Радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией зондирующего сигнала. Достигаемый технический результат - упрощение устройства и повышение его надежности и помехозащищенности. Указанный результат достигается за счет того, что радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом содержит приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов и блок контроля, управления и расчета высоты, определенным образом соединенные между собой. 1 ил.

 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией зондирующего сигнала, и может быть использовано при проектировании радиовысотомеров с высокой степенью помехозащищенности.

Известен радиовысотомер с частотной модуляцией зондирующего сигнала [Жуковский А.П. и др. Теоретические основы радиовысотомерии. - Сов. радио, 1979, с.173-174], содержащий передатчик частотно-модулированного сигнала, передающую антенну, приемную антенну, приемник и устройство определения разности излученной и принятой частот.

Все перечисленные элементы этого радиовысотомера входят и в состав заявляемого радиовысотомера.

В этом аналоге информация о высоте Н извлекается из разности излученной и принятой частот (частоты биений f_б), определяемой как

где ΔF - девиация частоты передатчика;

С - скорость света;

Т_м - период модуляции.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно широкая полоса пропускания Δf_p приемника, необходимая для пропускания частот биений, соответствующих максимальной и минимальной измеряемым высотам.

Если, например, ΔF=100 МГц, Т_м=3 мс, то при полете на высотах H₁=10 м и H₂=10000 м $$f_{{б}_1}=2220\text{ Гц}$$ и $$f_{{б}_2}=2220\text{ кГц}$$ . Следовательно, полоса пропускания Δf_пp приемника должна быть не менее Δf_пp=2220 кГц, что снижает чувствительность приемника и помехоустойчивость радиовысотомера.

Известен также радиовысотомер с частотной модуляцией зондирующего сигнала по авторскому свидетельству СССР №717676, кл. G01S 9/24, 1977, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора, источник опорного аналогового сигнала и блок выделения измерительного интервала полосы модуляции.

Все перечисленные элементы этого аналога, кроме источника опорного аналогового сигнала и блока выделения измерительного интервала полосы модуляции, входят и в состав заявляемого радиовысотомера.

В этом аналоге частота биений поддерживается постоянной, что позволяет уменьшить полосу пропускания приемника до 10÷15 кГц и повысить его чувствительность и помехозащищенность.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является отсутствие защиты от воздействия двухчастотной помехи, представляющей собой два СВЧ сигнала с частотами f₁ и f₂, сдвинутыми между собой на величину промежуточной (разностной) частоты подавляемого средства, в данном случае разностной частоты приемника радиовысотомера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является радиовысотомер с частотной модуляцией зондирующего сигнала, защищенный патентом РФ №2263330, G01S 13/34, 2003. Он содержит все элементы, входящие в состав радиовысотомера по авторскому свидетельству СССР №717676. Кроме того, в его состав входят настраиваемый резонатор, блок его настройки, твердотельная линия задержки, делитель мощности, два направленных ответвителя и два pin-переключателя.

Признаками, общими у заявляемого радиовысотомера с прототипом, являются последовательно соединенные приемная антенна, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора, второй выход передатчика частотно-модулированного сигнала соединен со вторым входом смесителя.

В прототипе для защиты от двухчастотной помехи предусмотрен перестраиваемый резонатор, который включен между приемной антенной и входом смесителя и перестраивается на частоту передатчика в процессе частотной модуляции излучаемого сигнала. Этот резонатор в результате своей перестройки играет роль перестраиваемого режекторного фильтра, за полосой пропускания которого оказывается двухчастотная помеха большую часть периода перестройки частоты передатчика. Таким образом, воздействие двухчастотной помехи на смеситель и приемник существенно ослабляется.

Причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является недостаточная помехоустойчивость радиовысотомера.

Дело в том, что наличие перестраиваемого резонатора обеспечивает эффективную защиту от двухчастотной помехи лишь в том случае, если сама эта помеха создается на фиксированных (немодулированных) частотах. Однако вполне вероятно создание одной из двух составляющих сигнала помехи путем усиления и ретрансляции зондирующего сигнала радиовысотомера, а в качестве второй составляющей - использование простого сдвига этого сигнала на фиксированную величину, равную разностной частоте, и последующего усиления результата сдвига. В этом случае резонатор перестает играть роль режекторного фильтра. Изменяющиеся по частоте обе составляющие сигнала двухчастотной помехи вместе с отраженным от подстилающей поверхности радиолокационным зондирующим сигналом проходят на вход смесителя и эффективно подавляют приемник.

