19 Частотные методы измерения дальности. Структурная схема временная диаграмма, точность измерения

[казаринов, 344]

Частотные методы измерения дальности основаны на измерении частоты биений зондирующего сигнала, с частотной модуляцией и эхо-сигнала; используются, в основном в радиолокации, высотомерах.

Применение частотной модуляции позволяет построить дальномерные системы с непрерывным излучением сигнала, обладающие высокой точностью и разрешающей способностью. Практически используются три вида модуляции:

- симметричная линейная (СЛЧМ);

- несимметричная линейная (НЛЧМ);

- гармоническая (синусоидальная) (ГЧМ).

Упрощенная структурная схема частотного дальномера показана на рис.2.24

Рис.2.24

Мгновенное значение излучаемой частоты равно (рис.2.25а)

fu=f0+kt.

Сигнал, отраженный от объекта имеет частоту fc=f0+k(t+τ).

Разность частот несет информацию о дальности (рис.2.23б)

, (2.43)

где k=2f0Fм ,

f0 - девиация частоты,

Fм = 1/Tм– частота модуляции.

Рис 2.25 Временная диаграмма сигналов частотного дальномера

Тогда дальность до объекта равна

. (2.44)

Разрешающая способность частотного дальномера

∆Dmin=c/4fд , (2.45)

так как ширина спектра ЧМ сигнала примерно равна девиации частоты.

Так как частота биений в частотомере обычно определяется числом периодов биений за период модуляции (импульсный частотомер), то инструментальная ошибка на основании (2.44) равна

∆D = c/4f_д . (2.46)

Второй причиной, вызывающей инструментальную ошибку измерений, является изменение частоты биений во времени (рис.2.25в). Измеритель оценивает среднюю частоту биений , которая на основании рис.2.25 может быть записана в виде

. (2.47)

Чем меньше τ/Tм , тем меньше ошибка измерений; например, для того, чтобы ошибка не превышала 1% , необходимо τ/Tм = 0,01

При движении объекта, до которого измеряется дальность, частота биений изменяется также под влиянием эффекта Доплера

, (2.48)

где F_v=(F_бв – F_бн)/2 - отклонение частоты биений от среднего значения вследствие эффекта Доплера - пропорциональна радиальной скорости объекта Vr;

Fд=(Fбв + Fбн)/2 - средняя частота биений, определяющая даль­ность до объекта (рис.2.25в)

Таким образом, с одной стороны эффект Доплера усложняет измере­ние дальности, так как Fд, по которой теперь должна определятся дальность до объекта изменяется во времени по более сложному зако­ну, с другой стороны появление в спектре частот выходного сигнала частоты Fv позволит измерять скорость объекта, если поставить еще один частотомер (или счетчик импульсов).

Однако, следует иметь в виду, что при условии Fvкр = Fд ( vкр -критическая скорость объекта) выражения для Fv и Fд (2.48) меняю­тся на обратные.

Для однозначного измерения дальности и скорости во всем диапазоне заданных значений необходимо соответствующим образом выбирать fн и fв, чтобы обеспечить

Fд min > Fvmax.

При наличии в зоне облучения нескольких объектов на различных дальностях и скоростях на вход приемника поступает спектр частот-биений, составляющие которого определяются дальностями и скорос­тями объектов. Анализ спектра может производиться анализаторами частоты параллельного или последовательного типа или на ЭВМ алгоритмом быстрого преобразования Фурье. Процесс разделения объектов по дальностям и скоростям является более сложным, чем в имгульсных дальномерах, но, в отличие от импульсных дальномеров, частотные дальномеры (и высотомеры) могут работать при малых дальностях, что особенно важно для низколетящих объектов над поверхностью со сложным рельефом.