Методы дальнометрии

В зависимости от того, по какому параметру отраженного или ответного сигнала (по фазе, частоте или временному положению импульса) определяется его запаздывание относительно излученного, различают фазовый, частотный и импульсный методы радиодальнометрии.

Фазовый метод

При фазовом методе передатчик

(рис. 3.1) излучает немодулированное

гармоническое колебание.

Фаза этого зондирующего сигнала имеет

мгновенное значение

где f₀ – частота излучаемого колебания,

а j₀ – начальная фаза. Тогда мгновенная фаза j₂ отраженного сигнала будет запаздывать на время t₃ = 2r/с, где r – дальность отражающего объекта. Поэтому

.

Здесь для упрощения предполагается, что при отражении зондирующего сигнала от объекта его фаза не изменяется.

Отраженный сигнал поступает на приемную антенну, затем в приемник ПРМ и с него на фазометр Ф, на который поступает и зондирующий сигнал. Фазометр измеряет разность y фаз излучаемого и отраженного сигналов:

,

которая пропорциональна дальности отражающего объекта.

Следовательно, искомая дальность r=ly/(4p) и показания фазометра можно проградуировать непосредственно в единицах расстояния.

Система, реализующая фазовый метод радиодальнометрии, называется фазовым радиодальномером. Рассмотрим его некоторые характеристики.

Поскольку фазометр может однозначно измерять разность фаз в пределах до 2p, то максимальная дальность действия такого дальномера, определяемая из условия однозначного определения дальности, составляет r_max=l2p/(4p)= =0,5l, т.е. всего только половину используемой длины волны.

Абсолютная погрешность измерения дальности вследствие неточности измерения разности фаз Dy составляет

и может быть сделана сколь угодно малой за счет уменьшения длины волны. Но при этом пропорционально сокращается и максимальная дальность. Относительная погрешность измерения дальности

определяется относительной инструментальной погрешностью работы фазометра.

Легко видеть, что если на пути распространения излученной электромагнитной волны встретится не один отражающий объект, а хотя бы два, то от каждого из них на радиодальномер придет отраженный сигнал с разностью фаз, определяемой дальностью до этого объекта, и амплитудой, зависящей от дальности и площади его отражающей поверхности. Два сигнала, отраженные от указанных объектов, сложатся и образуют некоторый результирующий сигнал, фаза которого будет сложной функцией фаз и амплитуд слагаемых. Амплитуды последних заранее неизвестны и могут считаться случайными, что и обеспечивает случайность фазы результирующего сигнала. Фазометр дальномера будет измерять разность фаз этого результирующего и зондирующего сигналов, которая весьма сложным и случайным образом зависит от дальностей и эффективных отражающих поверхностей объектов. При этом фазовый дальномер будет измерять дальность до некоторого несуществующего объекта, которая пропорциональна указанной разности фаз результирующего и зондирующего сигналов. Таким образом, при наличии уже двух отражающих объектов показание фазового радиодальномера единственно и к тому же ошибочно. Следовательно, рассматриваемый фазовый радиодальномер может измерять дальность только до одного объекта, т.е. не обладает способностью определять дальности до двух и более разнесенных объектов или, как говорят, не обладает разрешающей способностью по дальности.

Частотный метод

В частотных дальномерах, как и во всех активных системах, дальность до объекта наблюдения измеряется по задержке принятого сигнала относительно зондирующего. Зондирующий сигнал — непрерывный, с частотной модуляцией. Задержка измеряется по изменению частоты между моментами приема и передачи (рис. 3.2).

В результате в любой фиксированный момент времени t₁ частоты излученного и принятого сигналов различаются на некоторую величину Df.

Для нахождения связи между изменением частоты Df и задержкой t₃ поло­жим, что на интервале задержки частота изменяется линейно —

. Тогда откуда

(3.1)

Разница частот выявляется как частота биений при подаче на нелинейный элемент (смеситель, детектор) принятого и зондирующего сигналов: Df = f_б.

Закон изменения частоты излучаемых колебаний может быть различным, в частности гармоническим или пилообразным. Изменение частоты должно быть знакопеременным, так как частота ограниченный пригодный ресурс.

В частотном методе частотно-модулированный генератор ЧМГ (рис. 3.3) излучает зондирующий сигнал, частота которого модулирована по некоторому закону, например по закону симметричной линейной пилы (рис. 3.4):

;

,

при любом t,

где f₀ – центральная частота сигнала; Df – девиация частоты; Т – период частотной модуляции.

