Частотный метод радиодальнометрии.

При определении дальности с использованием частотного метода чаще всего используют непрерывные частотно-модулированные сигналы. При этом измеряют приращение частоты сигналов передатчика за время их прямого (до цели) и обратного распространения. Частота биений прямого и отраженного сигналов соответствует текущей дальности.

Рис.11.4. Основные виды модуляции частоты.

При изменении частоты передатчика f_п(t) по линейному (пилообразному) закону изменение частоты отраженного сигнала f_от.( t ) будет запаздывать на время t_з = 2R/c пропорционально измеряемому расстоянию R (рис.11.4.а). При смешивании этих сигналов образуются биения, огибающая которых является гармоническим колебанием.

Изменение частоты передатчика за время t_з, т.е. частота биений

F_б = t_з tgα = t_з df_п /dt

В частотных радиодальномерах применяются различные виды периодической модуляции несущей частоты. При этом огибающая модуляции F_м(t) имеет различный вид.

Рис.11.4.а - для симметричного пилообразного закона

F_м(t) =1- | 2 t / T_м | при - T/2 < t < T/2

Рис.11.4.б -для несимметричного пилообразного закона

F_м(t) = 2t / T_м при - T/2 < t < T/2

Рис.11.4.в - для гармоничного закона.

F_м (t) = sinΩ_м t, где Ω_м = 2π F_м = 2π / T_м частота модуляции

Рис. 11.5. Схема частотного дальномера.

Модулированные по частоте колебания ƒ_п(t) ВЧ генератора ПРД излучаются передающей антенной А₁, а также подаются на вход смесителя ПРМ, где происходит перемножения прямого f_пр и отраженного ƒ_от (t) сигналов.

На выходе смесителя выделяется лишь НЧ сигналы (сигналы биений) пропорциональные абсолютному значению разности мгновенных значений частот прямого и отраженного сигналов.

| F_б (t)| = | f_пр. (t) – f_от (t)|

Частота биений взята по модулю, поскольку физически всегда положительна.

Рис.11.6. Временные диаграммы частотного дальномера

Частота биений остается постоянной в течении большей части периода модуляции Тм. На основании этого расстояние определяется по формуле;

R = ( c / 8Δf_м) * (F_б.о / F_м) ( 11.1.)

где Δf_м -девиация несущей частоты.

Отрезки времени t_3, в течение которых частота F_б.о не остается постоянной называется зонами обращения, поскольку в средней точке изменения функции F_б.о(t) проходят через нуль (рис.11.6. б).

Влияние зон обращения тем меньше, чем лучше выполняется условие Т_м ≥ t ₃. Поэтому полученное выражение (11.1.) носит линейный характер лишь на малых дальностях.

Процесс формирования огибающей биений при различных фазовых сдвигах отраженных сигналов относительно излучаемых показан на диаграмме

Рис.11.7.Процесс образования сигнала биений.

Предполагаем неподвижным опорный вектор Ū_п, характеризующий зондирующий сигнал. При этом ось проекций вращается с переменной круговой частотой ω_п(t) = 2π_п(t) по часовой стрелке, а вектор U_от вращается относительно U_п с частотой биений F_б (t) = f_п(t) – f_от (t) в направлении, определяемом знаком F_б.о..

При f_от < f_пр вектор U_от. вращается по часовой стрелке, а при f_от > f_пр против нее.

Для описания процесса изменения амплитуды огибающей биений сравним изменение частот сигналов на рис.11.6. а и рис.11.7. в точках 1….4.

В интервале времени 1…2 вектор U_от вращается по часовой стрелке с постоянной скоростью, а в интервале 2…3 вращение вектора U_от замедляется. В точке 3 вектор U_от. останавливается (т.к. в этой точке ƒ _п =ƒ_оп), после чего начинает вращаться в противоположном направлении с возрастающей скоростью, пока не достигнет ее постоянства и т.д.

При этом вектор Ū_р совершает угловые колебания, значения которых определяется положением вектора Ū_от.

Длина вектора Ū_р характеризует величину амплитуды биений Ų_вх на входе ПРМ.

Таким образом, огибающая биений на выходе смесителя, имеет форму гармонического колебания, за исключением участков длительностью t₃ (где фаза изменяется на 180^о).

Для определения дальности необходимо измерить F_б.о. для чего используют измерители частоты (ИЧ) различного типа, выполненные в виде анализаторов спектра, либо аналоговых или дискретных счетных измерительных схем следящего и неследящего типа.

Наиболее широко используют неследящие измерители частоты биений (ввиду простоты конструкции).

Принцип их действия заключается в подсчете числа импульсов. При аналоговом способе счета постоянная составляющая напряжения на выходе интегратора Ų_вых, будет пропорциональна числу импульсов n_т за период модуляции, т.е. частоте биений.

Метод измерения дальности путем оценки частоты биений принципиально содержит методические погрешности. В частности, так называемая методическая погрешность дискретности отсчета дальности, вызвана нарушением кратности периодов Т_м и Т_б.о. при изменении высоты, а также наличием зон обращения.

Кроме того, вывод формулы R = (c/8Δf ) * (F_б.о / F_м)_. справедлив при условии, что доплеровским приращением частоты биений F_б.д. можно пренебречь по сравнению с F_б.о ( F_б.о. » F_б.д. ), однако на практике это не всегда обеспечивается.