Лабораторные / Лаб-работа_ДИСС

31

образованного сигнала тем больше отличается от нуля, чем дальше элементар-

ный отражатель находится от слепой линии. На рис.29 показано изменение мощности отражённого сигнала в зависимости от высоты с учётом конечной ширины

диаграммы.

Изменения мощности преобразованного сигнала» связанные со слепыми высотами, приводят к дополнительному смещению средней допплеровской часто-

ты спектра и дополнительным погрешностям, которые могут быть весьма значительными. Для устранения влияния слепых высот применяют вобуляцяю частоты модуляции FМ по периодическому закону в пределах FМ ± ∆FМ. Обычно используют симметричный пилообразный закон модуляции в такт с переключением лучей

(рис.30).

Например, при ∆FМ = 0,2FМ mmax/mmin=1,5 , при этом мощность третьей гармоники изменяется на 35-40%, Для поддержания мощности третьей гармоники на

постоянном максимальном уровне применяют устройство стабилизации m. Оно изменяет амплитуду напряжения модуляции, а вместе с ней и девиацию частоты ∆f пропорционально изменению частоты модуляции, обеспечивая постоянство m.

Функциональная схема частотно-следящего фильтра

На рис, 31 приведена функциональная схема следящего фильтра, который обеспечивает:

-автоматический поиск сигнала по частоте Допплера при первоначальном

включении ДИСС и в случае пропадания сигнала;

-обнаружение и захват сигнала по частоте;

-автоматическое слежение за спектром допплеровских частот сигнала и выдачу на выходе стандартных импульсов, частота повторения которых равна сред-

ней частоте входного сигнала;

-автоматический переход в режим "Память" при уменьшении отношения сиг- нал-шум в полосе фильтра ниже допустимого;

-автоматическое переключение полосы прозрачности следящего фильтра в за-

висимости от текущего значения измеренной частоты Допплера (при FД ≤ 3 кГц - узкая полоса 0,3 кГц, при FД > 3 кГц - широкая - 1 кГц).

Допплеровский полезный сигнал подобен узкополосному шуму. На вход

следящего фильтра он поступает вместе с широкополосным шумом, спектр которого определяется полосой пропускания УДЧ (примерно от 0,8 до 14 кГц). С помощью генератора опорной частоты foп и балансного смесителя низкочастотный

допплеровский спектр переносится на вспомогательную частоту fc = foп + FД (порядка нескольких сотен кГц), которая выделяется фильтром вспомогательной час-

тоты (ФВЧ) . При этом опорный сигнал foп подавляется вследствие применения балансной схемы смесителя, зеркальный - в ФВЧ.

После переноса на вспомогательную частоту сигнал подаётся на квадра-

турно-фазовый дискриминатор (КФД). На второй вход КФД подается колебание перестраиваемого гетеродина (ПГ) с частотой fг. КФД выдаёт сигнал ошибки, пропорциональный разности между вспомогательной частотой сигнала fc и частотой гетеродина

∆U = k( fг − fc ) .

32

33

Частотный дискриминатор оказывает основное влияние на точность следящего измерителя частоты. Построение дискриминатора по известной схеме с

двумя расстроенными относительно центральной частоты контурами для ДИСС неприемлемо в связи с её нестабильностью, так как уход частоты настройки кон туров при изменении температуры или других условий иа частоту δF приводит к такой же ошибке в измерении частоты Допплера. Схема КФД является более ус-

тойчивой по отношению к дестабилизирующим факторам, так как она построена по принципу непосредственного сравнения вспомогательной частоты сигнала fc и перестраиваемого гетеродина fг.

Квадратурно-фазовый дискриминатор включает два преобразователя частоты, состоящих из балансных смесителей и фильтров низких частот (ФНЧ) , двух

Определим напряжения на выходах преобразователей с учётом действия

фазосдвигающих цепей. При этом будем иметь в виду, что ФНЧ выделяет низкую частоту, равную разности между большей и меньшей частотами входных сигналов. Фаза низкочастотного колебания равна разности фаз между большей и меньшей частотами. Это является главным, что определяет принцип действия КФД.

Пусть ωг > ωс, тогда напряжение на входах фазового детектора с учётом вы-

Из формул (17) и (18) видно, что при fг > fс фазы напряжений U1 и U2 на вхо-

дах ФД одинаковы и напряжение на выходе ФД ∆U>0; при fг < fс фазы противоположны и ∆U<0.

На рис.33,а) и б) показаны спектры гармонических сигналов, а на рис.33,в) -

соответствующая этому случаю ступенчатая дискриминационная характеристика.

Реальный спектр допплеровских частот содержит множество гармоник со случай-

ными амплитудами (рис.34,a). Для части гармоник, для которых fг > fсi, напряжение

дискриминатора ∆U>0, для остальных ∆U<0. Среднее значение∆U =0 при fг = fс ср

При плавном изменении fг относительно fс ср ∆U изменяется в соответствии с

рис.34, б), образуя типичную характеристику частотного дискриминатора. Полоса прозрачности частотно-следящего фильтра определяется полосой пропускания

ФНЧ, изменение полосы производится переключением постоянной времени в ФНЧ.

