РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01S13/34 

Изобретение относится к радиотехнике.

Известны устройства, работающие на принципе радиолокации в СВЧ-диапазоне с частотной модуляцией зондирующего сигнала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является радиодальномер, содержащий генератор СВЧ, ответвитель, антенный блок, смеситель, первый усилитель-формирователь, блок обработки и индикации, блок медленной модуляции, фазовый компаратор, формирователь стробов, блок быстрой модуляции, блок формирования частотных меток, детектор, второй усилитель-формирователь и блок запуска.

Недостатком известного устройства является повышение погрешности измерения при изменении температуры, обусловленное наличием медленной дополнительной модуляции и изменением резонансных частот резонатора СВЧ, используемого и блоке формирования частотных меток.

Медленная дополнительная модуляция, используемая для сглаживания дискретной ошибки, требует неизменности девиации частоты и существенного увеличения диапазона перестройки частоты СВЧ-генератора (на дальности менее 1 м требуется удвоение девиации СВЧ-генератора). Однако в известном устройстве стабилизация девиации частоты СВЧ-генератора производится только в подготовительный период, когда медленная модуляция отключена. Непосредственно во время измерения, когда включена медленная модуляция, стабилизация девиации не производится. В этот промежуток времени формируется стабильное по амплитуде пилообразное модулирующее напряжение. Однако рабочая точка смещается по модуляционной характеристике за счет медленной модуляции. Модуляционная характеристика большинства практически используемых СВЧ-генераторов является нелинейной и ее нелинейность зависит от температуры. Поэтому девиация частоты СВЧ-генератора и течение периода медленной модуляции сильно изменяется, особенно при изменении температуры.

Используемый и блоке формирования частотных меток объемный многорезонансный резонатор СВЧ формирует частотные метки, соответствующие нижней (F_н) и верхней (F_в) границам перестройки частоты генератора СВЧ. При изменении температуры относительные размеры объемного резонатора изменяются пропорционально третьей степени коэффициента линейного расширения материала, из которой изготовлен объемный резонатор, что приводит к соответствующему изменению разноса резонансных частот, а значит и к изменению девиации частоты.

Указанные факторы приводят к значительной ошибке измерения дальности при изменении температуры окружающей среды.

Цель изобретения - повышение точности измерения в диапазоне температур.

Цель достигается тем, что в дальномер, содержащий формирователь симметричного треугольного напряжения, модулятор, приемно-передающий СВЧ-модуль с антенной, направленный oтветвитель, формирователь частотных меток, усилитель сигнала разностной частоты и измеритель частоты, введены дискриминатор интервала времени, интегратор, аналоговый умножитель, схема выделения экстремума и схема управления, причем формирователь частотных меток выполнен на основе двух фильтров СВЧ. Первый вход аналогового умножителя соединен с выходом формирователя симметричного треугольного напряжения, второй вход - с выходом интегратора, а выход - со входом модулятора. Выход модулятора соединен со входом приемно-передающего СВЧ-модуля. СВЧ-выход СВЧ-модуля соединен со входом направленного ответвителя, первый выход которого соединен с антенной, а второй - со входом формирователя частотных меток. Выход приемника СВЧ-модуля соединен со входом усилителя сигнала разностной частоты, выход которого соединен с входами измерителя частоты и схемы выделения экстремума. Первый и второй выходы формирователя частотных меток соединены соответственно с первыми и вторыми входами дискриминатора интервала времени и схемы управления. Третий вход схемы управления соединен с выходом схемы выделения экстремума. Выход схемы управления соединен с входом формирователя симметричного треугольного напряжения и третьим входом дискриминатора интервала времени, выход которого соединен с входом интегратора.

