Частотно-модулированный высотомер

 

Изобретение относится к радиолокации. Сущность изобретения: в частотно-модулированный радиовысотомер, содержащий источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик с частотной модуляцией, передающую антенну, приемную антенну, первый смеситель, усилитель разностной частоты, счетчик-вычислитель, генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, введены компаратор, pin-переключатель, второй смеситель, генератор опорных частот, полосовой усилитель, детектор, блок логических элементов. Достигаемый технический результат – уменьшение приборной составляющей погрешности измерения высоты, вызываемой нестабильностью крутизны электронной перестройки частоты передатчика. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией, и может быть использовано при проектировании радиовысотомеров, к которым предъявляются требования повышенной точности измерения высоты.

Известны [1], с.173-174, радиовысотомеры с частотной модуляцией, в которых информация о высоте Н извлекается из разности излученной и принятой частот (частоты биений f_б), определяемой как

где F - девиация частоты передатчика (ДЧП);

с - скорость света;

Т_м - период модуляции.

При воздействии различного рода дестабилизирующих факторов ДЧП может изменяться на величину F. Как отмечено в [3], с.5, относительное изменение может достигать ±15%, что приведет к такой же относительной погрешности измерения высоты.

Поэтому принимаются решения, направленные на повышение стабильности ДЧП.

Наиболее близким по технической сущности является частотно-модулированный высотомер, содержащий последовательно соединенные источник 12 опорного аналогового сигнала, блок 11 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор 1, передатчик 2 с частотной модуляцией и передающую антенну 3, последовательно соединенные приемную антенну 4, смеситель 5, усилитель 6 разностной частоты и счетчик-вычислитель 9, первый выход которого соединен с вторым входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй выход соединен с вторым входом усилителя разностной частоты, последовательно соединенные генератор 10 тактовых импульсов, блок 7 выделения измерительного интервала полосы модуляции, содержащий два резонатора, настроенные на частоты f₁ и f₂, соответствующие нижней и верхней частотам, определяющим ДЧП, переключатель 8 направления перестройки частоты передатчика, выход которого подключен к второму входу модулятора, при этом второй выход передатчика соединен с вторым входом смесителя, третий выход соединен с вторым входом блока выделения измерительного интервала полосы модуляции, второй выход которого соединен с вторым входом счетчика-вычислителя, третий вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, третий выход генератора тактовых импульсов соединен с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, четвертый вход которого соединен с выходом усилителя разностной частоты [2].

Недостатком этого высотомера является недостаточная точность измерения высоты. Как показано в [3], с.16, при использовании в блоке 7 резонаторов для выделения измерительного интервала относительная нестабильность ДЧП может достигать 2,15%, что приводит к такой же погрешности измерения высоты.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения высоты.

Поставленная цель достигается тем, что в частотно-модулированный высотомер, содержащий генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, последовательно соединенные источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, модулятор, второй вход которого соединен с выходом переключателя направления перестройки частоты передатчика, передатчик с частотной модуляцией и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, второй вход которого подключен к второму выходу передатчика, усилитель разностной частоты и счетчик-вычислитель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а первый и второй выходы соединены соответственно - с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и вторым входом усилителя разностной частоты, выход которого дополнительно подключен к четвертому входу блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, введены компаратор, первый вход которого соединен с вторым выходом модулятора, а на второй вход подается фиксированное напряжение, генератор опорных частот, последовательно соединенные pin-переключатель, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора опорных частот, а третий вход - с первым выходом компаратора, второй смеситель, второй вход которого подключен к третьему выходу передатчика, полосовой усилитель, детектор и блок логических элементов, второй и третьи входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам компаратора, а четвертый вход - к третьему выходу генератора тактовых импульсов, первый выход - к третьему входу счетчика-вычислителя, второй выход - к входу переключателя направления перестройки частоты передатчика, а блок логических элементов содержит первый и второй элементы И, последовательно соединенные третий элемент И, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, и RS-триггер, последовательно соединенные четвертый элемент И, второй элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с вторым входом RS-триггера, последовательно соединенные расширитель импульсов, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, пятый элемент И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, и второй триггер, первый выход которого соединен с входом переключателя направления перестройки частоты передатчика с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, а второй выход - с вторыми входами первого и второго элементов И, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И подключены к выходу детектора, третьи входы первого и четвертого элементов И подключены к первому выходу компаратора, третьи входы второго и третьего элементов И подключены к второму выходу компаратора, а выход RS-триггера подключен к третьему входу счетчика-вычислителя.