Еще одной причиной, препятствующей достижению в прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является сложность его реализации, обусловленная наличием в его составе перестраиваемого резонатора, сложного блока для его перестройки, твердотельной линии задержки, делителя мощности, направленных ответвителей и pin-переключателей. Аппаратная сложность радиовысотомера обуславливает его недостаточно высокую надежность.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение устройства и повышение его надежности и помехозащищенности.

Для достижения указанного технического результата в известный радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора, второй выход передатчика частотно-модулированного сигнала соединен со вторым входом смесителя, введен блок контроля, управления и расчета высоты, вход которого соединен с выходом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, при этом усилитель разностной частоты и частотный дискриминатор выполнены управляемыми, а их управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым выходами блока контроля, управления и расчета высоты.

Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых совокупность вновь введенного блока и его связей с остальными элементами заявляемого радиовысотомера были бы описаны. Поэтому предлагаемый радиовысотомер следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого радиовысотомера.

Радиовысотомер содержит последовательно соединенные приемную антенну 1, смеситель 2, усилитель 3 разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор 4, блок 5 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор 6, передатчик 7 частотно-модулированного сигнала и передающую антенну 8. Кроме того, в его состав входят генератор 9 тактовых импульсов, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора 4, и блок 10 контроля, управления и расчета высоты, вход которого соединен с выходом блока 5, а первый и второй выходы - с управляющими входами усилителя 3 и дискриминатора 4 соответственно. Второй выход передатчика 7 соединен со вторым входом смесителя 2.

Электрические оси антенн 1 и 8 направлены в сторону подстилающей (земной) поверхности.

При включении радиовысотомер работает в режиме поиска. На выходе блока 5 формируется код требуемого периода Т перестройки частоты передатчика 7, поступающий на вход модулятора 6 и для контроля на вход блока 10. В данном случае этот код периодически изменяется между значениями, соответствующими минимальному T_min и максимальному T_max периодам модуляции. Под действием этого кода модулятор 6 формирует пилообразное напряжение постоянной амплитуды с периодом повторения, изменяющимся в пределах от T_min до T_max. Это напряжение с выхода модулятора 6 поступает на вход передатчика 7, который генерирует СВЧ-колебания, частота которых изменяется от F_min до F_max. СВЧ-сигнал с первого выхода передатчика 7 поступает на вход антенны 8, усиливается ею и излучается в направлении подстилающей (земной) поверхности. Часть этого сигнала со второго выхода передатчика 7 поступает на второй вход смесителя 2. Излученный в направлении подстилающей поверхности сигнал отражается от нее в направлении носителя радиовысотомера, принимается антенной 1, усиливается ею и поступает на первый вход смесителя 2.

В смесителе 2 поступившие на его входы зондирующий и отраженный от подстилающей поверхности сигналы перемножаются, в результате чего на его выходе формируются сумма и разность этих сигналов, которые поступают на вход усилителя 3.

Усилитель 3 и дискриминатор 4 выполнены управляемыми. Усилитель 3 представляет собой активный фильтр с узкой полосой пропускания и перестраиваемой центральной частотой. Его центральная частота может принимать одно из трех фиксированных значений под действием управляющего сигнала, поступающего на управляющий вход с первого выхода блока 10, например 50, 100 или 200 кГц. Аналогично дискриминатор 4 выполнен с перестраиваемой апертурой. Его центральная частота также перестраивается под действием управляющего сигнала, поступающего на его управляющий вход со второго выхода блока 10. Она также принимает одно из трех фиксированных значений, причем то же значение, что и центральная частота фильтра усилителя 3. Опорный сигнал частотой f_o для формирования центральных частот формируется генератором 9 и поступает с его выхода на второй вход дискриминатора 4.