Повышение точности достигается тем, что введенные в устройство схема управления, схема выделения экстремума, дискриминатор интервала времени, интегратор, аналоговый умножитель и исполнение формирователя частотных меток на основе двух фильтров СВЧ позволяют стабилизировать крутизну изменения частоты СВЧ-гснератора при изменении температуры и других дестабилизирующих факторов и устранить из сигнала разностной частоты скачки фазы. Это позволяет стабилизировать результаты измерений и сгладить дискретную ошибку.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема радиолокационного дальномера; на фиг. 2 - схема управления; на фиг. 3 - дискриминатор интервала времени; на фиг. 4 - формирователь частотных меток; на фиг. 5 и 6 - графики, поясняющие работу дальномера.

Радиолокационный дальномер содержит формирователь симметричного треугольного напряжения 1, аналоговый умножитель 2, интегратор 3, модулятор 4, приемно-передающий СВЧ-модуль 5, направленный ответвитель 6, антенну 7, формирователь частотных меток 8, усилитель сигнала разностной частоты 9, измеритель частоты 10, схему выделения экстремумов 11, дискриминатор интервала времени 12 и схему управления 13.

Выход формирователя симметричного треугольного напряжения 1 соединен с первым входом аналогового умножителя 2, второй вход которого соединен с выходом интегратора 3. К выходу аналогового умножителя 2 подключен вход модулятора 4, выход которого соединен с первым (модулирующим) входом приемно-передающего СВЧ-модуля 5. Первый СВЧ-выход приемно-передающего СВЧ-модуля 5 соединен с входом направленного ответвителя 6. Первый выход направленного ответвителя 6 соединен с антенной 7, а второй выход - с входом формирователя частотных меток 8. Второй (приемный) выход приемно-передающего СВЧ-модуля 5 соединен с входом усилителя сигнала разностной частоты 9, выход которого соединен с входами измерителя частоты 10 и схемы выделения экстремума 11. Первый и второй выходы формирователя частотных меток 8 соединены соответственно с первыми и вторыми входами дискриминатора интервала времени 12 и схемы управления 13. Третий вход схемы управления 13 соединен с выходом схемы выделения экстремума 11. Выход схемы управления 13 соединен с входом формирователя симметричного треугольного напряжения 1 и третьим входом дискриминатора интервала времени 12. Выход дискриминатора интервала времени 12 соединен с входом интегратора 3.

Схема управления 13 содержит в своем составе первый 14 и второй 15 D-триггеры, схему ИЛИ 16, электронный ключ 17 и T-триггер 18. Тактовые входы (входы C) D-триггеров 14 и 15 являются соответственно первым и вторым входами схемы управления. Выходы D-триггеров 14 и 15 соединены с первым и вторым входами схемы ИЛИ 16, выход которой соединен с первым входом электронного ключа 17. Второй вход электронного ключа 17 является третьим входом схемы управления 13. Выход электронного ключа 17 соединен с входом T-триггера 18. Прямой и инверсный выходы T-триггера соединены с информационными входами (D-входами) соответственно первого 14 и второго 15 D-триггеров. Инверсный выход T-триггера является выходом схемы управления 13.

Дискриминатор интервала времени 12 содержит в своем составе третий 19 и четвертый 20 D-триггеры, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, первую 22, вторую 23 и третью 24 схемы И, сумматор 25, выполненный на операционном усилителе, кварцевый генератор 26 и счетчик импульсов 27. Тактовые входы (входы C) третьего 19 и четвертого 20 D-триггеров соединены вместе и являются первым входом дискриминатора интервала времени 12. Вторым входом дискриминатора интервала времени 12 является вход сброса (R-вход) четвертого D-триггера 20. Информационные входы (D-входы) третьего 19 и четвертого 20 D-триггеров соединены вместе и являются третьим входом дискриминатора интервала времени 12. Входы установки (S-входы) третьего 19 и четвертого 20 D-триггеров соединены с шиной "Земля". Выход третьего 19 D-триггера соединен с первыми входами схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и первой 22 и третьей 24 схем И. Выход четвертого 20 D-триггераa соединен со вторым входом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и первым входом второй схемы И 23. Выход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 соединен со вторыми входами первой 22 и второй 23 схем И. Выходы первой 22 и второй 23 схем И соединены соответственно с прямым и инверсным входами сумматора 25 на операционном усилителе, выход которого является выходом дискриминатора интервала времени 12. Выход кварцевого генератора 26 соединен со вторым входом третьей схемы И 24, выход которой соединен с входом счетчика импульсов 27. Выход счетчика импульсов 27 соединен с входом сброса (D-входом) третьего D-триггера 19.