Сущность заявляемого устройства состоит в том, что вновь введенные блоки более чем на порядок повышают стабильность полосы F перестройки передатчика, что соответственно уменьшает приборную составляющую погрешности измерения высоты, возникающую вследствие нестабильности параметра F при воздействии различного рода дестабилизирующих факторов.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие вновь вводимых блоков: генератора опорных частот, второго смесителя, pin-переключателя, элементов И и ИЛИ, полосового усилителя, детектора и блока логических элементов.

Введение подобных блоков для повышения точности измерения высоты из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "Новизна".

Вновь введенные блоки известны и описаны в литературе:

- компараторы, триггеры, элементы И и ИЛИ в [4], с.286, 288, 105, соответственно;

- pin-переключатель в [5], с.50-71;

- генератор опорных частот в [6], с.21;

- полосовой усилитель в [7], с.187-194, а вновь введенный второй смеситель аналогичен смесителю, используемому в прототипе.

Однако их включение, в соответствии с описанными связями, дает возможность повысить точность измерения высоты.

Такое решение явным образом не следует из уровня техники, что соответствует критерию "Изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена функциональная схема прототипа, на фиг.2 - функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - вариант функциональной схемы передатчика с частотной модуляцией, на фиг.4 - вариант функциональной схемы блока логических элементов, на фиг.5 - вариант возможной функциональной схемы генератора опорных частот, на фиг.6 - эпюры напряжений, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство (фиг.2) содержит источник 1 опорного аналогового сигнала, блок 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор 3, передатчик 4 с частотной модуляцией, передающую антенну 5, приемную антенну 6, первый смеситель 7, усилитель 8 разностной частоты, счетчик-вычислитель 9, генератор 10 тактовых импульсов, переключатель 11 направления перестройки частоты передатчика, компаратор 12, pin-переключатель 13, второй смеситель 14, генератор 15 опорных частот, полосовой усилитель 16, детектор 17, блок 18 логических элементов. Связи между указанными блоками соответствуют фиг.2.

Передатчик 4 с частотной модуляцией (фиг.3) содержит частотно-модулированный генератор 19 и делитель мощности 20.

Блок 18 логических элементов (фиг.4) содержит первый элемент И 21, третий элемент И 22, первый элемент ИЛИ 23, RS-триггер 24, четвертый элемент И 25, второй элемент ИЛИ 26, второй элемент И 27, расширитель импульсов 28, пятый элемент И 29 и второй триггер 30.

Связи между указанными блоками соответствуют фиг.4.

Генератор 15 опорных частот (фиг.5) содержит кварцевый генератор 31, первый умножитель частоты 32, первый резонатор 33, настроенный на частоту f₁, второй умножитель 34 и второй резонатор 35, настроенный на частоту f₂.

При включении радиовысотомер работает в режиме поиска следующим образом.

Под действием сигнала с выхода блока 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика модулятор 3 формирует пилообразное напряжение "а", период повторения которого изменяется от Т_мин до Т_макс. Это напряжение поступает на передатчик 4, генерирующий сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания "б", несущая частота которых изменяется от F_мин до f_макс. СВЧ-колебания передатчика подводятся к передающей антенне 5 и излучаются по направлению к земной поверхности.

Отраженные от земли сигналы частоты F₀ принимаются приемной антенной 6 и поступают на первый вход смесителя 7, на второй вход которого подаются СВЧ-колебания частоты F_и с второго выхода передатчика 4.

Возникающие на выходе смесителя 7 колебания разностной частоты f_p=F_и-F₀ усиливаются усилителем 8 разностной частоты и поступают на вход счетчика-вычислителя 9, на второй вход которого подаются колебания частоты f₀ с второго выхода генератора 10 тактовых импульсов. Когда в результате увеличения периода модуляции Т_м разностная частота f_p становится равной частоте f₀, на первом выходе счетчика-вычислителя 9 возникает сигнал, переводящий блок 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика из режима поиска в режим слежения, при котором блок 18 логических элементов формирует импульсы, длительность которых несет информацию о высоте. Эти импульсы образуются следующим образом. Генератор 15 опорных частот формирует СВЧ-колебания частот ₁ и f₂, поступающие соответственно на первый и второй входы pin-переключателя 13, на третий вход которого поступает управляющее напряжение U_упр с 1-го выхода компаратора 16, на входы которого подаются пилообразное напряжение U_м с выхода модулятора 3 и опорное напряжение

_макс,

где U_{м макс} - максимальное выходное напряжение модулятора. Если U_м<U, то на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логической 1, при котором на выход pin-переключателя 13 проходит меньшая частота f₁, и открыты по третьим входам первый и четвертый элементы И 21 и 25.

