ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ДАЛЬНОМЕРА

2003124337
ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИМИУЛЬСИОГО ДАЛЬИОМЕРА
Данная система относится к системам управления и регулирования и может быть использовано в радиолокации для определения дальности радиотехническими методами, например измерение наклонной дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ), также сопровождение АРЗ по дальности.
Общеизвестен метод определения дальности до цели, при котором дальность определяется в результате измерения времени t  2 L/C прохождения сигналом расстояния от РЛС до цели и обратно, где L - расстояние до цели, С - скорость света. Время запаздывания t может измеряться или непосредственно при фиксации моментов излучения и приема сигналов или посредством измерения разности фаз между гармоническими колебаниями, которые выделяют из излучаемого и принимаемого сигналов.
Недостатком этого на первый взгляд простого метода являются следующие: большая интенсивность помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов, а также трудность обеспечения заданной точности измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.
Отличительной особенностью отечественных систем радиозондирования является измерение импульсным методом наклонной дальности до АРЗ, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком. Запросный импульс от аэрологического метеолокатора вызывает изменение структуры сигнала, постоянно излучаемого приемопередатчиком АРЗ, выражающееся в появлеHOIQ 1/00,3/02
НИИ энергетического минимума. Временная задержка от момента формирования запросного сигнала (импульса запуска передатчика АРЗ) до энергетического минимума в ответном сигнале определяет значение реальной наклонной дальности до АРЗ, см. А.А.Ефимов «Принципы работы аэрологического информационно-вычислительного комплекса АВК-1, М, Гидрометеоиздат, 1989 г, стр.61-67.
Недостатком данной системы является неоднозначность определения дальности из-за интенсивных помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов в момент запуска АРЗ, а также недостаточная точность измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.
Известна система определения дальности РЛС, при которой применяется так называемый метод «расщепленного строба, см. «Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника, М, Сов. радио, 1978 г, том 4, стр.52-53 - ПРОТОТИП. В этой системе два полустроба распределены во времени так, что первый полустроб включается одновременно с основным стробом дальности и выключается в его средине. Второй полустроб включается в средине основного и выключается одновременно с ним. В интервалах, когда полу стробы включены, видеосигнал цели заряжает конденсаторы, которые работают как интеграторы. Конденсатор, включаемый первым стробом, заряжается до положительного напряжения, пропорционального площади первой половины видеосигнала цели, а конденсатор, включаемый вторым полустробом, заряжается до отрицательного напряжения, пропорционального площади второй половины видеосигнала. При правильном центрировании полустробов относительно симметричного видеоимпульса заряды конденсаторов одинаковы, а сумма напряжений на них равна нулю.
Недостатком данной системы является неоднозначность в определении экстремума обусловленного множеством локальных (ложных) эксремумов изза наличия в сверке сигнала шума, а также наличие остаточной низкочастотной номехи, экстремум которой тоже может быть принят за отметку о дальности, т.е. наличие широкополосных шумов приводит к дополнительной ошибке.
Технической задачей является повышение точности и однозначности определения наклонной дальности до АРЗ во всем диапазоне его полета от десятков метров до сотен километров.
Для решения поставленной задачи предлагается цифровая измерительная система импульсного дальномера, содержащая аналого-цифровой преобразователь, устройство управления и синхронизации, микроконтроллер, светодиодный индикатор, кварцевый генератор, ПЗУ, ОЗУ, компаратор и драйвер интерфейса, также шину данных, первую и вторую шину адреса и данных, первый и второй последовательный интерфейс, адресную шину, задаюшие перемычки адреса и сигналы управления, причем выход приемника дальномера соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, который является входом системы, выход АЦП шиной данных соединен с информационным входом устройства управления и индикации, который в свою очередь первой шиной адреса и данных соединен с микроконтроллером, а устройство управления и синхронизации, микроконтроллер, ОЗУ и ПЗУ соединены между собой второй шиной адреса данных, светодиодный индикатор соединен с информационным выходом микроконтроллера, который первым последовательным интерфейсом соединен с драйвером интерфейса, последний вторым последовательным интерфейсом соединен с информационным входом/выходом системы, сигнальный вход компаратора соединен с адресной шиной, а опорный ВХОД с задающими перемычками адреса, выход компаратора соединен с драйвером интерфейса, тактовая шина кварцевого генератора соединена с тактовым входом устройства управления и синхронизации, выходные сигналы управления которого соединены с АЦП, ОЗУ и ПЗУ.
