2. Частотный метод

В частотном методе частотно-модулированный генератор ЧМГ (рис. 2.4) излучает зондирующий сигнал, частота которого моду­лирована по некоторому закону, например по закону симметрич­ной линейной пилы (рис. 2.5):

Где fо — центральная частота сигнала; f — девиация частоты; Т — период частотной модуляции.

После отражения электромагнитной волны этого сигнала от некоторого объекта, расположенного на дальности г, в приемную антенну поступит отраженный сигнал. Закон изменения его час­тоты (рис. 2.5) будет запаздывать от закона изменения частоты зондирующего сигнала на время U=2rjc, т. е. f₂(t) =fi(t—1₃).

Отраженный сигнал усиливается избирательным (полосовым) усилителем ИУ, суммируется с зондирующим сигналом и подается «а амплитудный детектор АД, который выделяет огибающую бие­ний между зондирующим и отраженным сигналами. Частота этих биений, очевидно, равна абсолютной величине разности частот этих сигналов (рис. 2.5): f₃(t) = |fi(/)— f₂(t) |.

Легко видеть, что максимальное значение этой разности

пропорционально дальности г отражающего объекта. Измеряя эту частоту с помощью специального измерителя частоты биений ИЧБ (см. рис. 2.4), можно определить искомую дальность. Хотя ука­занный измеритель обычно измеряет не максимальную, а среднюю частоту биений, но поскольку обычно /з^Г, то различие указан­ных частот пренебрежимо мало.

Таким образом, измеряя частоту биений, возникающих в ампли­тудном детекторе при взаимодействии зондирующего и отражен­ного ЧМ сигналов, рассматриваемый частотный дальномер изме­ряет дальность до отражающего объекта.

Частотный дальномер, выходным устройством которого являет­ся измеритель частоты биений, может измерять дальность только до одного объекта и поэтому не обладает разрешающей способ­ностью по дальности. Он обычно используется в качестве радио­высотомера малых высот и широко применяется в авиации. Для получения разрешения по дальности и возможности измерения дальности до многих объектов следует в частотном радиодально­мере заменить измеритель частоты биений анализатором спектра.

Импульсный метод

В импульсном методе зондирующий сигнал представляет собой периодическую последовательность коротких радиоимпульсов дли­тельности т, повторяющихся с периодом Т (см. и₃ на рис. 2.6), причем обычно Т приблизительно на три порядка больше т.

Такая последовательность радиоимпульсов вырабатывается ге­нератором сверхвысокой частоты ГСВЧ (рис. 2.7), модулируемым- импульсами и₂ импульсного модулятора ИМ, который запускается весьма короткими пусковыми импульсами u_t (рис. 2.6), выраба­тываемыми специальным генератором пусковых импульсов ГПИ.

В связи с тем что в импульсной системе излучение зондирую­щих и прием отраженных сигналов разнесены во времени, обычно используется приемопередающая антенна А, переключаемая с приема на передачу и обратно специальным антенным коммутатором АК. Зондирующие радиоимпульсы поступают через этот антенный коммутатор в антенну и излучаются в виде электро­магнитных волн в направлении, определяемом ее положением в пространстве и диаграммой направленности. Эти волны в процес­се своего распространения при встрече с любым объектом отра­жаются на него, и какая-то (обычно малая по энергии) их часть -поступает в антенну с временным запаздыванием, определяемым дальностью объекта отражения, из нее через антенный коммута­тор в радиоприемное устройство РПрУ, а затем на некоторое вы­ходное устройство — индикатор дальности ИД (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Структурная схема нмпульсно» го дальномера

