Радиовысотомер с непрерывным излучением и фазовой автоподстройкой опорного сигнала

Полезная модель относится к области радиолокации и может быль использована в бортовых системах измерения геометрической высоты или дальности до протяженной цели.
Известен «Радиодальномер» (Бакулев П.А. / Радиолокационные системы // Учебник для вузов // М.: Радиотехника. 2004 г., 320 с, ил., 233-234 с).
Устройство относится к радиолокационным системам с непрерывным линейно частотно-модулированным (ЛЧМ) излучением, в которых формирование излученного и обработка принимаемых сигналов производится в цифровой форме.
Радиодальномер состоит из последовательно соединенных звукового генератора, частотного модулятора, генератора радиочастоты и передающей антенны, а также последовательно соединенных приемной антенны, балансного смесителя, усилителя низкой частоты, и измерителя частоты, причем второй вход балансного смесителя соединен с выходом генератора радиочастоты.
Работа радиодальномера основана на использовании непрерывных ЛЧМ зондирующих сигналов и гомодинной обработке отраженных от радиолокационных объектов сигналов. При этом процесс излучения и приема отраженного сигнала совмещен во времени и информация о дальности до отражающего объекта и его отражательной способности содержится в спектре сигнала биений. Этот сигнал формируют как разность «мгновенных» частот излученного и отраженного от объекта сигналов. Измерителем частоты в радиодальномере является анализатор спектра.
Недостатком данного устройства является то, что для получения высокой точности измерителя требуется производить разложение сигнала биений в спектр с очень малым шагом перестройки по частоте. Это, в зависимости от способа технической реализации потребует либо значительных аппаратных ресурсов, либо высокой производительности вычислителя.
Известен «Частотный радиовысотомер» (Патент РФ №2313107, МПК G01S 13/34, опубл. 20.12.2007, бюл. №35)
Частотный радиовысотомер содержит последовательно соединенные генератор шумового сигнала, RC-фильтр, модулятор, частотно-модулированный генератор и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, второй вход которого соединен со вторым выходом частотно-модулированного генератора, усилитель разностной частоты, ограничитель, счетный каскад, усилитель постоянного тока и индикатор высоты.
Сигнал от генератора шума проходит через частотный фильтр, соответствующим образом формирующий спектр для получения автокорреляционной функции нужной формы, и поступает на вход модулятора. С выхода модулятора сигнал поступает на вход генератора, управляемого напряжением, и передается на антенну. Излучаемый антенной высокочастотный сигнал, после отражения от поверхности земли, воспринимается приемной антенной и поступает на первый вход смесителя.
На второй вход смесителя поступает сигнал со второго выхода генератора, управляемого напряжением. На выходе смесителя образуется сигнал биений. Этот сигнал подвергается усилению и ограничению по уровню и по минимуму в ограничителе и поступает в счетный каскад, обеспечивающий выходное напряжение, пропорциональное средней частоте пересечений сигналом биений нулевого уровня. Это напряжение, после усиления в усилителе постоянного тока, подается на индикатор высоты.
Недостатком указанного устройства является низкая точность прямого измерения частоты сигнала биений вследствие эффекта обращения фазы.
Наиболее близким из числа известных технических решений является радиовысотомер для малоразмерных летательных аппаратов (Matjaz Vidmar / Design Improves 4.3-GHz Radio Altimeter Accuracy // Microwaves & RF // 2005, no. 6.).
Радиовысотомер состоит из последовательно соединенных предварительного модулятора, модулятора, генератора, управляемого напряжением, усилителя мощности, направленного ответвителя, передающей антенны; последовательно соединенных приемной антенны, малошумящего усилителя, смесителя синфазного канала, усилителя промежуточной частоты синфазного канала, компаратора синфазного канала, формирователя импульсов, счетчика импульсов; и последовательно соединенных фазовращателя, смесителя квадратурного канала, усилителя промежуточной частоты квадратурного канала, компаратора квадратурного канала; причем второй вход смесителя синфазного канала и вход фазовращателя соединены со вторым выходом направленного ответвителя, второй вход смесителя квадратурного канала соединен с выходом малошумящего усилителя, а второй вход формирователя импульсов соединен с выходом компаратора квадратурного канала.
