ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫЙ ВЫСОТОМЕР Российский патент 2004 года по МПК G01S13/34 

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией, и может быть использовано при проектировании радиовысотомеров, к которым предъявляются требования повышенной точности измерения высоты.

Известны [1], с.173-174, радиовысотомеры с частотной модуляцией, в которых информация о высоте Н извлекается из разности излученной и принятой частот (частоты биений f_б), определяемой как

где ΔF - девиация частоты передатчика (ДЧП);

с - скорость света;

Т_м - период модуляции.

При воздействии различного рода дестабилизирующих факторов ДЧП может изменяться на величину ΔΔF. Как отмечено в [3], с.5, относительное изменение может достигать ±15%, что приведет к такой же относительной погрешности измерения высоты.

Поэтому принимаются решения, направленные на повышение стабильности ДЧП.

Наиболее близким по технической сущности является частотно-модулированный высотомер, содержащий последовательно соединенные источник 12 опорного аналогового сигнала, блок 11 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор 1, передатчик 2 с частотной модуляцией и передающую антенну 3, последовательно соединенные приемную антенну 4, смеситель 5, усилитель 6 разностной частоты и счетчик-вычислитель 9, первый выход которого соединен с вторым входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй выход соединен с вторым входом усилителя разностной частоты, последовательно соединенные генератор 10 тактовых импульсов, блок 7 выделения измерительного интервала полосы модуляции, содержащий два резонатора, настроенные на частоты f₁ и f₂, соответствующие нижней и верхней частотам, определяющим ДЧП, переключатель 8 направления перестройки частоты передатчика, выход которого подключен к второму входу модулятора, при этом второй выход передатчика соединен с вторым входом смесителя, третий выход соединен с вторым входом блока выделения измерительного интервала полосы модуляции, второй выход которого соединен с вторым входом счетчика-вычислителя, третий вход которого соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов, третий выход генератора тактовых импульсов соединен с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, четвертый вход которого соединен с выходом усилителя разностной частоты [2].

Недостатком этого высотомера является недостаточная точность измерения высоты. Как показано в [3], с.16, при использовании в блоке 7 резонаторов для выделения измерительного интервала относительная нестабильность ДЧП может достигать 2,15%, что приводит к такой же погрешности измерения высоты.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения высоты.

Поставленная цель достигается тем, что в частотно-модулированный высотомер, содержащий генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, последовательно соединенные источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, модулятор, второй вход которого соединен с выходом переключателя направления перестройки частоты передатчика, передатчик с частотной модуляцией и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, второй вход которого подключен к второму выходу передатчика, усилитель разностной частоты и счетчик-вычислитель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а первый и второй выходы соединены соответственно - с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и вторым входом усилителя разностной частоты, выход которого дополнительно подключен к четвертому входу блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, введены компаратор, первый вход которого соединен с вторым выходом модулятора, а на второй вход подается фиксированное напряжение, генератор опорных частот, последовательно соединенные pin-переключатель, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора опорных частот, а третий вход - с первым выходом компаратора, второй смеситель, второй вход которого подключен к третьему выходу передатчика, полосовой усилитель, детектор и блок логических элементов, второй и третьи входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам компаратора, а четвертый вход - к третьему выходу генератора тактовых импульсов, первый выход - к третьему входу счетчика-вычислителя, второй выход - к входу переключателя направления перестройки частоты передатчика, а блок логических элементов содержит первый и второй элементы И, последовательно соединенные третий элемент И, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, и RS-триггер, последовательно соединенные четвертый элемент И, второй элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - с вторым входом RS-триггера, последовательно соединенные расширитель импульсов, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛИ, пятый элемент И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, и второй триггер, первый выход которого соединен с входом переключателя направления перестройки частоты передатчика с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, а второй выход - с вторыми входами первого и второго элементов И, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И подключены к выходу детектора, третьи входы первого и четвертого элементов И подключены к первому выходу компаратора, третьи входы второго и третьего элементов И подключены к второму выходу компаратора, а выход RS-триггера подключен к третьему входу счетчика-вычислителя.

Сущность заявляемого устройства состоит в том, что вновь введенные блоки более чем на порядок повышают стабильность полосы ΔF перестройки передатчика, что соответственно уменьшает приборную составляющую погрешности измерения высоты, возникающую вследствие нестабильности параметра ΔF при воздействии различного рода дестабилизирующих факторов.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает наличие вновь вводимых блоков: генератора опорных частот, второго смесителя, pin-переключателя, элементов И и ИЛИ, полосового усилителя, детектора и блока логических элементов.

Введение подобных блоков для повышения точности измерения высоты из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "Новизна".

