27

Министерство высшего и среднего образования

РСФСР

Ленинградский институт авиационного приборостроения

Методические указания к выполнению

лабораторной работы (основные сведения из теории)

Ленинград

1987

Составитель: В.Г. Васильев

Рецензенты: кафедра радиопередающих и телевизионных устройств

Ленинградского института авиационного приборостроения;

кандидат технических наук доцент Б.Т. Никитин.

Приведены методические указания для подготовки студентов к выполнению лабораторной работы "Радиовысотомер малых высот". Рассмотрен частотный метод измерения дальности и особенности его применения в радиовысотомерах .

Предназначены для студентов специальности "Радиотехника" дневного, вечернего и заочного факультетов, а также факультета целевой интенсивной подготовки.

Подготовлены к публикации кафедрой радиотехнических систем по рекомендации методической комиссии радиотехнического факультета Ленинградского института авиационного приборостроения.

© Ленинградский институт

авиационного приборостроения

(ЛИАП), 1987

Подписано к печати 05.01.88 Формат 60  84 1 / 16

Объём 35 п. л. Уч.-изд.л. 2,1 Тираж 300 экз.

Заказ № 15 Бесплатно

Ротапринт ЛИАП 190000 Ленинград, ул. Герцена, 67

Цель работы: изучение принципов построения, основных тактико-технических характеристик и методики экспериментальных исследований радиовысотомера (РВ) малых высот.

1. Методические указания по подготовке к работе

Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить зачёт по коллоквиуму. При подготовке к коллоквиуму необходимо изучить частотный метод измерения дальности, макет дальномера, принципы построения РВ А-034 (РВ-20), состав аппаратуры лабораторной установки, задачи и методику экспериментальных исследований.

2. Описание лабораторной установки

Лабораторная установка включает специальный макет для исследова­ний частотного метода измерения дальности с параллельным анализатором спектра (макет дальномера), РВ малых высот А-034, последовательный анализатор спектра, частотомер и осциллограф.

2.1. Частотный метод измерения дальности

РВ малых высот предназначены для измерения высоты полёта летательного аппарата (ЛА) в диапазоне от 0 до 1500 м. Главное их назна­чение - обеспечение посадки и полётов на малых высотах. В РВ этого ти­па наибольшее распространение получил так называемый частотный метод измерения дальности (высоты), что объясняется его главными достоинст­вами: малой минимальной измеряемой высотой и высокой точностью. При частотном методе передатчик РЛС излучает непрерывный частотно-моду­лированный (ЧМ) сигнал, а время запаздывания отражённого сигнала t_R, пропорциональное дальности R, определяется посредством измерения разностной частоты между частотами излучаемого и принимаемого сиг­налов.

Рассмотрим принцип действия РЛС такого типа. На рис. 1 изображе­на простейшая структурная схема РЛС (РВ) с частотным методом измере­ния дальности, на рис.2 - временные диаграммы в различных точках схемы. Частотный модулятор вырабатывает модулирующее напряжение. Широко применяется модуляция по симметричному линейно-ломаному зако­ну (рис. 2,а, сплошная линия), такой вид модуляции использован в лабо­раторном макете дальномера. Применяется также модуляция по синусо­идальному закону и несимметричному пилообразному закону (использова­на в РВ А-034 -рис. 2,а, штриховая линия). Существенного влияния закон модуляции частоты на работу дальномера не оказывает.

Генератор высокой частоты вырабатывает непрерывные колебания U_ПРД (рис.2,б),частота которых f_ПРД под действием модулирую­щего напряжения изменяется относительно среднего аначения f₀ на величину девиации частоты f_Д с периодом модуляции Т_М (рис.2,в). Сигнал генератора через делитель мощности поступает в передающую антенну и излучается в направлении земли. (Заметим, что на рис. 2,б показан условно лишь вид излучаемых колебаний и характер изменения частоты, поскольку в реальной аппаратуре на период Т_М приходится до 10⁸ пе­риодов высокой частоты). Полное изменение частоты зондирующего сигнала f_М =2f_Д называют полосой качания частоты или полосой моду­ляции. В РВ с ЧМ сигналом всегда выполняется условие f₀  f_М. Это вызвано тем, что антенно-фидерный тракт и высокочастотный гене­ратор не допускают больших отклонений частоты от номинала (обычно  f_М  0,1 f₀ ).