На фиг.1 показана структурная схема системы, на которой показано:
1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 2 - устройство управления и синхронизации (УУ и синхр), 3 - микроконтроллер, 4 - светодиодный индикатор, 5 - ПЗУ, 6 - ОЗУ, 7 - драйвер интерфейса, 8 - цифровой компаратор, 9 - кварцевый генератор.
На фиг.2 показаны диаграммы напряжений ответного сигнала приемопередатчика и его преобразований.
Указанные узлы системы могут быть выполнены па следующих элементах:
АЦП 1 - на ИМС AD775JN, см. Components GUIDE, Band/vol 1, Spoerle electronic, GMBH, 1997, 1-10.004.
Устройство управления и синхронизации 2 - на ИМС СБИС ЕРХ880 L С84-10, см. каталог фирмы DATA SHIT PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE FAMILY стр.221, 1995 г.
МК 3 - микропроцессор на ИМС типа 80С196КС, см. каталог фирмы Jutel EMBEDDED MICROCONROLLERS and PROCESSORS, volumel, 1993r.
Светодиодный индикатор 4 - на ИМС АЛС324А, см. Справочник. Полупроводниковые приборы, изд.КУбК-а, М, 1994г., стр.482.
ПЗУ 5 - типа 27С256-120 с ультрафиолетовым стиранием или К573 РФ, см. Каталог интегральных микросхем, ЦКБ, 1985г., стр.225.
ОЗУ 6 - типа К537 РУ7, см. Каталог интегральных микросхем, ЦКБ, 1985г., стр.145.
Драйвер интерфейса 7 - на ИМС МАХ24 EPN, см. каталог фирмы MAXIM 1993г. NEW RELEASES DATA BOOR, vol.2, стр.2-7.
Компаратор 8 - на ИМС 555 СП1, см. Каталог интегральных микросхем, ЦКБ, 1985г., стр.158.
Кварцевый генератор 9 на частоту 80 МГц, наиример цо схеме, см. Полупроводниковая схемотехника, авт. У.Титце, К.Шенк, М, Мир, 1982г., стр.298.
Последовательный интерфейс по стандарту RS-232C, см. справочник Интерфейсы систем обработки данных, А.А.Мячев и др. изд. Р и С, 1989г., стр.66.
Вход системы (выход приемного устройства) соединен со входом АПЦ 1, цифровые выходы которого через параллельную шину данных соединены с входами УУ и синхр 2, вход/выход которого через первую параллельную шину адреса и данных соединен со входом/выходом МК 3, информационные выходы последнего соединены со светодиодным индикатором 4, одновременно УУ и синхр 2 через вторую параллельную шину адреса и данных соединено с МК 3, ПЗУ 5 и ОЗУ 6, а тактовый вьгход f т кварцевого генератора 9 соединен с синхровходом УУ и синхр 2, МК 3 и драйвер интерфейса 7 соединены между собой первой шиной последовательного интерфейса, а драйвер интерфейса 7 второй шиной последовательного интерфейса соединен с центральным процессором метеоРЛС (на фиг.1 процессор не показан), сигнальные входы цифрового компаратора 8 адресной шиной соединены с блоком определения углов рассогласования (на фиг.1 не показан), а опорные входы - соединены перемычками с лог.О или ЛОГ.1, выход же компаратора 8 соединен с сигнальным входом драйвера интерфейса 7, УУ и синхр 2 первым управляюш;им выходом сигнал упр.1 соединен с входом запуска АЦП 1, вторым управляюшим выходом (сигнал упр.2) - с входом ОЗУ 6 (запись данных - команда), а третьим упраляющим выходом (сигнал упр.З) - с входом ПЗУ 5 (запись данных).
Цифровая измерительная система импульсного дальномера работает следующим образом: преобразование входного аналогового сигнала от приемного устройства метеоРЛС (U вх) в цифровую форму производится высокоскоростным аналого-цифровым преобразователем 1, оцифрованный сигнал через УУ и синхр 2 записывается в ОЗУ 6. Процесс записи в ОЗУ 6 производится с частотой равной частоте дискретизации входного аналогового сигнала и совмещен с процессом обработки микроконтроллером 3 ранее записанной информации. Сама же программа работы МК 3 хранится в ПЗУ 5 с ультрафиолетовым стиранием. Обмен информации с центральным процессором (ЦП) метеоРЛС (на чертеже условно ЦП не показан) организован следующим образом:
по последовательному интерфейсу 2 ЦП устанавливает адрес, при совпадении которого с адресом заданной перемычками, формирует компаратором 8 сигнал разрещения обмена. Адрес удерживается в активном состоянии на весь цикл обмена. Выдачей определенной информацией ЦП определяет режим работы системы и тип выдаваемой информации. В ответ на полученную команду МК 3 посылает в ЦП требуемые данные. Общая синхронизация системы осуществляется от кварцевого генератора 9, а сигналы управления и синхронизации осуществляются от УУ и синхр 2.