После отражения электромагнитной волны этого сигнала от некоторого объекта, расположенного на дальности r, в приемную антенну поступит отраженный сигнал. Закон изменения его частоты (рис. 3.4) будет запаздывать от закона изменения частоты зондирующего сигнала на время t₃ = 2r/с, т.е. .

Отраженный сигнал усиливается избирательным (полосовым) усилителем ИУ, суммируется с зондирующим сигналом и подается на амплитудный детектор АД, который выделяет огибающую биений между зондирующим и отраженным сигналами. Частота этих биений, очевидно, равна абсолютной величине разности частот этих сигналов (рис. 3.4):

.

Легко видеть, что максимальное значение этой разности

пропорционально дальности r отражающего объекта. Измеряя эту частоту с помощью специального измерителя частоты биений ИЧБ можно определить искомую дальность. Хотя указанный измеритель обычно измеряет не максимальную, а среднюю частоту биений, но поскольку обычно t₃.<<Т, то различие указанных частот пренебрежимо мало.

Таким образом, измеряя частоту биений, возникающих в амплитудном детекторе при взаимодействии зондирующего и отраженного ЧМ сигналов, рассматриваемый частотный дальномер измеряет дальность до отражающего объекта.

Как видно из рисунка, частота биений остается постоянной большую часть периода модуляции Т_М и изменяется только в так называемых зонах обращения, длительность которых равна задержке t₃ принятого сигнала относительно зондирующего. Обычно период модуляции выбирают значительно большим, чем максимальная ожидаемая задержка t_зmax: t_зmах <(0,01-0,02)T_м. Поэтому измеряемая частота биений f_б определяется плоскими участками кривой на рис. 3.4. Для этих участков нетрудно получить, используя выражение (3.1)

. (3.2)

В соответствии с формулой (3.2) дальность прямо пропорциональна частоте биений, поэтому ИЧБ можно проградуировать в единицах дальности. Частотный метод измерения расстояния широко применяется в самолетных высотомерах, где используется его важное достоинство — отсутствие мертвой зоны. Максимальная измеряемая дальность находится из условия

.

Частотный дальномер, выходным устройством которого является измеритель частоты биений, может измерять дальность только до одного объекта и поэтому не обладает разрешающей способностью по дальности. Он обычно используется в качестве радиовысотомера малых высот и широко применяется в авиации. Для получения разрешения по дальности и возможности измерения дальности до многих объектов следует в частотном радиодальномере заменить измеритель частоты биений анализатором спектра.

Движение объекта приводит к появлению доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала относительно излучаемого:

.

Рассмотрим влияние эффекта Доплера на работу частотного дальномера. Возможны два случая работы системы.

1. f_д < f_б (рис. 3.5). На рис. 3.5 штрихпунктирной линией показано изме­нение частоты принимаемого сигнала от неподвижного объекта наблюдения. Раз­ность между ней и сплошной линией, которая представляет частоту зондирующе­го сигнала, равна частоте биений f_б, соответствующей дальности до объекта. Пунктирная линия смещена относительно штрихпунктирной вниз на частоту Доп­лера f_д и характеризует частоту сигнала, принятого от подвижного объекта. Из рисунка видно, что в течение одной половины периода модуляции частота бие­ний принимает значение

f_б1 = f_б - f_д

течение другой — f_б2 = f_б + f_д

Частотомер измеряет среднюю частоту биений за период модуляции

Таким образом, при f_Д < f_б доплеровское смещение частоты не влияет на среднюю частоту биений f_{б. ср}, которая и измеряется частотомером. Ины­ми словами, движение объекта не влияет на измерение дальности до него.

2. fд >fб (рис 3.6). На рис. 3.6 сохранены те же обозначения, что и рис. 3.5. Из него следует, что в течение одной половины периода модуляции частота биений равна

f_б1 = f_Д – f_б

течение другой

f_б2 = f_Д + f_б

Средняя частота биений f_{б. ср}, измеряемая частотомером, равна

Таким образом, в данном случае дальномер измеряет не дальность, а радиальную скорость. Для того чтобы дальномер измерял и дальность и радиальную скорость, надо иметь возможность раздельного измерения f_б1, f_б2 с помощью анализатора спектра и последующего их вычисления. Кроме того, необходимо иметь априорные сведения о соотношении между f₆ и f_Д.