Формирователь частотных меток 8 содержит в своем составе первый 28 и второй 29 фильтры СВЧ, первый 30 и второй 31 амплитудные детекторы и первый 32 и второй 33 усилители-формирователи. Входы первого 28 и второго 29 фильтров СВЧ соединены вместе и являются входом формирователя частотных меток 8. Первые и, соответственно, вторые фильтры СВЧ (28 и 29), амплитудные детекторы (30 и 31) и усилители-формирователи (32 и 33) соединены последовательно. Выходы первого 32 и второго 33 усилителей-формирователей являются первым и вторым выходами формирователя частотных меток 8.

Радиолокационный дальномер работает следующим образом.

Симметричный треугольный сигнал с формирователя симметричного треугольного напряжения 1 поступает на первый вход аналогового умножителя 2, на второй вход которого поступает постоянное управляющее напряжение с выхода интегратора 3. Результирующее напряжение с заданной амплитудой поступает на вход модулятора 4, где складывается с постоянным напряжением смещения. С выхода модулятора 4 сумма постоянного напряжения смещения и симметричного треугольного напряжения поступает на модулирующий сход приемно-передающего СВЧ-модуля 5, с выхода СВЧ которого модулированный по частоте сигнал поступает на вход направленного ответвителя 6. Частота сформированного СВЧ-сигнала изменяется во времени (фиг.5 а и фиг. 6 а) в соответствии с изменением модулирующего напряжения и формой модуляционной характеристики СВЧ-модуля 5. С первого выхода направленного ответвителя 6 основная часть мощности СВЧ-сигнала поступает в антенну 7 и излучается в пространство. Небольшая часть мощности формируемого СВЧ-сигнала со второго выхода направленного ответвителя 6 постукает на вход формирователя частотных меток 8. Принятый антенной 7 отраженный сигнал поступает через направленный ответвитель 6 на СВЧ-вход приемно-передающего СВЧ-молуля 5. Со второго (приемного) выхода этого модуля через усилитель сигнала разностной частоты 9 полезный сигнал (фиг. 5 б) поступает на соединенные вместе входы измерителя частоты 10 и схемы выделения экстремума 11. Результат измерения разностной частоты F_р пропорционален измеряемой дальности. Остальная часть схемы предназначена для стабилизации результатов измерения при изменении температуры окружающей среды и устранения скачков фазы в сигнале биений.

Стабилизация результатов измерения и устранение скачков фазы производятся следующим образом. В моменты, когда частота сформированного СВЧ-сигнала становится равной резонансной частоте одного из СВЧ-фильтров (28 или 29), на одном из выходов формирователя частотных меток 8 вырабатывается короткий импульс. У каждого из фильтров это происходит дважды за период модуляции. Для первого фильтра СВЧ 28, настроенного на верхнюю частоту F_в, это происходит сначала при увеличении частоты сигнала, а затем при уменьшении (на фиг. 5г и фиг. 6б это импульсы, обозначенные B₁ и В₂). Для второго фильтра СВЧ 29, настроенного на нижнюю частоту F_н - наоборот, сначала при уменьшении чистоты сигнала СВЧ, а затем при увеличении (на фиг. 5д и фиг.6в это импульсы, обозначенные H₁ и H₂). Эти импульсы используются в двух блоках - схеме управления 13 и дискриминаторе интервала примени 12 с разными целями.

