Доплеровский измеритель скорости и угла сноса с линейно-частотной модуляцией

Полезная модель относится к авиационному приборостроению, в том числе к системам, реализующим измерение скорости с использованием радиоволн, и может быть применена в доплеровских измерителях скорости и угла сноса (ДИСС).
Необходимость уменьшения влияния просочившегося сигнала передатчика на характеристики приемника привела к созданию ДИСС, реализующих непрерывное излучение зондирующих сигналов с гармонической частотной модуляцией. В приемниках таких ДИСС выделяется и усиливается лишь одна гармоника спектра отраженного сигнала, что обеспечивает отстройку частот передающего и приемного трактов. Такое техническое решение приводит к возможности снижения требований к развязке на 25 дБ (Сосновский А.А. Авиационная радионавигация. Справочник. - М.: Транспорт, 1990, с. 226-227). Так как сигнал просачивания воздействует на приемной устройство как помеха, то уменьшение просачивания приводит к повышению высотности применения ДИСС. Проблема уменьшения влияния сигнала просачивания имеет особую актуальность для ДИСС с печатными антеннами, в которых величина развязки относительно мала в сравнении с рупорными антеннами и составляет значение порядка минус 60 дБ.
Известны также технические решения устранения сигнала просачивания посредством режекции помехи в цифровых фильтрах (например, патент RU 2083998 от 10.07.1997). В качестве дополнительной меры применяются экранирующие перегородки между апертурами антенн, однако это приводит к нежелательному увеличению габаритов ДИСС.
Применение линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) для зондирующих сигналов в ДИСС имеет существенные преимущества по отношению к гармонической частотной модуляции в связи с достижением узкого спектра излучаемого сигнала и возможностью реализации совмещенного радиовысотомера (РВ), что, в свою очередь, позволяет одновременно определять характер отражающей поверхности (ХОП) по величине асимметрии огибающей спектра сигнала биений в режиме РВ для внесения поправок в измеренное значение частоты Доплера (Жуковский А.П., Чижов В.И., Оноприенко Е.И. Теоретические основы радиовысотометрии - М.: Советское радио, 1979, с. 122).
Близким по технической сущности является устройство с зондирующими ЛЧМ-сигналами, реализующее функции ДИСС и РВ на основе частотной дальнометрии (Колчинский В.Е., Мандуровский И.Α., Константиновский М.И. Допплеровские устройства и системы навигации. - М.: Советское радио, 1975, с. 142).
Данное устройство взято в качестве прототипа. Устройство обеспечивает возможность одновременного измерения доплеровской частоты и высоты по значениям верхней и нижней частот биений преобразованного сигнала. Для выделения верхней и нижней частот биений в схеме установлены соответствующие полосовые фильтры. Сложение и вычитание частот биений выполняется в блоках суммы и разности частот. Вычисление частоты Доплера и высоты реализуется в блоке вычислителя.
ПРД
ПРМ
R
С
Р
з
Д
Эпюры, поясняющие принцип работы данного устройства, приведены на фиг. 1, где приняты следующие обозначения: F - частота сигнала на выходе передатчика, F - частота сигнала на входе приемника, F - дальномерная частота, F -суммарная (верхняя) частота биений, F - разностная (нижняя) частота биений, Η - высота, τ - задержка на распространение, F - частота Доплера.
Д
R
Частоты биений могут быть представлены а виде суммы и разности частот F и F:
Д
R
где F - частота Доплера, F - дальномерная частота.
Из данных выражений по измеренным значениям частот биений определяются частота Доплера и дальномерная частота:
По вычисленному значению дальномерной частоты определяется значение высоты. Недостатком данного устройства является то, что радиовысотомер реализован по наклонному лучу ДИСС. Кроме того, вычисление частоты Доплера и дальномерной частоты затруднено при малых отстройках между верхней и нижней частотами биений, а из-за влияния просачивания существенно ограничивается применение ДИСС по показателю высотности.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение технических характеристик ДИСС с линейно-частотной модуляцией по показателю высотности применения за счет уменьшения влияния просачивания сигнала передатчика в приемный тракт.
Данная цель достигается за счет того, что в заявленном устройстве, содержащем передающую и приемную антенны ДИСС, малошумящий усилитель, смеситель, генератор, блок вычислителя, дополнительно применены приемная и передающая антенны радиовысотомера, формирующие диаграммы направленности по вертикальным лучам, коммутатор антенн, блок переключаемых полосовых фильтров, причем вход блока генератора соединен с первым управляющим выходом блока вычислителя, первый выход блока генератора соединен с усилителем мощности передатчика, а второй выход соединен со вторым входом смесителя, первый вход которого подключен к выходу малошумящего усилителя по приемному тракту, а выход смесителя через блок переключаемых полосовых фильтров подключен ко входу блока вычислителя, у которого второй выход соединен с управляющим входом блока переключаемых полосовых фильтров, а третий выход соединен с управляющим входом антенного коммутатора.
Необходимый технический эффект достигается разнесением во времени режимов излучения и приема зондирующих сигналов, причем длительность интервалов излучения и приема сигналов устанавливается в зависимости от текущей высоты. По вычисленному в РВ значению высоты вычисляется величина задержки на распространение радиоволн, после чего определяется длительность зондирующего ЛЧМ-импульса и, соответственно, время запирания приемника. Излучение зондирующих сигналов и прием отраженных сигналов в режиме РВ реализуется по вертикальным лучам, а в режиме ДИСС - по наклонным лучам.
Сущность работы заявляемого устройства поясняется дальнейшим описанием и чертежами. На фиг. 2 изображена структурная схема заявляемого устройства, а на фиг. 3 приведены эпюры сигналов, поясняющие принцип работы устройства.
На фиг. 2 для упрощения рассмотрения пыриведена схема однолучевого ДИСС с совмещенным РВ, где применены следующие обозначения:
1 - Передающая антенна ДИСС (А1);
2 - Приемная антенна ДИСС (А2);
3 - Передающая антенна РВ (A3);
4 - Приемная антенна РВ (А4);
5 - Коммутатор антенный (КОМ);
6 - Малошумящий усилитель (МШУ);
7 - Усилитель мощности (УМ);
8 - Смеситель (СМ);
9 - Генератор (Г);
10 - Блок переключаемых полосовых фильтров (БППФ);
11 - Блок вычислителя (БВ).
На фиг. 2 передающая антенна ДИСС 1 подключена ко входу 1 коммутатора 5, приемная антенна ДИСС 2 подключена ко входу 1 коммутатора 5, передающая антенна РВ 3 подключена к выходу 2 коммутатора 5, приемная антенна РВ 4 подключена ко входу 2 коммутатора 5, вход 4 коммутатора антенн 5 по передающему тракту подключен к выходу усилителя мощности 7, вход которого соединен с выходом 1 генератора 9, вход которого соединен с управляющим выходом 1 блока вычислителя, выход коммутатора антенн 3 по приемному тракту подключен последовательно ко входу малошумящего усилителя 6 и входу 1 смесителя 8, второй вход которого подключен к выходу 2 генератора 9, выход смесителя 8 подключен последовательно ко входу 1 блока переключаемых полосовых фильтров 10 и входу блока вычислителя 11, вход 3 коммутатора антенн 5 соединен с управляющим выходом 3 блока вычислителя 11, у которого управляющий выход 2 соединен со входом 2 блока переключаемых полосовых фильтров 10.
Μ1
М2
вых.СМ
бH
бB
б
ДИСС
Г1
Г2
смещ.l
смещ.2
На фиг. 3 приведены эпюры сигналов передатчика, приемника и сигнала биений для режима несимметричной линейно-частотной модуляции (НЛЧМ) в ДИСС с совмещенным радиовысотомером, где дополнительно к приведенным выше введены следующе обозначения: Τ - период модуляции ЛЧМ-сигнала в режиме ДИСС; Т - период модуляции ЛЧМ-сигнала в режиме РВ; ΔF - девиация частоты (полный размах); F - частота на выходе смесителя; F - частота биений нижняя в режиме РВ; F - частота биений верхняя в режиме РВ; F - частота биений в режиме ДИСС; F - частота сигнала на выходе 1 генератора; F - частота сигнала на выходе 2 генератора; F - частота смещения 1; F - частота смещения 2.
Рассмотрим два режима работы заявленного устройства: в режиме ДИСС и РВ. Пояснения к описанию данных режимов приведено в виде эпюр на фиг. 3.
Г1
бB
бH
R
В режиме РВ устройство работает следующим образом. Блоком вычислителя 11 выдается управляющая команда на формирование идентичных непрерывных последовательностей ЛЧМ сигналов с девиацией ΔF в диапазоне СВЧ на выходах 1 и 2 генератора 9, причем с выхода 1 сформированный зондирующий ЛЧМ-сигнал F(t) подается на усилитель мощности 7, с выхода которого далее подается на коммутатор антенн 5. Отраженный от земной поверхности сигнал с выхода 3 коммутатора антенн 5 подается на вход малошумящего усилителя 6, с выхода которого поступает на вход смесителя 8, второй вход которого соединен с выходом 2 генератора 9. Из-за задержки на распространение на выходе смесителя 8 формируются два сигнала биений: F - верхний сигнал биений, F - нижний сигнал биений. В блоке переключаемых полосовых фильтров выделяется полоса частот, соответствующая нижнему сигналу биений. Центральная частота в спектре этого сигнала далее рассматривается в качестве дальномерной частоты F:
где
R
F - дальномерная частота;
ΔF - девиация частоты (полный размах);
м
Т - период модуляции зондирующего НЛЧМ-сигнала.
м
R
По известным значениям ΔF, Т и F по формуле (5) определяется высота Н.
Г1
Г2
В режиме ДИСС на выходе 1 генератора 9 формируется непрерывная последовательность ЛЧМ-сигналов F(t), а на выходе 2 - импульсная последовательность F(t) со скважностью 2. Причем длительность импульсов на выходе 2 устанавливается равной задержке на распространение, определяемой по значению высоты Н, вычисленной совмещенным РВ. В результате данного технического решения интервалы включения режимов излучения и приема зондирующих сигналов разнесены во времени. На выходе смесителя 8 формируется импульсная последовательность сигнала биений с частотой заполнения:
Д
смещ
где F - частота Доплера, a F - задаваемая величина отстройки смещений частот колебаний, определяемая выражением:
б ДИСС
б
ДИСС
смещ
Вычисление частоты F реализуется спектральным методом по максимуму огибающей спектра сигнала биений. Выделение частоты Доплера из сигнала F выполняется на основании формулы (6). Значение F задается исходя из диапазона частот Доплера требуемой точности измерения частоты с применением сигнального процессора.