Вновь введенные блоки известны и описаны в литературе:

- компараторы, триггеры, элементы И и ИЛИ в [4], с.286, 288, 105, соответственно;

- pin-переключатель в [5], с.50-71;

- генератор опорных частот в [6], с.21;

- полосовой усилитель в [7], с.187-194, а вновь введенный второй смеситель аналогичен смесителю, используемому в прототипе.

Однако их включение, в соответствии с описанными связями, дает возможность повысить точность измерения высоты.

Такое решение явным образом не следует из уровня техники, что соответствует критерию "Изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена функциональная схема прототипа, на фиг.2 - функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - вариант функциональной схемы передатчика с частотной модуляцией, на фиг.4 - вариант функциональной схемы блока логических элементов, на фиг.5 - вариант возможной функциональной схемы генератора опорных частот, на фиг.6 - эпюры напряжений, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство (фиг.2) содержит источник 1 опорного аналогового сигнала, блок 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор 3, передатчик 4 с частотной модуляцией, передающую антенну 5, приемную антенну 6, первый смеситель 7, усилитель 8 разностной частоты, счетчик-вычислитель 9, генератор 10 тактовых импульсов, переключатель 11 направления перестройки частоты передатчика, компаратор 12, pin-переключатель 13, второй смеситель 14, генератор 15 опорных частот, полосовой усилитель 16, детектор 17, блок 18 логических элементов. Связи между указанными блоками соответствуют фиг.2.

Передатчик 4 с частотной модуляцией (фиг.3) содержит частотно-модулированный генератор 19 и делитель мощности 20.

Блок 18 логических элементов (фиг.4) содержит первый элемент И 21, третий элемент И 22, первый элемент ИЛИ 23, RS-триггер 24, четвертый элемент И 25, второй элемент ИЛИ 26, второй элемент И 27, расширитель импульсов 28, пятый элемент И 29 и второй триггер 30.

Связи между указанными блоками соответствуют фиг.4.

Генератор 15 опорных частот (фиг.5) содержит кварцевый генератор 31, первый умножитель частоты 32, первый резонатор 33, настроенный на частоту f₁, второй умножитель 34 и второй резонатор 35, настроенный на частоту f₂.

При включении радиовысотомер работает в режиме поиска следующим образом.

Под действием сигнала с выхода блока 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика модулятор 3 формирует пилообразное напряжение "а", период повторения которого изменяется от Т_мин до Т_макс. Это напряжение поступает на передатчик 4, генерирующий сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания "б", несущая частота которых изменяется от F_мин до f_макс. СВЧ-колебания передатчика подводятся к передающей антенне 5 и излучаются по направлению к земной поверхности.

Отраженные от земли сигналы частоты F₀ принимаются приемной антенной 6 и поступают на первый вход смесителя 7, на второй вход которого подаются СВЧ-колебания частоты F_и с второго выхода передатчика 4.

Возникающие на выходе смесителя 7 колебания разностной частоты f_p=F_и-F₀ усиливаются усилителем 8 разностной частоты и поступают на вход счетчика-вычислителя 9, на второй вход которого подаются колебания частоты f₀ с второго выхода генератора 10 тактовых импульсов. Когда в результате увеличения периода модуляции Т_м разностная частота f_p становится равной частоте f₀, на первом выходе счетчика-вычислителя 9 возникает сигнал, переводящий блок 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика из режима поиска в режим слежения, при котором блок 18 логических элементов формирует импульсы, длительность которых несет информацию о высоте. Эти импульсы образуются следующим образом. Генератор 15 опорных частот формирует СВЧ-колебания частот f₁ и f₂, поступающие соответственно на первый и второй входы pin-переключателя 13, на третий вход которого поступает управляющее напряжение U_упр с 1-го выхода компаратора 16, на входы которого подаются пилообразное напряжение U_м с выхода модулятора 3 и опорное напряжение

_макс,

где U_{м макс} - максимальное выходное напряжение модулятора. Если U_м<U_оп, то на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логической 1, при котором на выход pin-переключателя 13 проходит меньшая частота f₁, и открыты по третьим входам первый и четвертый элементы И 21 и 25.

Если же U_м>U_оп, то на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логического нуля, и на выход pin-переключателя 13 проходит частота f₂ генератора 15 опорных частот, причем f₂>f₁.

На фиг.6 показан процесс управления и формирования информации. В момент t₀, когда на 1-м выходе компаратора 12 имеется уровень логической единицы, на выход pin-переключателя 18 проходит частота f₁ генератора 15 опорных частот.

В это же время на втором выходе второго триггера 30 присутствует уровень логической 1, открывающий первый элемент И 21 по второму выходу. При уменьшении в момент t₁ частоты f_прд передатчика 4 до величины

f_прд=f₁+f_ф

на выходе второго смесителя 14 возникает импульс "в" частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется детектором 17 и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27.