Предварительный модулятор и модулятор формируют модулирующий сигнал треугольной формы, который управляет несущей частотой генератора, управляемого напряжением. Сигнал несущей через усилитель мощности и направленный ответвитель, поступает в передающую антенну, которая излучает его в направлении подстилающей поверхности. Приемная антенна воспринимает отраженный сигнал, который через малошумящий усилитель поступает на входы смесителей синфазного и квадратурного каналов. Вторые входы смесителей воспринимают сигнал от направленного ответвителя, так что на смеситель синфазного канала он попадает без сдвига фазы, а в смеситель квадратурного канала - со сдвигом 90°. Образованные на выходе смесителей синфазный и квадратурный сигналы биений через соответствующие усилители промежуточной частоты и компараторы поступают на формирователь импульсов, который суммирует их и преобразует в импульсную последовательность, частота которой зависит от высоты. Счетчик импульсов определяет количество импульсов за отсчетный период и выполняет функцию усреднения, таким образом, что на его выходе формируется сигнал соответствующий измеряемой высоте.
Недостатком данного устройства является сложность аппаратурной реализации и погрешность, вызванная обращением фазы сигнала биений.
Основной задачей настоящего изобретения является создание радиовысотомера малых высот с непрерывным линейно-частотно модулированным (ЛЧМ) излучением.
Техническим результатом является повышение точности оценки высоты.
Технический результат достигается тем, что радиовысотомер с непрерывным излучением и фазовой автоподстройкой опорного сигнала, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, малошумящий усилитель, смеситель синфазного канала, аналого-цифровой преобразователь синфазного канала; последовательно соединенные модулятор, генератор, управляемый напряжением, усилитель мощности, направленный ответвитель, передающую антенну, а также последовательно соединенные фазовращатель, смеситель квадратурного канала, аналого-цифровой преобразователь квадратурного канала, причем второй выход направленного ответвителя соединен со вторым входом смесителя синфазного канала и с входом фазовращателя, а второй вход смесителя квадратурного канала соединен с выходом малошумящего усилителя, дополнительно содержит последовательно соединенные комплексный умножитель, фазовый преобразователь, усредняющий сумматор, петлевой фильтр, генератор опорного сигнала, причем первый и второй входы комплексного умножителя соединены соответственно с выходами аналого-цифровых преобразователей синфазного и квадратурного каналов, его третий и четвертый входы - соответственно с первым и вторым выходами генератора опорного сигнала, а его первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами фазового преобразователя, выход петлевого фильтра является выходом устройства.
Технический результат достигается за счет введения новых блоков и связей между ними. Введенные блоки позволяют образовать контур фазовой автоподстройки опорного сигнала к сигналу биений. Такой контур не чувствителен к ошибкам связанным с обращением фазы сигнала биений и позволяет достигнуть высокой точности измерений.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена структурная схема устройства и введены следующие обозначения:
1 - приемная антенна;
2 - малошумящий усилитель (МШУ);
3 - смеситель синфазного канала;
4 - аналого-цифровой преобразователь синфазного канала (АЦП);
5 - комплексный умножитель (КУ);
6 - фазовый преобразователь (ФП);
7 - усредняющий сумматор;
8 - петлевой фильтр;
9 - генератор опорного сигнала (ГОС);
10 - фазовращатель;
11 - смеситель квадратурного канала;
12 - аналого-цифровой преобразователь квадратурного канала (АЦП);
13 - модулятор;
14 – генератор, управляемый напряжением (ГУН);
15 - усилитель мощности (УМ);
16 - направленный ответвитель (НО);
17 - передающая антенна.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные приемную антенну 1, малошумящий усилитель 2, смеситель синфазного канала 3, аналого-цифровой преобразователь синфазного канала 4, комплексный умножитель 5, фазовый преобразователь 6, усредняющий сумматор 7, петлевой фильтр 8, генератор опорного сигнала 9; последовательно соединенные фазовращатель 10, смеситель квадратурного канала 11, аналого-цифровой преобразователь квадратурного канала 12, выход которого соединен со вторым входом комплексного умножителя 5 и последовательно соединенные модулятор 13, генератор, управляемый напряжением 14, усилитель мощности 15, направленный ответвитель 16, передающую антенну 17, причем второй выход направленного ответвителя 16 соединен с вторым входом смесителя синфазного канала 3 и входом фазовращателя 10, второй вход смесителя квадратурного канала 11 соединен с выходом малошумящего усилителя 2, а третий и четвертый входы комплексного умножителя 12 соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора опорного сигнала 9.