В схеме управления 13 первый из пары импульсов (B₁ или H₁) разрешает переключение направления изменения треугольного напряжения ближайшим за ним импульсом, соответствующим экстремуму сигнала разностной частоты (фиг. 5в). Это устраняет скачки фазы в этом сигнале. Для этой цели импульсы, соответствующие верхней частоте (фиг. 5г), поступают на тактовый вход (C-вход) первого D-триггера 14. На информационный вход (D-вход) этого D-триггера поступают импульсы с прямого выхода T-триггера 18 (фиг. 5е). Импульсы, соответствующие нижней частоте (фиг. 5д), поступают на актовый вход (C вход) второго D-триггера 15. На информационный вход (D вход) второго D-триггера 15 с инверсного выхода Т-триггера 18 (фиг. 5ж) поступают импульсы, управляющие направлением изменения треугольного напряжения. В исходном состоянии первый 14 и второй 15 D-триггеры находятся в нулевом состоянии. Первый из пришедших на тактовый вход (C-вход) импульсов, т.е. B₁ или H₁, переводит в единичное состояние соответственно первый 14 или второй 15 D-триггер, переписывая сигнал с информационного входа (D-входа), где в этот момент находится логическая "1", на выход (фиг. 5з и 5и соответственно). Эта "1" через схему ИЛИ 16 поступает на первый (управляющий) вход электронного ключа 17 (фиг. 5к) и открывает его. Короткие импульсы, соответствующие экстремумам сигнала разностной частоты (фиг. 5в), поступают на второй вход электронного ключа 17 со схемой выделения экстремумов 11. На выход ключа 17 проходят импульсы экстремумов (фиг. 5в), совпадающие по времени с импульсами управления ключом 17 (фиг. 5л). Они поступают на вход T-триггера 18 и переключают его в другое состояние (фиг. 5е и 5ж). Пришедшие после этого момента вторые импульсы, соответствующие верхней или нижней частоте, т.е. B₂ или H₂, переписывают на входы соответственно первого 14 или второго 15 D-триггеров с информационных входов имеющейся там в данный момент логический "0". В результате электронный ключ 17 закрывается и не пропускает остальные импульсы, соответствующие экстремумам сигнала разностной частоты до момента прихода очередного первого импульса B₁ или H₁. Такое управление моментом переключения направления изменения треугольного напряжения позволяет освободить сигнал разностной частоты от скачков фазы (фиг. 5б) и стабилизировать величину изменения частоты СВЧ-сигнала ΔF = F_в - F_н в интервалах времени между импульсами B₂-H₁ и H₂-B₁. Стабильность Δ F обеспечивается благодаря тому, что при изменении температуры резонансные частоты фильтров СВЧ смещаются в одну сторону.