Рассмотрим работу следящего фильтра в режиме слежения (рис.31). В этом случае спектр сигнала находится в полосе пропускания фильтра. Выходной сиг-

нал КФД ∆U поступает через ключ на интегратор И1.

Если fг > fс ср то ∆U > 0 и напряжение интегратора с течением времени увеличивается. В качестве управляющего оно через суммирующий каскад подаётся на ПГ,

частота которого будет уменьшаться до тех пор, пока не установится

34

∆U =0. При fг < fс ср ∆U < 0 и fг увеличивается. Таким образом отслеживается зна-

чение fг = fс ср =fоп + FД ср. Выходным сигналом является гармоническое колебание, получаемое как разность частот перестраиваемого гетеродина и генератора

опорной частоты

FДср = fг − fоп

Кроме того, формирователь импульсов преобразует синусоидальный сиг-

нал в последовательность стандартных импульсов, которая параллельно выдаёт

35

ся на импульсный выход.

Интегратор И1 играет роль накопителя сигнала ошибки, сглаживающего

фильтра и запоминающего устройства о величине fс ср в тех случаях, когда следящий фильтр переходит в режим "Память".

Ключ Кл поддерживается пороговой схемой в положении "Слежение" втечение времени, пока отношение сигнал/шум в полосе пропускания КФД не меньше допустимого (порядка 0 дБ) для надёжного измерения FД ср. Для работы пороговой

схемы необходимо оценивать мощность сигнала в полосе КФД, а также мощность щума на выходе УДЧ в частотной полосе, не содержащей полезного сигнала.

Мощность шума оценивается с помощью схемы, состоящей из полосового фильтра с граничными частотами 12 и 14 кГц, квадратичного детектора и интегратора И2, подсоединенной ко входу следящего фильтра. Выходной сигнал этой схемы

подаётся в качестве порога для сравнения с ним мощности полезного сигнала. Для того, чтобы оценить мощность полезного сигнала в полосе КВД по вы-

ходному напряжению ∆U , среднее значение которого в режиме слежения ∆U = 0, оказалось необходимым в цепь управления частотой fг через каскад суммирова-

ния вводить дополнительный синусоидальный сигнал от генератора частоты захвата ГЧЗ с частотой fзахв ≈ 60 Гц. Под действием сигнала ГЧЗ частота fг периоди-

чески смещается на небольшую величину относительно fг ср , При этом возникают

пульсации ∆U с частотой fзахв, если в полосе КФД есть спектр сигнала. Если сигнала в полосе КФД нет, то пульсаций ∆U не будет, поскольку спектральная плот-

ность шума на интервале частот, соответствующей полоса КФД, практически по-

стоянна.

Для принятия решений о наличии сигнала с отношением сигнал/шум не меньше заданного используют фазовый детектор (ФД) и пороговое устройство. На

ФД подаются сигнал КФД ∆U и опорное напряжение от ГЧЗ. ФД выделяет состав-

ляющую ∆U , совпадающую по фазе с напряжением захвата. Если в полосе пропускания КФД есть полезный сигнал, то среднее значение выходного сигнала ФД захвата зависит от мощности сигнала и шума, а при отсутствии сигнала определяется только мощностью шума.

Напряжение на выходе ФД захвата сравнивается с выходным (пороговым)

напряжением интегратора И2. Когда напряжение ФД меньше порогового, ключ Кл переключается в положение "Поиск", слежение прекращается, выдаётся сигнал "Память" и начинается поиск допплеровского спектра по частоте. На вход интегратора И1 подается напряжение поиска, представляющее собой меандр с перио-

дом порядка 60 с. При этом выходное напряжение интегратора И1 изменяется по

линейно-ломаному закону, обеспечивая медленный поиск по частоте в пределах

диапазона возможных допплеревских частот.

При появлении спектра сигнала в полосе КФД с достаточным отношением

сигнал/шум, срабатывает пороговое устройство, ключ Кл переключается в положение "Слежение" и схема переходит в режим сопровождения сигнала по частоте. Периодическое изменение частоты fг под воздействием напряжения ГЧЗ приводит

к периодическому, с частотой fзахв, изменению выдаваемых следящим фильтром значений средней допплеровской частоты FД ср. Однако это не приводит к возрас-

танию погрешностей ДИСС, так как вычислитель Wп и αс имеет интеграторы с по-

стоянной времени, значительно превышающей величину Тзахв=1/ fзахв.

В заключение приведём типовые тактико-технические характеристики самолётного ДИСС гражданской авиации с ЧМ-сигналом:

-диапазон измеряемых путевых скоростей составляет - 180 -1300 км/ч; -диапазон измеряемых углов сноса - ±30о;

-ошибка измерения путевой скорости (2σw) при горизонтальном полете над

сушей - не более 0,25%;