Поскольку по всем трем входам в этот момент открыт только первый элемент И 21, на его выходе возникает импульс "г", который поступает через второй вход первого элемента ИЛИ 23 на R вход RS-триггера 24 и переводит его в состояние логического 0 (импульс "д"), при котором прекращается счет импульсов генератора 10 тактовых импульсов в счетчике-вычислителе 9. Импульс "г" поступает через 1-й элемент ИЛИ 23 и на расширитель импульса 28, формирующий импульс "е", поступающий на первый вход пятого элемента И 29, на второй вход которого подаются тактовые импульсы "ж", снимаемые с третьего выхода генератора 10 тактовых импульсов. В момент t₂ на выходе пятого элемента И 29 возникает импульс "к", переводящий триггер управления 30 в состояние, при котором на его первом выходе возникает уровень логической 1 (импульс "л"), по которому переключатель 11 направления перестройки частоты передатчика изменяет направление изменения напряжения модулятора 3, переводя его из падающего в растущее, вызывая тем самым увеличение частоты f_прд передатчика 4.

При увеличении частоты f_прд до величины f_прд=f₂-f_ф (в момент t₃) на выходе второго смесителя 14 возникает импульс частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27. Однако, в этот момент открыт по всем входам только четвертый элемент И 25. На его выходе возникает импульс "м", поступающий через второй элемент ИЛИ 26 на S вход RS-триггера 24, переводя его в состояние логической 1, при котором возможен счет тактовых импульсов счетчиком-вычислителем 9.

При увеличении напряжения модулятора 3 до величины U_м>U₀ на первом выходе компаратора 12 возникает уровень логического 0, при котором pin-переключатель 13 подает на вход второго смесителя 14 частоту f₂, формируемую генератором 15 опорных частот.

При увеличении частоты f_прд до величины f_прд=f₂-f_ф в момент t₄ на выходе второго смесителя 14 возникает импульс напряжения частоты f_ф, который усиливается усилителем 16, детектируется детектором 17 (импульс "н") и поступает на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27, из которых открыт по вторым и третьим входам лишь третий элемент И 22. Возникающий на его выходе импульс "0" через первый элемент ИЛИ 23 переводит RS-триггер 24 в состояние 0, при котором прекращается счет импульсов генератора 10 счетчиком-вычислителем 9. Таким образом, счет импульсов осуществляется за время t₃-t₄, при этом частота передатчика изменяется от f₁-f_ф до f₂-f_ф. Важно подчеркнуть, что диапазон перестройки частоты передатчика не зависит от частоты настройки усилителя 16, и уходы последней не приведут к ошибке измерения высоты. Импульс "о" через первый элемент ИЛИ 23 запустит расширитель импульса 28, формирующий импульс "п", поступающий на пятый элемент И 29, выходной импульс которого переводит первый выход триггера 30 в состояние 0, при котором пилообразное напряжение модулятора 3 начнет уменьшаться, вызывая уменьшение частоты передатчика 4. В момент времени t₆, когда f_прд=f₂+f_ф, на выходе второго смесителя 14 возникнут импульсы частоты f_ф, которые детектируются и поступают на первые входы элементов И 21, 22, 25, 27. Но по вторым и третьим входам все вышеперечисленные элементы И, кроме элемента И 27 будут закрыты.

Возникающий на его выходе импульс "с" через второй элемент ИЛИ 26 приведет RS-триггер 24 в состояние 1, и счетчик-вычислитель 9 начнет считать импульсы генератора 10 до тех пор, пока в момент времени t₇ f_прд=f₁+f_ф и на выходе второго смесителя 14 возникнут, усилятся и продетектируются импульсы "т", которые переведут RS-триггер 24 в состояние 0, и процесс модуляции повторится.

Счетчик-вычислитель 9, как и в прототипе, сравнивает разностную частоту f_p с частотой f₀ генератора 10 тактовых импульсов и формирует на первом выходе сигнал, поступающий на третий вход блока 2 цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и изменяющий период модуляции таким образом, чтобы f_p=f₀.

Для исключения захвата прямого сигнала при измерении малых высот счетчик-вычислитель 9 на втором выходе формирует сигнал, поступающий на второй вход усилителя 8 разностной частоты и изменяющий его усиление, устанавливая его малым при измерении малых высот и большим - при измерении больших высот.

Оценим нестабильность ΔF. Для радиовысотомера можно принять f₁=4250 МГц, a f₂=4377,5 МГц (ΔF=f₂-f₁=4377,5-4250=127,5 МГц). Тогда частоту КГ 31 можно выбрать равной 42,5 МГц и принять n=100, a k=3. Согласно [4], с.298-300, относительная нестабильность частоты кварцевого резонатора не превышает 10^-4.