Рис. 2.6. Временные диаграммы напря­жений в схеме импульсного дальномера

Этот индикатор ИД в простейшем случае выполняется на элек­тронно-лучевой трубке с электростатическим отклонением и со­держит, кроме указанной трубки, генератор прямоугольных им­пульсов ГПрИ, который работает в ждущем режиме и запускается тем же пусковым импульсом, который поступает на импульсный модулятор. Указанный генератор вырабатывает прямоугольный импульс, длительность которого определяет длительность разверт­ки дальности в электронно-лучевой трубке индикатора и всегда меньше периода повторения Т системы. Этот импульс, подается на генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН, выраба­тывающий импульс напряжения развертки. Под действием этого импульса на двух выходах парафазного (т. е. двухтактного) уси­лителя ПФУ вырабатываются два линейно-изменяющихся импуль­са одинаковой амплитуды, но разной полярности. Иначе говоря, на одном выходе вырабатывается импульс линейно-возрастающего .напряжения, а на другом — импульс линейно-падающего напря­жения. Первый импульс подается на правую отклонующую плас­тину трубки, а второй — на ее левую отклоняющую пластину. В результате между указанными пластинами действует линейно- возрастающая во времени разность потенциалов. При этом между ними появляется электростатическое поле, напряженность которо­го в процессе развертки линейно увеличивается во времени от ну­левого значения в начале развертки до максимального в ее конце. При этом средний потенциал отклоняющих пластин при развертке остается постоянным. Под действие^ указанных отклоняющих напряжений электрон­ный луч трубки равномерно и прямолинейно развертывается по ее экрану, вызывая свечение соответствующих точек. Во время развертки положительные импульсы отраженных сигналов после их фильтрации от помех, усиления и детектирования в радиопри­емном устройстве РПрУ подаются на верхнюю отклоняющую плас­тину, вызывая в момент поступления отклонение электронного лу­ча вверх.

Несмотря на тщательное экранирование радиопередающего устройства (импульсного модулятора и генератора СВЧ) от ра­диоприемного устройства, импульс зондирующего сигнала вслед­ствие своей большой импульсной мощности проникает в последнее устройство и из него поступает на вертикально отклоняющую плас­тину трубки, вызывая на ее экране соответствующий выброс.

Таким образом, на экране электронно-лучевой трубки (рис. 2.7) образуется линейная развертка дальности с выбросами зондирую­щего и отраженных сигналов (и₅ на рис. 2.6).

Расстояние на экране трубки между передними фронтами (или максимумами) импульсов зондирующего и одного из отраженных сигналов составляет

где h — чувствительность трубки к отклонению луча; и — разность потенциалов отклоняющих пластин; U — амплитуда этой разнос- сти; /_р — длительность развертки; v„ — скорость движения пятна по экрану трубки; /_р — длина развертки; г_р — дальность, соответ­ствующая всей длительности развертки; т — масштаб, в котором отображается расстояние на экране.

Следовательно, дальность отражающего объекта r=//m про­порциональна расстоянию между передними фронтами зондирую­щего и отраженного импульсов. Ошибка измерения дальности Ar=Al/m при заданной погрешности измерения расстояния Л1 на экране трубки тем меньше, чем больше масштаб, т. е. чем боль­ший участок диаметра трубки соответствует заданному диапазону дальности.

Для удобства измерения дальности отклонение луча на экране трубки градуируется непосредственно в единицах дальности пу­тем подачи, например, на нижнюю отклоняющую пластину так называемых меток времени, которые представляют собой короткие импульсы, период повторения которых соответствует выбранному интервалу дальности. Эти метки вырабатываются специальным калибратором (он не показан на рис. 2.7), работа которого син­хронизируется пусковыми импульсами.

Легко видеть, что импульсный радиодальномер обладает раз­решающей способностью по дальности и позволяет просто опре­делять дальности многих объектов. По этой и другим причинам он получил исключительно широкое распространение

Максимальная энергетическая дальность действия технического средства.

Вследствие низкого расположения антенны (извещателя), невысокого роста нарушителей и сложностью формирования достаточно узкой диаграммы направленности радиоволновыми средствами, в отличие от оптико-электронных, сигналы, отраженные от подстилающей поверхности, интерферируют с сигналами, прошедшими по прямой, существенно влияя на максимальную энергетическую дальность действия технического средства.

Поэтому, при использовании непрерывного, модулированного или импульсного зондирующего сигнала передатчика максимальная энергетическая дальность, настраиваемая путем регулировки чувствительности приемника или мощности передатчика определяется согласно основному уравнению дальности для радиосвязи с учетом интерференционного множителя, учитывающего отражения от подстилающей поверхности и влияющего на результирующий коэффициент усиления приемной антенны, с учетом того, что передающая и приемная антенны идентичны и расстояние между блоками передачи и приема намного больше высоты нарушителя и высоты установки извещателя:

где: E1 – энергия излучения,

SA – эффективная площадь апертуры приемной антенны,

sэ – эффективная площадь рассеяния объекта,

N0 – спектральная плотность мощности шума на входе приемника,

qmin – минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника,

l – длина волны излучения,

Lп – потери при распространении сигнала,

Hи – выстота установки извещателя,

Ho – высота нарушителя.