Если же U_м>U_оп, то на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логического нуля, и на выход pin-переключателя 13 проходит частота f₂ генератора 15 опорных частот, причем f₂>f₁.

На фиг.6 показан процесс управления и формирования информации. В момент t₀, когда на 1-м выходе компаратора 12 имеется уровень логической единицы, на выход pin-переключателя 18 проходит частота f₁ генератора 15 опорных частот.

В это же время на втором выходе второго триггера 30 присутствует уровень логической 1, открывающий первый элемент И 21 по второму выходу. При уменьшении в момент t₁ частоты f_прд передатчика 4 до величины

f_прд=f₁+f_ф

на выходе второго смесителя 14 возникает импульс "в" частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется детектором 17 и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27.

Поскольку по всем трем входам в этот момент открыт только первый элемент И 21, на его выходе возникает импульс "г", который поступает через второй вход первого элемента ИЛИ 23 на R вход RS-триггера 24 и переводит его в состояние логического 0 (импульс "д"), при котором прекращается счет импульсов генератора 10 тактовых импульсов в счетчике-вычислителе 9. Импульс "г" поступает через 1-й элемент ИЛИ 23 и на расширитель импульса 28, формирующий импульс "е", поступающий на первый вход пятого элемента И 29, на второй вход которого подаются тактовые импульсы "ж", снимаемые с третьего выхода генератора 10 тактовых импульсов. В момент t₂ на выходе пятого элемента И 29 возникает импульс "к", переводящий триггер управления 30 в состояние, при котором на его первом выходе возникает уровень логической 1 (импульс "л"), по которому переключатель 11 направления перестройки частоты передатчика изменяет направление изменения напряжения модулятора 3, переводя его из падающего в растущее, вызывая тем самым увеличение частоты _прд передатчика 4.

При увеличении частоты f_прд до величины f_прд=f₂-f_ф (в момент t₃) на выходе второго смесителя 14 возникает импульс частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27. Однако, в этот момент открыт по всем входам только четвертый элемент И 25. На его выходе возникает импульс "м", поступающий через второй элемент ИЛИ 26 на S вход RS-триггера 24, переводя его в состояние логической 1, при котором возможен счет тактовых импульсов счетчиком-вычислителем 9.

При увеличении напряжения модулятора 3 до величины U_м>U₀ на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логического 0, при котором pin-переключатель 13 подает на вход второго смесителя 14 частоту f₂, формируемую генератором 15 опорных частот.

При увеличении частоты f_прд до величины f_прд=f₂-f_ф в момент t₄ на выходе второго смесителя 14 возникает импульс напряжения частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется детектором 17 (импульс "н") и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27, из которых открыт по вторым и третьим входам лишь третий элемент И 22. Возникающий на его выходе импульс "0" через первый элемент ИЛИ 23 переводит RS-триггер 24 в состояние 0, при котором прекращается счет импульсов генератора 10 счетчиком-вычислителем 9. Таким образом, счет импульсов осуществляется за время t₃-t₄, при этом частота передатчика изменяется от f₁-f_ф до f₂-f_ф. Важно подчеркнуть, что диапазон перестройки частоты передатчика не зависит от частоты настройки усилителя 16, и уходы последней не приведут к ошибке измерения высоты. Импульс "о" через первый элемент ИЛИ 23 запустит расширитель импульса 28, формирующий импульс "п", поступающий на пятый элемент И 29, выходной импульс которого переводит первый выход триггера 30 в состояние 0, при котором пилообразное напряжение модулятора 3 начнет уменьшаться, вызывая уменьшение частоты передатчика 4. В момент времени t₆, когда f_прд=f₂+f_ф, на выходе второго смесителя 14 возникнут импульсы частоты _ф, которые детектируются и поступают на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27. Но по вторым и третьим входам все вышеперечисленные элементы И, кроме элемента И 27 будут закрыты.

Возникающий на его выходе импульс "с" через второй элемент ИЛИ 26 приведет RS-триггер 24 в состояние 1, и счетчик-вычислитель 9 начнет считать импульсы генератора 10 до тех пор, пока в момент времени t₇ f_прд=f₁+f_ф и на выходе второго смесителя 14 возникнут, усилятся и продетектируются импульсы "т", которые переведут RS-триггер 24 в состояние 0, и процесс модуляции повторится.