РЛС рассматриваемого типа относится к числу станций с непрерыв­ ным излучением, принципы построения которых существенно отличаются от импульсных РЛС. Главная их особенность состоит в том, что отра­жённый сигнал необходимо принимать одновременно с излучением зонди­рующего сигнала. Поэтому просачивающийся на вход приёмника сигнал передатчика должен быть достаточно малым. Для обеспечения необходимых условий развязки приёмника и передатчика РЛС непрерывного излучения обычно имеют две раздельные антенны - передающую и приёмную. В РВ часто используют рупорные антенны, формирующие симметричные, совпадающие в пространстве диаграммы шириной до 50°, направленные вертикально вниз. Диаграммы выбирают относительно широкими для обес­печения постоянного контакта с землёй при эволюциях ЛА.

Вначале для простоты будем считать отражающий объект "то­чечным" и расстояние до него неизменным. Применительно к РВ пред­положение о точечной цели означает, что сигнал отражается от малой площадки земли непосредственно под ЛА. Такое допущение справедливо при очень узкой диаграмме (в пределе - бесконечно узкой). В практи­ке радиовысотометрии отражающая поверхность является протяжённой вследствие конечной ширины диаграммы направленности. В дальнейшем остановимся на этом вопросе более подробно. Сигнал, отражённый от точечной неподвижной цели, по форме точно повторяет зондирующий сигнал, но с запаздыванием на время t_R=2R/С, где С - скорость света. Зависимость частоты принимаемого сигнала f_ПРМ от вре­мени изображена на рис. 2,в. Она изменяется по такому же линейно-ломаному закону, как и частота излучаемого сигнала, но с запазды­ванием на время t_R: f_ПРМ (t) = f_изл (t - t_R ). В текущий момент време­ни t принимается тот сигнал, который был излучён раньше - в мо­мент t - t_R.

Принимаемый сигнал поступает на смеситель. Одновременно неболь­шая часть мощности колебаний передатчика ответвляется с помощью делителя мощности и подаётся на смеситель приёмника в качестве гетеродинирующего сигнала. На выходе смесителя с помощью фильтра выделяется разностная частота, равная абсолютному значению разности мгно­венных частот излучаемых и принимаемых колебаний

F_P( t ) = | f_ПРД( t ) – f_ПРМ( t ) | .

На рис. 2,в F_P(t)определяется расстоянием по вертикали между ломаными линиями f_ПРД (t)иf_ПРМ (t) ; на рис. 2,г изоб­ражена F_P(t), а на рис.2,д - напряжение разностной частоты U_P(t). Из рис. 2,в,г,д видно, что большую часть времени F_P(t) остаётся постоянной, равной максимальному значению F_P0. На интервалах дли­тельностью t_R, называемых зонами обращения, F_P(t) убывает от F_P0 до нуля и снова возрастает до F_P0 . Циклы изменения F_Р (t) повторя­ются с полупериодом модуляции Т_м /2 .

Покажем, что время запаздывания t_R и дальность R пропор­циональны F_P0. Используя подобие треугольников на рис. 2,в со сторонами t_R и F_P0, Т_м /2 и f_M, можно записать

(1)

где F_M =1 / T_M - частота модуляции; m_R - масштабный коэффициент дальности.

Частоту F_P0 называют основной, дальномерной или максимальной разностной частотой. На практике выбирают период модуляции T_M достаточно большим, чтобы при любых дальностях выполнялось соотношение T_Mt_R. Тогда зоны обращения будут пренебрежимо малы и можно считать, что средняя разностная частота за период T_M равна F_P0: F_PсрF_P0. При этом задача измерения дальности сведётся к измерению F_Pср. На выходе фильтра разностной частоты колебания U_P(t) (рис.2,д) с помощью формирователя импульсов превращаются в последовательность импульсов (рис.2,в), средняя частота которых определяется частотомером. Такой метод измерения частоты называют методом "счёта нулей", так как стандартный импульс формируется каждый раз при переходе через нуль напряжения U_P(t) снизу вверх. Индикатор показывает измеренную дальность с учётом масштабного коэффициента m_R (рис. 1).