Поступивший на вход усилителя 3 сигнал частотой, равной сумме частот зондирующего и отраженного от земли сигналов, подавляется фильтром этого усилителя, а сигнал частотой, равной разности частот зондирующего и отраженного от земли сигналов, при попадании в полосу пропускания фильтра и апертуру дискриминатора 4 усиливается усилителем 3 и поступает с его выхода на вход дискриминатора 4. В момент прохождения частотой разностного сигнала значения, точно равного центральной частоте усилителя 3 и дискриминатора 4, последний формирует на своем выходе и на входе блока 5 сигнал, под действием которого код периода Т_м на его выходе и сам период перестают изменяться во всем диапазоне Т_мах÷Т_мin, и вся система переходит в режим слежения за измеряемой высотой полета носителя радиовысотомера. Медленное отклонение периода Т_м и частоты разностного сигнала (частоты биений) от соответствующих фактической высоте полета носителя радиовысотомера отслеживаются дискриминатором 4. При отклонении частоты биений от центральной частоты усилителя 3 и дискриминатора 4, последний формирует сигнал рассогласования, соответствующий величине и знаку этого отклонения. Под действием этого сигнала блок 5 вырабатывает соответствующую поправку к периоду Т_м модуляции зондирующего сигнала, соответствующему измеряемой высоте. В результате отклонение частоты биений от требуемой исчезает.

Определение высоты Н полета носителя радиовысотомера определяется в блоке 10 путем расчета по формуле

$$H=\frac{C{T}_{м}\cdot f_{б}}{2\Delta F},\left(\text{1}\right)$$

где Т_м - период модуляции, код которого поступает на вход блока 10 с выхода блока 5.

Блок 10 управляет сменой частоты f_б биений (центральной частоты) усилителя 3 и дискриминатора 4. Работа радиовысотомера осуществляется поочередно на каждой из трех фиксированных центральных частот через одинаковые промежутки времени, например 0,2 секунды. При работе на каждой из этих частот в блоке 10 рассчитывается высота полета носителя радиовысотомера в соответствии с формулой (1) и результаты расчета сравниваются между собой. Если результаты расчета при всех трех центральных частотах примерно равны, то делается вывод о нормальной работе радиовысотомера и отсутствии помех. Если же результаты расчета примерно равны только при двух центральных частотах из трех, то делается вывод, что на третьей центральной частоте действует двухчастотная помеха, и результаты расчета высоты полета носителя радиовысотомера на третьей центральной частоте во внимание не принимаются. Таким образом, введение дополнительных центральных частот, на которых работает радиовысотомер, и сравнение результатов работы на разных центральных частотах между собой позволяют обнаружить воздействие двухчастотной помехи на работу радиовысотомера даже в том случае, если одна из двух составляющих двухчастотной помехи создается путем прямой ретрансляции зондирующего сигнала радиовысотомера с сохранением всех его модуляций.

Предлагаемый радиовысотомер достаточно легко реализуем.

Вновь введенный блок 10 может быть выполнен на основе программируемых логических интегральных схем типа FLEX фирмы "ALTERA". Функции этого блока может также выполнить бортовой компьютер носителя радиовысотомера.

Остальные элементы предлагаемого радиовысотомера (элементы 1, 8, смеситель 2, усилитель 3, дискриминатор 4, блок 5, модулятор 6, передатчик 7 и генератор 9) могут быть выполнены на основе соответствующих элементов прототипа.

Нетрудно видеть, что предлагаемый радиовысотомер значительно проще, чем прототип. В его составе отсутствуют входящие в состав прототипа перестраиваемый резонатор, сложный сам по себе блок перестройки резонатора, твердотельная линия задержки, делитель мощности, направленные ответвители и pin-переключатели. Большая простота обеспечивает радиовысотомеру более высокую надежность.

Таким образом, предлагаемый радиовысотомер в сравнении с прототипом характеризуется большей простотой, а также более высокими надежностью и помехоустойчивостью.

Радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторым входом частотного дискриминатора, второй выход передатчика частотно-модулированного сигнала соединен со вторым входом смесителя, отличающийся тем, что в него введен блок контроля, управления и расчета высоты, вход которого соединен с выходом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, при этом усилитель разностной частоты и дискриминатор выполнены управляемыми, а их управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым выходами блока контроля, управления и расчета высоты.