Счетчик-вычислитель 9, как и в прототипе, сравнивает разностную частоту f_p с частотой f₀ генератора 10 тактовых импульсов и формирует на первом выходе сигнал, поступающий на третий вход блока 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и изменяющий период модуляции таким образом, чтобы f_p=f₀.

Для исключения захвата прямого сигнала при измерении малых высот счетчик-вычислитель 9 на втором выходе формирует сигнал, поступающий на второй вход усилителя 8 разностной частоты и изменяющий его усиление, устанавливая его малым при измерении малых высот и большим - при измерении больших высот.

Оценим нестабильность F. Для радиовысотомера можно принять f₁=4250 МГц, a f₂=4377,5 МГц (F=f₂-f₁=4377,5-4250=127,5 МГц). Тогда частоту КГ 31 можно выбрать равной 42,5 МГц и принять n=100, a k=3. Согласно [4], с.298-300, относительная нестабильность частоты кварцевого резонатора не превышает 10^-4.

В этом случае уходы частот f₁ и f₂ не превысят f₁=425 кГц и f₂=437,7 кГц. Следовательно, F=f₂-f₁=12,7 кГц, а относительное изменение девиации не превысит 0,01%. Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет по сравнению с прототипом в 100 раз уменьшить приборную составляющую погрешности измерения высоты, вызываемую нестабильностью девиации F.

Это позволяет при принятии мер по уменьшению методической составляющей погрешности измерения высоты использовать один частотно-модулированный высотомер для измерения малых и больших высот.

Вновь вводимые блоки pin-переключатель, второй смеситель и генератор опорных частот могут быть изготовлены по тонкопленочной технологии, а блок 18 логических элементов может быть выполнен на одной программируемой логической интегральной схеме, что не приведет к существенному увеличению объема и массы предлагаемого РВ.

Литература

1. Жуковский А.П. и др. Теоретические основы радиовысотометрии. - М.: Советское радио, 1979, с.173-174.

2. Цифровой частотно-модулированный радиовысотомер. Авторское свидетельство СССР № 717676 по заявке № 2545867 от 22 ноября 1977 г., кл. G 01 S 9/24.

3. Частотно-модулированный радиовысотомер. Патент РФ № 2133483 по заявке № 98107607 от 21.04.1998 г., кл. G 01 S 13/34, с.5, 16.

4. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника, М.: Мир, 1982, с.105, 286, 288, 298-300.

5. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах, М.: Радио и связь, 1987, с.50-71.

6. Резонаторы кварцевые РГ-08. Технические условия ЩЖ)338068ТУ, 1976, с.21.

7. Клич С.М. и др. Проектирование приемных устройств, М.: Советское радио, 1976, с.186-194.

Формула изобретения

1. Частотно-модулированный высотомер, содержащий генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, последовательно соединенные источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, модулятор, второй вход которого соединен с выходом переключателя направления перестройки частоты передатчика, передатчик с частотной модуляцией и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого подключен к второму выходу передатчика, усилитель разностной частоты и счетчик-вычислитель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а первый и второй выходы соединены соответственно - с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и вторым входом усилителя разностной частоты, выход которого дополнительно подключен к четвертому входу блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, отличающийся тем, что введены компаратор, первый вход которого соединен с вторым выходом модулятора, а на второй вход подается фиксированное напряжение, генератор опорных частот, последовательно соединенные pin - переключатель, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора опорных частот, а третий вход - с первым выходом компаратора, второй смеситель, второй вход которого подключен к третьему выходу передатчика, полосовой усилитель, детектор и блок логических элементов, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму выходу компаратора, а четвертый вход - к третьему выходу генератора тактовых импульсов, первый выход - к третьему входу счетчика-вычислителя, а второй выход - к входу переключателя направления перестройки частоты передатчика.

2. Частотно-модулированный высотомер по п.1, отличающийся тем, что блок логических элементов содержит первый и второй элементы И, последовательно соединенные третий элемент И, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, и RS-триггер, последовательно соединенные четвертый элемент И, второй элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - со вторым входом RS-триггера, последовательно соединенные расширитель импульсов, вход которого соединен с вторым выходом первого элемента ИЛИ, пятый элемент И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, и второй триггер, первый выход которого соединен входом переключателя направления перестройки частоты передатчика и с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, а второй выход - с вторыми входами первого и второго элементов И, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И подключены к выходу детектора, третьи входы первого и четвертого элементов И подключены к первому выходу компаратора, третьи входы второго и третьего элементов И подключены к второму выходу компаратора, а выход RS-триггера подключен к третьему входу счетчика-вычислителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6