В дискриминаторе интервала времени 12 импульсы с выходов формирователя частотных меток 8 используются для стабилизации интервала времени между импульсами B₂ и H₁. С этой целью на соединенные вместе тактовые входы третьего 19 и четвертого 20 D-триггеров, являющиеся первым входом дискриминатора интервала времени 12, поступает импульс B₂(фиг. 6б), а на соединенные вместе информационные входы этих триггеров (D-входы), являющиеся третьим входом дискриминатора интервала времени 12 поступает импульс управления направлением изменения треугольного напряжения (фиг. 6 г). Импульс B₂ переводит третий 19 и четвертый 20 D-триггеры в единичное состояние (фиг. 6д и фиг. 6е), переписывая логическую "1" с их информационных входов (D-входов) на выходы. Выходной сигнал третьего 19 D-триггера поступает на первый вход третьей схемы И 24. В результате через третью схему И 24 на вход счетчика импульсов 27 поступают импульсы кварцевого генератора 26. После того, как счетчик импульсов 27 отсчитает заданное количество импульсов, сигнал с его выхода поступает на вход сброса (R-вход) третьего 19 D-триггера и сбрасывает его в нулевое состояние. Таким образом, на выходе третьего 19 D-триггера формируется эталонный импульс с длительностью T_э (фиг. 6е). Четвертый 20 D-триггер переводится в нулевое состояние импульсом H₁, поступающим на его вход сброса (R-вход), являющийся вторым входом дискриминатора интервала времени 12. Поэтому па выходе четвертого D-триггера 20 формируется рабочий импульс, длительность которого T_р (фиг.6 д) равна интервалу времени между импульсами B₂ - H₁. Импульсы с выходов третьего 19 и четвертого 20 D-триггеров поступают на первый и второй входы схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21. На выходе этой схемы формируется импульс (фиг. 6ж), длительность которого равна Момент появления этого импульса зависит от знака разности (T_э-T_р). Если эта разность положительная, то разностный импульс расположен слева от заднего фронта эталонного импульса, а если отрицательная - справа. На фиг. 6 это соответствует импульсам, изображенным соответственно сплошной линией или пунктирной линией. Разностный импульс поступает на вторые входы первой 22 и второй 23 схем И. На первый вход первой схемы И 22 поступает эталонный импульс (фиг. 6е), а на первый вход второй схемы И 2З поступает рабочий импульс (фиг. 6д). Поэтому на выходе первой схемы И 22 появляется импульс с длительностью T_и только в случае, когда T_э > T_з (фиг. 6з), а на выходе второй схемы И - в противоположном случае (фиг. 6и). Т.к. выход первой схемы И 22 подключен к прямому входу сумматора 25 на операционном усилителе, а выход второй схемы И - к инвертирующему входу, то на выходе сумматора 25 будет формироваться импульс с длительностью T_иб знак которого равен знаку разности (T_э-T_р) (фиг. 6к). Этот сигнал и поступает на выход дискриминатора интервала времени 12. После интегрирования этого сигнала в интеграторе 3 постоянное управляющее напряжение поступает на второй вход аналогового умножителя 2, и перемножаясь с треугольным напряжением, приводит к такому изменению его амплитуды, при котором длительность разностного импульса T_и стремится к нулю, а значит T_р стремится к T_э, т.е. к значению, стабилизированному кварцевым резонатором.