Комплексный умножитель 5 представляет собой цифровое вычислительное устройство, выполняющее функцию векторного умножения синфазной и квадратурной компонент оцифрованного сигнала биений и, соответственно, синфазной и квадратурной компонент цифрового опорного сигнала.
Фазовый преобразователь 6 представляет собой цифровое вычислительное устройство, определяющее величину фазового рассогласования.
Усредняющий сумматор 7 представляет собой цифровое вычислительное устройство, выполняющее функцию интегрирования и усреднения за время периода модуляции сигнала фазового рассогласования.
Петлевой фильтр 8 представляет собой цифровой фильтр низкой частоты.
Генератор опорного сигнала 9 представляет собой цифровое вычислительное устройство, формирующее компоненты опорного сигнала в виде цифровых последовательностей, частота и фаза которых зависит от сигнала на управляющем входе.
Устройство работает следующим образом: непрерывный частотно-модулированный радиосигнал формируется модулятором 13, генератором, управляемым напряжением, 14 и усилителем мощности 15, поступает через направленный ответвитель 16 в передающую антенну 17 и излучается в направлении отражающей поверхности.
Отраженный сигнал воспринимается приемной антенной 1, усиливается в малошумящем усилителе 2 и поступает на смесители синфазного 3 и квадратурного 11 каналов, на гетеродинные входы смесителей поступает соответственно прямой и сдвинутый фазовращателем 10 на 90° сигнал с второго выхода направленного ответвителя 16.
Смесители на своих выходах формируют соответственно синфазную и квадратурную составляющие сигнала биений, которые затем преобразуются в цифровую форму в аналого-цифровых преобразователях 4, 12.
С выходов АЦП 4, 12 синфазная и квадратурная составляющие сигнала биений в виде цифровых последовательностей подаются на комплексный умножитель 5, на другую пару входов которого в цифровом виде подаются соответственно синфазная и квадратурная составляющие опорного сигнала от ГОС 9.
На выходе комплексного умножителя формируются синусная -sin(dΦ[n]) и косинусная - cos(dΦ[n]) компоненты сигнала фазового рассогласования, где dΦ[n] - величина фазового рассогласования между сигналом биений и опорным сигналом, в общем случае определяется выражением
где Tm - период модуляции,  - время распространения радиосигнала,  - оценка дальности, с - скорость света.
С выхода комплексного умножителя компоненты sin(dΦ[n]) и cos(dΦ[n]) поступают в фазовый преобразователь 6, который выполняет функцию изменения знака величины фазового рассогласования в моменты времени, соответствующие границам линейных участков модулирующего сигнала, в соответствии с выражением:
(2)
где τ - период дискретизации, dΦ[n] - преобразованный сигнал фазового рассогласования на выходе ΦП 6.
(2)
Сигнал dΦ[n] на выходе ΦП 6 поступает в усредняющий сумматор 7, выполняющий функцию интегрирования средней за период модуляции величины фазового рассогласования, после чего, через петлевой фильтр 8 поступает на вход генератора опорного сигнала 9, подстраивая его так, чтобы величина dΦ[n] стремилась к нулю.
Таким образом, замыкается петля фазовой автоподстройки, и радиовысотомер работает по принципу следящей системы, непрерывно подстраивая фазу опорного сигнала к фазе сигнала биений, при этом сигнал на выходе петлевого фильтра является однозначно связанным с измеряемой геометрической высотой.
По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет получить более высокую точность измерений.