Взаимосвязь тактических характеристик (дальность, максимально возможная дальность, мертвая зона) с техническими параметрами системы (длительность импульса, период повторения импульсов, период модуляции, девиация частоты, центральная частота сигнала).

Длительность импульса определяется как интервал времени от момента появления импульса до момента его исчезновения. Длительность переднего фронта импульса обычно определяют как время, за которое величина тока или напряжения изменяется от 0,1 до 0,9 амплитудного значения, длительность заднего фронта или спада определяют как время, за которое величина тока или напряжения изменяется от 0,9 до 0,1 амплитудного значения. При переходе от периодически повторяющихся импульсов к одиночным линейчатый спектр разложения превращается в сплошной, так как интервал между спектральными линиями, стремится к нулю. Форма огибающей при этом остается неизменной, так как она не зависит от периода повторения импульсов, а определяется их формой.

Импульсные последовательности

Импульсной последовательностью называется достаточно продолжительная последовательность импульсов, служащая для передачи непрерывно меняющейся информации, для синхронизации или для других целей, а также генерируемых непреднамеренно, например, в процессе искрообразования в коллекторно-щёточных узлах. Последовательности подразделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через строго одинаковые интервалы времени. Длительность интервала называется периодом повторения (обозначается T), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается F). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё две однозначно взаимосвязанных друг с другом параметра: скважность (обозначается Q) — отношение периода к длительности импульса и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка. Спектр периодической последовательности является дискретным и бесконечным для конечной последовательности, конечным для бесконечной. Среди непериодических последовательностей с, технической точки зрения, наибольший интерес представляют квазипериодические и случайные последовательности (на практике используются псевдослучайные). Квазипериодические последовательности представляют собой последовательности импульсов, период которых или другие характеристики варьируются вокруг средних значений. В отличие от спектра периодической последовательности, спектр квазипериодической последовательности является, строго говоря, не дискретным, а гребенчатым, с незначительным заполнением между гребнями, однако, на практике этим иногда можно пренебречь, так, например, в телевизионной технике для создания полного видеосигнала к сигналу чёрно-белого изображения добавляют сигнал цветности таким образом, что гребни его спектра оказываются между гребнями чёрно-белого видеосигнала.

Модуляция колебаний, медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Соответственно различаются амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция (рис. 1). При любом способе М. к. скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно малой, чтобы за период колебания модулируемый параметр почти не изменился.

М. к. применяется для передачи информации с помощью электромагнитных волн радио- или оптических диапазонов. Переносчиком сигнала в этом случае являются синусоидальные электрические колебания высокой частоты w (несущая частота). Амплитуда, частота, или фаза этих колебаний, а в случае света и поляризация, модулируются передаваемым сигналом (см. Модуляция света). В простейшем слу чае модуляции амплитуды А синусоидальным сигналом модулированное колебание, изображенное на рис. 2, может быть записано в виде:

х = А₀ (1 + m sin W t) sin (w t + j).

Девиа́ция частоты́ — наибольшее отклонение мгновенной частоты модулированного радиосигнала при частотной модуляции от значения его несущей частоты. Эта величина равна половине полосы качания, т. е. разности максимальной и минимальной мгновенных частот. При больших индексах модуляции полоса качания и ширина спектра ЧМ-сигнала приблизительно равны. Единицей девиации частоты является герц (Hz, Гц), а также кратные ему единицы.

Центральная частота

Центральные частоты этих двух сигналов устанавливаются равными двум частотам МЧМ-сигнала.

Центральная частота (f₀) - частота, лежащая в центре полосы пропускания полосового фильтра.

Центральные частоты цветовых поднесущих формируются с помощью двух кварцевых генераторов. В приборе предусмотрена возможность установки 30 - и 75 - процентного уровня модуляции цветовой поднесущей.

Центральная частота 15 Мгц позволяет определить ту индуктивность катушек, которая нужна для получения резонанса с параллельными емкостями междукаскадной цепи на этой частоте

Зона нечувствительности средства измерений(мертвая зона) - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений.