частоту биений, которая в течение большей части периода модуляции Tм остается постоянной, назовем основной ее значение:
,
причем обычно частота fм составляет несколько десятков мегагерц, а Fm - сотни герц.
Рис. 3.33. Структурная схема простейшей РЛС с ЧМ
Функция Fб (t) (рис. 3.34, в) отличается от Fбо. Небольшие отрезки времени, равные времени запаздывания t3, в течение которых частота не остается постоянной (рис. 3.34, в), называют зонами обращения. В средних точках этих зон функция Fб (t) проходит через нуль. Для пояснения физических процессов здесь также полезно воспользоваться векторным методом (рис. 3.34, г).
В промежутке времени t1- t2 па рис. 3.34, а вектор Uс вращается по часовой стрелке с постоянной скоростью. В интервале t2- tз вращение вектора Uс замедляется, и в точке t3 он останавливается, после чего начинает вращаться в обратном направлении с возрастающей скоростью. После точки t4 скорость вращения этого вектора вновь становится постоянной и т. д.
Рис. 3.34. Временные диаграммы процессов в простейшей РЛС с ЧМ
После детектирования в смесителе выделяется огибающая биений, обычно именуемая преобразованным сигналом ипр с (рис. 3.34, д). Преобразованный сигнал имеет постоянную частоту Fbo, исключая участки длительностью tз, отстоящие друг от друга на расстоянии Тм/2, внутри которых его фаза изменяется на 180°. Чтобы определить дальность, необходимо измерить Fбо. Для этого может быть использован анализатор спектра (частотный метод). В случае одиночной цели часто применяется более простой частотомер, работающий по принципу счета числа периодов (временной метод).
В рассмотренной РЛС используется приемник с нулевой промежуточной частотой, но здесь, как и в случае доплеровской РЛС, можно использовать супергетеродинный приемник. Чувствительность приемника в данном случае, как и в других РЛС с непрерывным излучением радиоволн, ограничена шумами передатчика. Для уменьшения их влияния следует увеличивать развязку (переходное затухание) между антеннами. Применение компенсации прямого сигнала дает развязку 10 ...60 дБ.