Измерение скорости при непрерывном излучении

Простейшее устройство для измерения допплеровской частоты (рис. 25-60). Передатчик излучает непрерывные колебания на частоте fo. Отраженные от цели сигналы на частоте /о+ЕДОп через приемную антенну

Передатчик

Смеситель

К измерителю

Рис. 25-60. Схема простейшего устройства для допплеровской частоты.

Сигнал, отраженный от цели, может быть записан следующим образом:

вр (0 = Sitl фпр,

где фпр--фаза принимаемых колебаний.

Если цель неподвижна и находится на дальности г0 от радиотехнического устрой ства, то фаза принимаемых колебаний равна:

фпр = coo (t - U) + фо + фотр.

?П+ Гот

где tr=2ro]c-время запаздывания отраженных колебаний; фотр - изменение фазы при отражении от цели. °Т Гвоп Перемножение указанных

< К, напряжений осуществляется в смесителе. На выходе смесителя получим составляющую, пропорциональную косинусу разности фаз обеих иапряже ний.

ня Для неподвижной цели эта

разность фаз является постоянной величиной

поступают к смесителю.; сюда же через аттенюатор подводятся высокочастотные колебания от передатчика. После смесителя выделяются сигналы с допплеровской частотой. Они усиливаются и поступают к собственно измерителю.

Если имеется только одна цель (например, в радионавигационных устройствах это Земля), то в качестве измерительного устройства можно использовать счетчик импульсов (рис. 25-61). Измеритель включает полосовой фильтр, полоса пропускания которого соответствует диапазону возможных изменений допплеровской частоты; схему ограничения синусоидального напряжения и формирования стандартных импульсов в моменты перехода синусоидального напряжения через нуль, например, снизу вверх; счетчик импульсов, выходное напряжение которого пропорционально числу выработанных стандартных импульсов в единицу времени;, вольтметр, позволяющий измерить выходное напряжение счетчика импульсов.

Рассмотренное устройство представляет собой устройство с внутренней ко-г е р е й т и о с т ыо. В нем осуществляется перемножение двух когерентных напряжений: одного, создаваемого передатчиком, и второго, представляющего собой принятый приемником отраженный от цели сигнал. Строго говоря, когерентными называются два гармонических колебания, характеризующиеся тем, что разность фаз между ними на интервале наблюдения Т остается постоянной.

Пусть излучаемые колебания представляют собой гармонические колебания изл(0 = U0 sin(coof+$o), фаза которых изменяется по линейному закону

ДФ = Физл - Фпр = - о - Фотр = const

и выходное напряжение смесителя также будет постоянным.

При движении цели время запаздывания отраженных сигналов становится величиной переменной

tr = -(r0 - Vpt), с

где Vv - радиальная составляющая скорости цели.

Поэтому для движущейся цели и разность фаз напряжений, подводимых к смесителю, переменная величина:

ДФ = Физл - Фпр = - о

Фотр

2со0 Ур t

(25-93)

фпзл = Шо* + фо.

(25-92)

1 Переменная составляющая напряжения на выходе смесителя будет равна:

2со0 Vp t вых (0 = Vвых cos-.

Здесь 2соо1р/с=Одоп представляет собой допплеровское частотное смещение отраженного сигнала.

Несмотря на то что при движении цели разность фаз перемножаемых напряжений изменяется с допплеровской частотой, напряжения называют когерентными, faK как существует строгая временная связь любой части каждого колебания с любой другой его частью. Флуктуации генерируемых передатчиком колебаний (по амплитуде, частоте или начальной фазе) нарушают когерентность перемножаемых напряжений, при-

водят к случайным изменениям выходного напряжения смесителя, что можно охарактеризовать как эквивалентное уменьшение отношения сигнал/шум. Считается допустимым случайное изменение фазы опорного напряжения (передатчика) за время запаз-

ской частоты, поступающие в измеритель. В этой схеме для обеспечения когерентности устройства необходимо предъявить жесткие требования к стабильности колебаний обоих гетеродинов. Иногда для жесткого согласования частот передатчика и

Полосовой, фильтр

Амплитудный ограничитель

формирователь Стандартных импульсов

Счетчик импульсов

Рис. 25-61. Измеритель допплеровской частоты.

Вольтметр

дывания отраженных сигналов (U) не более чем на 15° (я/12 рад). При этом Допустимое изменение частоты генератора определяется формулой

Д/г 1

Т-ЩГ- . (25 94)

Например, при г=1 мсек получим А/г/гг= =83 кгц/сек. При номинальном значении частоты излучаемых колебаний /о=Т010 гц допустимая нестабильность за 1 мсек приблизительно равна Ю-8.

Основным недостатком рассмотренного выше радиотехнического устройства является его низкая чувствительность вследствие того, что применяемые, как правило, кристаллические смесители имеют большой уровень шума в диапазоне допплеровских частот.

Супергетеродинная схема приемника для измерения допплеровской частоты (рис. 25-62). В этой схеме можно получить более высокую чувствительность. После

Гетерсдин П

Гетеродин 1

Смеситель

Смеситель

Усилитель

Измеритель

Гялп

Рис. 25-62. Схема супергетеродинного приемника для измерения допплеровской частоты.

первого смесителя образуются колебания на промежуточной (относительно высокой) Частоте, для которой уровень шумов, создаваемых смесителем, гораздо ниже. Основное усиление сигнала происходит на промежуточной частоте. Далее имеется второй смеситель (и второй гетеродин), после которого образуются колебания допплеров-

первого гетеродина применяют схемы АПЧ первого гетеродина. Однако схемы АПЧ сами являются источником случайных изменений фазы колебаний гетеродина при флуктуациях используемых в них управляющих напряжений.

В некоторых радионавигационных системах необходимо определять знак допплеровской частоты, который характеризует направление движения. Для решения этой задачи используются, так называемые дис-к р и м и н а т о р ы нулевых биений.

Схема дискриминатора изображена иа рис. 25-63. К одному из смесителей подводится напряжение второго гетеродина непосредственно, а ко второму - через фазовращатель, поворачивающий фазу напряжения на я/2. В зависимости от значения

ЧаСТОТЫ В УПЧ (/пр+Рдсп ИЛИ /пр-доп)

на выходе первого смесителя получим Ui(t) = = U соб(±Е2допГ) =47 соэйдопг, а на выходе второго U2(t) = l7 COs(±fiHon г+я/2) =

= U cos(QHon<±Ji/2). Фазу колебаний допплеровской частоты, образующихся на выходе первого смесителя, дополнительно изменяют с помощью фазовращателя на я/2, . .т. е. i(f) = cVcos(!QHon<+n/2). После этого V колебания с выходов обоих каналов подводят к фазовому детектору. Если /7ДОп>0, то фаза колебаний в обоих плечах одинакова и напряжение на выходе фазового детектора положительно. А при FKOn<f) колебания в плеч ах фазового детектора сдвинуты по фазе на я и выходное напряжение отрицательно. Таким образом, счетчик указывает абсолютное значение допплеровского смещения, а дискриминатор нулевых биений - его знак.

Часто недостатком измерителей допплеровских частот, в которых используется непрерывное излучение, является невозможность устранить просачивание излучаемых передатчиком колебаний на вход приемника. Это объясняется невозможностью полностью развязать приемную и передающую антенны, а также переизлучеиием близко расположенных предметов и гидрометеоров (дождь,- град, снег и т. д.). Амплитуда и фаза просачивающихся колебаний нзменя-

Kip1 Peon)

Смеситель

Смеситель

Фазовращатель

Гетеродин Л <fnn>

Рис. 25-63. Схема дискриминатора нулевых биений.

ются случайным образом вследствие относительных перемещений различных частей радиотехнического устройства и посторонних предметов. Поэтому компенсировать каким-либо образом просачивающиеся колебания нельзя, и их можно рассматривать как дополнительный шум на входе приемника. Ха-

Умножитель

частоты Ип-През

Схема Выделения сгибающей

измеритель fem

Рис. 25-64. Схема импульсной когерентной РЛС ным передатчиком.

рактерная особенность этого шума состоит в tcV что его мощность пропорциональна мощности передатчика и соотношение сигиал/шум в станциях с непрерывным излучением не улучшается с увеличением мощности излучения.

От этого недостатка свободны импульсные устройства, чем и объясняется их широкое распространение.

Измерение скорости при импульсном излучении

Импульсные станции также позволяют измерять допплеровский частотный сдвиг отраженных сигналов, но для этого они должны отвечать двум условиям:

во-первых станции должны быть когерентными;

во-вторых, должно быть соответствующим образом выбрано значение частоты следования импульсов.

Когерентность станций достигается в основном двумя путями. Первый путь состоит в использовании многокаскадного передатчика, задающий генератор которого играет роль источника когерентного напряжения.

Импульсная когерентная РЛС с многокаскадным передатчиком (рис. 25-64). Задающий генератор работает на частоте, равной промежуточной. Колебания задающего генератора умножаются по частоте, усиливаются по мощности, проходят через модулируемый каскад и поступают в антенну. Принимаемый сигнал проходит в ту же антенну, и через антенный переключатель (АП), смеситель, УПЧ поступает к фазовому детектору. К фазовому детектору подводится также напряжение от задающего генератора. Если цель неподвижна, то разность фаз опорного напряжения и сигнала постоянна, и на выходе фазового детектора будут образовываться импульсы постоянной амплитуды. На рис. 25-65 показано напряжение иа выходе фазового детектора, соответствующее сигналам от двух неподвижных целей / и 2, находящихся иа разных дальностях.

Сигналы от движущейся цели имеют переменный фазовый сдвиг относительно

:с многокаскад-