3.2 Теория измерения. Методы измерения.
Методы измерения.
Радиотехнические устройства, измеряющие уровень заполнения промышленного резервуара на основе измерения, называют радиоуровнемерами. Дальность до крайнего положения R определяют по времени запаздывания отражённого сигнала:
(3.1)
где с-скорость распространения радиоволн.
Время задержки ф может измеряться:
– непосредственно при фиксации моментов излучения и приёма сигнала;
– посредством измерения разности фаз между гармоническими колебаниями, которые выделяются из излучаемого и принимаемого сигналов;
– посредством измерения разности частот излучаемого и принимаемого сигналов.
Существует три основных метода измерения времени запаздывания:
– фазовый, когда измеряется набег фазы за время запаздывания;
– частотный, когда измеряется разность частот зондирующего и отражённого сигналов за время запаздывания;
– импульсный (временной), непосредственно измеряющий время запаздывания отражённого сигнала.
Эти методы используются в фазовых, частотных и импульсных радиодальномерах соответственно.
Фазовый метод измерения дальности
В фазовом методе (в отличие от импульсного) применяются непрерывные сигналы (не обязательно монохроматические).
Рисунок. 3.8 – Фазовый дальномер
Фазовый метод основан на измерении разности фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Генератор масштабной частоты (ГМЧ) (рисунок 3.8) модулирует по амплитуде колебания генератора высокой частоты (ГВЧ), которые излучаются в пространство. На фазометр (Ф) с ГМЧ поступает зондирующий сигнал:
(3.1)
являющейся непрерывным гармоническим колебанием, и сигнал с выхода приемника, который без учета шумов можно записать в виде:
(3.2)
-
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:
= 
(3.3)
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 2р.
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
масштабной 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 метода: 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 [2].
Частотный метод измерения дальности
Основные свойства ЧМ дальномера и блок-схема приведена на рисунке 3.9. В состав устройства входят модулятор, генератор сверхвысокой частоты, передающая и приёмная антенны, смеситель, усилитель-ограничитель, измеритель частоты и вычислитель расстояния.
Рисунок. 3.9 – Блок-схема простейшего ЧМ дальномера
Непрерывный
высокочастотный сигнал модулируется
по частоте и излучается в направлении
объекта, расстояние до которого необходимо
измерить. Обычно для модуляции используется
некоторая монотонная периодическая
функция 
с периодом 
.
Частота излучаемого сигнала изменяется
в пределах от 
до
по
закону:
(3.4)
где
– несущая частота, 
– закон изменения частоты.
Тогда диапазон перестройки частоты (удвоенное значение девиации):
(3.5)
Во
многих случаях в качестве модулирующей
функции 
используют симметричную треугольную
функции, хотя могут применяться и другие.
Спустя
время 
распространения электромагнитной волны
до объекта и обратно отражённый сигнал,
и часть мощности излучаемого сигнала
поступают в смеситель. На выходе смесителя
образуется сигнал разностной частоты,
представляющий собой низкочастотную
часть произведения излучаемого и
отражённого колебаний:
,
(3.6)
где
и 
– соответственно амплитуда и фаза
сигнала разностной частоты;
и 
– фаза излучаемого и отражённого
сигналов;
(3.7)
,
(3.8)
где
– начальное значение фазы излучаемого
сигнала;
– фаза комплексного коэффициента
отражения объекта.
Отсюда получим:
(3.9)
Обычно
условия работы дальномера таковы, что
В этом случае функцию 
в выражении (3.9) можно считать постоянной
в течение времени интегрирования и
получить:
(3.10)
Видно, что закон изменения фазы сигнала разностной частоты при указанных допущениях совпадает с законом изменения частоты зондирующего сигнала.
Сигнал разностной частоты с выхода смесителя усиливается, преобразуется в прямоугольные импульсы и поступает на измеритель частоты. Полученное значение частоты является основой для вычисления расстояния.
Основные достоинства частотного дальномера: 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.
Импульсный (временной) метод измерения дальности
В состав импульсного радиолокационного дальномера входят синхронизатор, передатчик, антенный переключатель (АП), антенна, приёмник и оконечное устройство (Рисунок 3.10).
Рисунок 3.10 – Импульсный дальномер
Синхронизатор вырабатывает последовательность видеоимпульсов для синхронизации передатчика и оконечного устройства. Передатчик (Прд) формирует импульсные высокочастотные колебания, которые могут быть модулированы или манипулированы по фазе или частоте в пределах каждого импульса по некоторому закону. Высокочастотные импульсы передатчика через антенный переключатель (АП) поступают в антенну и излучаются в пространство.
Поверхность отражает (переизлучает) сигналы передатчика. Отражённые (переизлучённые) сигналы принимаются антенной и через антенный переключатель поступают на вход приёмника (Прм). С выхода приёмника видеоимпульсы подаются в оконечное устройство (ОУ) дальномера, где производится измерение времени задержки этих импульсов относительно зондирующих сигналов передатчика. Антенный переключатель служит для запирания приёмника во время излучения зондирующих импульсов и для блокировки выходных цепей передатчика во время приёма сигналов.
В качестве оконечного устройства импульсного дальномера (измерителя времени задержки ) применяются визуальные индикаторы либо автоматические измерители, которые одновременно преобразуют величину в цифровой код. Визуальные индикаторы применяются в дальномерах, главным образом, как средство контроля.
К достоинствам относится возможность развязки передающего и приемного каналов с помощью антенного переключателя, позволяющая строить РЛС с одной антенной; и простота разрешения объектов по дальности и удобство измерения дальности многих объектов.
К недостаткам метода относятся невозможность измерения очень маленьких дальностей (так как во время излучения зондирующего сигнала приёмник заперт), а также из-за наличия «мертвой» зоны, которая определяется длительностью излучаемых импульсов и временем протекания переходных процессов в антенном переключателе; ограниченные возможности измерения радиальной скорости цели; необходимость использования больших импульсных мощностей передатчиков.
Суть импульсного метода заключается на непосредственном измерении времени запаздывания принимаемого радиоимпульса относительно излученного.
При
импульсном методе 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 задержки ф не должно
превышать периода повторения импульсов
:
(3.11)
где ф – максимальная дальность объекта. В противном случае при
(3.12)
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 рисунку 3.11):
(3.13)
В
свою очередь 
,
следовательно
(3.14)
Рисунок. 3.11 – Определение разрешающей способности импульсного метода измерения расстояния
Существует 2 вида импульсных дальномеров: не следящий (с прямым отсчётом) и следящий импульсный дальномеры. Рассмотрим каждый из них подробнее.