Отличительной особенностью данного дальномера является измерение импульсным методом наклонной дальности до радиозонда, снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком. Запросный импульс от метеокомплекса с периодом повторения 1 мс вызывает изменение структуры сигнала, постоянно излучаемого приемопередатчиком радиозонда, выражающееся в
появлении энергетического минимума. Временная задержка от момента формирования занросного сигнала (импульса запуска передатчика) до энергетического минимума в ответном сигнале определяет значение реальной наклонной дальности до радиозонда.
Для повышения точности определения наклонной дальности до радиозонда необходимо решить проблему неоднозначности определения дальности, из-за интенсивных помех на малых дальностях, создаваемых отраженным сигналом от местных предметов, в момент запуска радиозонда, а также обеспечить требуемую точность измерения при малых уровнях ответного сигнала на больших расстояниях.
Принятый ответный сигнал приемопередатчика радиозонда Щ (t) (здесь и далее см. фиг.2) поступает на вход канала измерения дальности. Вид огибающей принятого сигнала приведен на фиг.2а. Дальность до радиозонда 1 (п) в текущем периоде запросного импульса п определяется временем запаздывания t3(n) прихода сигнала Ид (t) в этом периоде:
1(п)  с-13 (п)/2,(1)
где с - скорость света. Традиционно задержка t3 (п) определяется путем сверки сигнала ид (t)
то ид (t)  /ид (t-T)-h (T)-dT(2)
-то с импульсной характеристикой фильтра (фиг.2в)
(о,5/тО,
Ь(т) |-0,5/тО, ,(3)
где то половина ширины импульса огибающей сигнала ид (t).
Такую процедуру фильтрации можно рассматривать как определение сглаженной первой производной Од (t) (фиг.2б) сигнала приемопередатчика для нахождения экстремума функции Ш (t), соответствующего искомой дальности (1).
Преимуществом такого метода поиска экстремума является простота реализации импульсной характеристики (3), не требующей для получения свертки (2) операций типа умножения на переменные коэффициенты, а также подавление низкочастотных помех вследствие дифференцирующего свойства функции h (т ).
Недостатком такого алгоритма является неоднозначность в определении экстремума , обусловленная множеством локальных (ложных) экстремумов из-за наличия в смеси Щ (t) щума (фиг.2а), а также остаточная низкочастотная помеха, экстремум которой тоже может быть принят за отметку о дальности. Для селекции такой помехи вблизи перехода через нуль достаточно было бы проанализировать крутизну функции Уд (t). Но наличие щирокополосных щумов может привести к дополнительной ощибке при таком способе селекции.
Для решения проблем неоднозначности в определении истинного (глобального) экстремума без ухудшения шумовых свойств синтезируемого алгоритма проинтегрируем сглаженную производную (2):
t ид(1)  1ид(1)-ёт(4)
Нри ЭТОМ вследствие интегрирования шумы дополнительно усредняются, а сигнал примет экстремальное значение в точке 1з, соответствующей экстремуму. Подстановка выражения (4) в (2) позволяет получить следующее соотношение:
то ид (t)  1 ид (t- T)-hi (T)-di(5)
-то где hi (т) - импульсная характеристика фильтра (фиг.2д):
0,5-(1+т/то), hi(T)- 0,5-(1-т/то), ,(6)
Как видно из фиг.2 г, при таком определении экстремума значительно ослаблено влияние шумов, количество неоднозначностей уменьшено до двух и обусловлено только наличием низкочастотной помехи.
Для решения этой проблемы используем фильтр с импульсной характеристикой Ь2(т), являюш,ейся разностью двух импульсных характеристик (5) и (6) с разными аппертурами Т1 и то (фиг.2 ж). Результат обработки сигнала таким фильтром Up (t) приведен на фиг.2е. Как видно из фиг.2е устраняется неоднозначность в определении экстремума, а также подавляются как шумовая широкополосная, так и низкочастотная помехи.
Алгоритм свертки (5), необходимой для реализации этого фильтра, требует использования непостоянных коэффициентов умножения (6). Реализация алгоритма (5) аналоговыми методами вследствие этого очень сложна, но трудности с использования непостоянных коэффициентов умножения преодолимы при цифровой обработке сигнала, как в предлагаемой заявке.