Таким образом, в результате работы формирователя частотных меток 8, схемы управления 13 и дискриминатора интервала времени 12 на интервале между импульсами B₂ и H₁ оказывается стабильным значение средней крутизны изменения частоты СВЧ сигнала K₁= ΔF/T_э, независимо от температуры окружающей среды и от закона изменения частоты, т.е. от нелинейности модуляционной характеристики. В остальные промежутки времени в течение периода изменения симметричного треугольного напряжения T_м стабилизация не производится. Однако учитывая, что температура окружающей среды и другие дестабилизирующие факторы изменяются очень медленно по сравнению с T_м, а параметры модулирующего напряжения и измеряемая дальность постоянны, можно считать K_г величиной постоянной и течение всего периода T_м и не зависящей от температуры и других факторов, влияющих на среднюю крутизну модуляционной характеристики. Измеряемая дальность R_и при этом равна R_и = c • F_р/K_г, где c - скорость света. В связи с тем, что в сигнале разностной частоты отсутствуют скачки фазы, он в этом устройстве имеет вид непрерывной синусоиды (фиг. 5 б), что позволяет значительно уменьшить дискретную ошибку, выбрав достаточно большим интервал счета частоты в измерителе частоты 10.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - повышение точности измерения дальности в диапазоне температур. Радиолокационный дальномер содержит в своем составе формирователь симметричного треугольного напряжения, аналоговый умножитель, модулятор, приемно-передающий СВЧ-модуль, направленный ответвитель, антенну, усилитель сигнала разностной частоты, измеритель частоты, схему выделения экстремумов, формирователь частотных меток, схему управления, дискриминатор интервалов времени и интегратор. Формирователь частотных меток со схемой управления и схемой выделения экстремумов стабилизируют девиацию частоты СВЧ-сигнала и обеспечивают отсутствие скачков фазы в сигнале разностной частоты. Дискриминатор интервала времени с интегратором и аналоговым умножителем стабилизируют часть периода модуляции. В итоге стабилизируется средняя крутизна изменения частоты СВЧ-сигнала при изменении температуры и сглаживается дискретная ошибка. Следовательно, увеличивается точность измерения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Радиолокационный дальномер, содержащий приемно-передающий СВЧ-модуль с антенной, направленный ответвитель, формирователь симметричного треугольного напряжения, усилитель сигнала разностной частоты и измеритель частоты, отличающийся тем, что в него введены модулятор, формирователь частотных меток, аналоговый умножитель, дискриминатор интервала времени, интегратор, схема выделения экстремума и схема управления, причем выход формирователя симметричного треугольного напряжения соединен с первым входом аналогового умножителя, выход которого соединен с входом модулятора, а выход модулятора - с модулирующим входом приемно-передающего СВЧ-модуля, СВЧ - выход приемно-передающего СВЧ-модуля соединен с входом направленного ответвителя, первый выход которого соединен с антенной, а второй - с входом формирователя частотных меток, первый и второй выходы формирователя частотных меток соединены соответственно с первым и вторым входами дискриминатора интервала времени и схемы управления, выход схемы управления соединен с входом формирователя симметричного треугольного напряжения и третьим входом дискриминатора интервала времени, выход которого соединен с входом интегратора, а выход интегратора - с вторым входом аналогового умножителя, выход приемника приемно-передающего СВЧ-модуля
соединен с входом усилителя разностной частоты, выход которого соединен с входами схемы выделения экстремума и измерителя частоты, а выход схемы выделения экстремума - с третьим входом схемы управления. 2. Радиолокационный дальномер по п.1, отличающийся тем, что схема управления содержит в своем составе первый и второй D-триггеры, схему ИЛИ, электронный ключ и Т-триггер, причем тактовые входы D-триггеров являются соответственно первым и вторым входам схемы управления выходы первого и второго D-триггеров соединены соответственно с первым и вторым входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с первым входом электронного ключа, второй вход электронного ключа является третьим входом схемы управления, выход электронного ключа соединен с входом Т-триггера, прямой и инверсный выходы которого соединены с информационными входами соответственно первого и второго D-триггеров, инверсный выход Т-триггера является выходом схемы управления. 3. Радиолокационный дальномер по п.1, отличающийся тем, что дискриминатор интервала времени содержит в своем составе третий и четвертый D-триггеры, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первую - третью схемы И, сумматор, выполненный на операционном усилителе, кварцевый генератор и счетчик импульсов, причем тактовые входы третьего и четвертого D-триггеров соединены вместе и являются первым входом дискриминатора интервала времени, вторым входом дискриминатора интервала времени является вход сброса четвертого D-триггера, информационные входы третьего и четвертого D-триггеров соединены вместе и являются третьим входом дискриминатора интервала времени, входы установки третьего и четвертого D-триггеров соединены с шиной "Земля", выход третьего D-триггера - с первыми входами схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первой и третьей схем И, выход четвертого D-триггера - с вторым входом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и первым входом второй схемы И, выход схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с вторыми входами первой и второй схем И, выходы первой и второй схем И - соответственно с прямым и инверсным входами сумматора на операционном усилителе, выход которого является выходом дискриминатора интервала времени, выход кварцевого генератора соединен с вторым входом третьей схемы И, выход которой соединен с входом счетчика импульсов, выход счетчика импульсов - с входом сброса третьего D-триггера. 4. Радиолокационный дальномер по п.1, отличающийся тем, что формирователь частотных меток содержит в своем составе первый и второй фильтры СВЧ, первый и второй амплитудные детекторы и первый и второй усилители-формирователи, причем входы первого и второго фильтров СВЧ соединены вместе и являются входом формирователя частотных меток, первые и вторые фильтр СВЧ, амплитудный детектор и усилитель-формирователь соединены последовательно, выходы первого и второго усилителей-формирователей являются первым и вторым выходами формирователя частотных меток.