В этом случае уходы частот f₁ и f₂ не превысят Δf₁=425 кГц и Δf₂=437,7 кГц. Следовательно, ΔΔF=Δf₂-Δf₁=12,7 кГц, а относительное изменение девиации не превысит 0,01%. Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет по сравнению с прототипом в 100 раз уменьшить приборную составляющую погрешности измерения высоты, вызываемую нестабильностью девиации ΔF.

Это позволяет при принятии мер по уменьшению методической составляющей погрешности измерения высоты использовать один частотно-модулированный высотомер для измерения малых и больших высот.

Вновь вводимые блоки pin-переключатель, второй смеситель и генератор опорных частот могут быть изготовлены по тонкопленочной технологии, а блок 18 логических элементов может быть выполнен на одной программируемой логической интегральной схеме, что не приведет к существенному увеличению объема и массы предлагаемого РВ.

Литература

1. Жуковский А.П. и др. Теоретические основы радиовысотометрии. - М.: Советское радио, 1979, с.173-174.

2. Цифровой частотно-модулированный радиовысотомер. Авторское свидетельство СССР № 717676 по заявке № 2545867 от 22 ноября 1977 г., кл. G 01 S 9/24.

3. Частотно-модулированный радиовысотомер. Патент РФ № 2133483 по заявке № 98107607 от 21.04.1998 г., кл. G 01 S 13/34, с.5, 16.

4. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника, М.: Мир, 1982, с.105, 286, 288, 298-300.

5. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах, М.: Радио и связь, 1987, с.50-71.

6. Резонаторы кварцевые РГ-08. Технические условия ЩЖ)338068ТУ, 1976, с.21.

7. Клич С.М. и др. Проектирование приемных устройств, М.: Советское радио, 1976, с.186-194.

Изобретение относится к радиолокации. Сущность изобретения: в частотно-модулированный радиовысотомер, содержащий источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик с частотной модуляцией, передающую антенну, приемную антенну, первый смеситель, усилитель разностной частоты, счетчик-вычислитель, генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, введены компаратор, pin-переключатель, второй смеситель, генератор опорных частот, полосовой усилитель, детектор, блок логических элементов. Достигаемый технический результат – уменьшение приборной составляющей погрешности измерения высоты, вызываемой нестабильностью крутизны электронной перестройки частоты передатчика. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Частотно-модулированный высотомер, содержащий генератор тактовых импульсов, переключатель направления перестройки частоты передатчика, последовательно соединенные источник опорного аналогового сигнала, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тактовых импульсов, модулятор, второй вход которого соединен с выходом переключателя направления перестройки частоты передатчика, передатчик с частотной модуляцией и передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого подключен к второму выходу передатчика, усилитель разностной частоты и счетчик-вычислитель, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, а первый и второй выходы соединены соответственно - с третьим входом блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика и вторым входом усилителя разностной частоты, выход которого дополнительно подключен к четвертому входу блока цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, отличающийся тем, что введены компаратор, первый вход которого соединен с вторым выходом модулятора, а на второй вход подается фиксированное напряжение, генератор опорных частот, последовательно соединенные pin - переключатель, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора опорных частот, а третий вход - с первым выходом компаратора, второй смеситель, второй вход которого подключен к третьему выходу передатчика, полосовой усилитель, детектор и блок логических элементов, второй и третий входы которого подключены соответственно к первому и второму выходу компаратора, а четвертый вход - к третьему выходу генератора тактовых импульсов, первый выход - к третьему входу счетчика-вычислителя, а второй выход - к входу переключателя направления перестройки частоты передатчика.2. Частотно-модулированный высотомер по п.1, отличающийся тем, что блок логических элементов содержит первый и второй элементы И, последовательно соединенные третий элемент И, первый элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, и RS-триггер, последовательно соединенные четвертый элемент И, второй элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход - со вторым входом RS-триггера, последовательно соединенные расширитель импульсов, вход которого соединен с вторым выходом первого элемента ИЛИ, пятый элемент И, второй вход которого соединен с третьим выходом генератора тактовых импульсов, и второй триггер, первый выход которого соединен входом переключателя направления перестройки частоты передатчика и с вторыми входами третьего и четвертого элементов И, а второй выход - с вторыми входами первого и второго элементов И, первые входы первого, второго, третьего и четвертого элементов И подключены к выходу детектора, третьи входы первого и четвертого элементов И подключены к первому выходу компаратора, третьи входы второго и третьего элементов И подключены к второму выходу компаратора, а выход RS-триггера подключен к третьему входу счетчика-вычислителя.