Принцип действия частотного радиовысотомера

Принцип работы частотного радиовысотомера основан на определе­нии разности частот прямого (излучаемого) и отраженного частотно-модулированных сигналов.

Передатчик Прд (рис. 4.2), состоящий из генераторов высокой ГВЧ и низкой ГНЧ частот, формирует частотно-модулированные колебания с частотойД (рис. 4.3).

 

Генератор ГНЧ формирует модулирующее напряжение F_м, которое управляет частотой ВЧ сигналов генератора ГВЧ, и его средняя частота f _ср изменяется с девиацией частоты ± Δ f. Частотномодулированные сигналы через передающую антенну излучаются в направлении земной поверхности. Одновременно сигнал передатчика частоты Д, который называют прямым или опорным (гетеродинным) сигналом, поступает на смеситель См приемника.

Отраженный от земной поверхности ВЧ сигнал частоты через приемную антенну поступает на смеситель См приемника. Он отличается от излучаемого (опорного) не только амплитудой (мощностью), но и мгновенной частотой, так как за время распространения Δt частота прямого сигнала из-за частотной модуляции изменяется на величину, пропорциональную времени Δt, а значит, и высоте полета H:

где Н — высота полета ВС; с = 3-10 м/с — скорость распространения радиоволн.

Таким образом, на смеситель приемника поступают ВЧ сигналы различных частот: прямой f₁ и отраженный f₂. В результате взаимодейст­вия (смешивания и детектирования) в смесителе двух частотно-моду­лированных ВЧ колебаний на его выходе образуется сигнал разност­ной частоты F _p, который еще называют сигналом частоты биений:

Модуль разностной частоты используется в формуле потому, что частота физического процесса не может быть отрицательной.

Чем больше высота полета, тем на большее значение изменяется частота прямого сигнала, тем больше частота F _p. Таким образом, информация о высоте полета содержится в значении частоты F _p, которая изменяется пропорционально высоте полета. Поэтому в качестве блока измерения следует использовать измеритель частоты (частотомер), для нормальной работы которого напряжение частоты F _p усиливается усилителем напряжения разностной частоты УРЧ (см. рис. 4.2).

Аналитическая связь между величинами H и F _p определяется основным уравнением радиовысотомера, которое получают, рассмотрев треугольники ABC и ADE (см. рис. 4.3). Исходя из их подобия справедливо соотношение

AB/AD=BC/DE. (4.1)

Из рисунка видно, что AD = Г_м/4 = 1/4 F_M (T_M - период частоты модуляции); АВ = Δt = 2H/с; ED = Δf и ВС = F _p. Подставив эти значения

в выражение (4.1), получим:

(4.2)

(4 3)

Выражениями (4.2) и (4.3) подтверждается аналитическая связь между величинами H и F _p, и их называют основным уравнением частотного радиовысотомера.

В выражениях (4.2) и (4.3) все величины, кроме H и F _p, неизменны, т.е.

(4.4)

где К — постоянный масштабный коэффициент радиовысотомера, который показывает, на сколько герц изменяется частота F _p при изменении высоты Н на 1 м. Таким образом,

F_p=KH.. (4.5)

Из выражения (4.5) следует, что частотный радиовысотомер может быть использован для измерения сколь угодно малых высот. Это очень важно при выполнении предпосадочного маневра и посадки ВС.

В блоке измерения (измерителе частоты) частота F _p преобразуется в постоянное напряжение значения, пропорционального частоте F _p, a значит, и высоте H. Это напряжение подается на индикатор, шкалу которого градуируют в метрах.

Для измерения частоты F _p используют измерители частоты неследящего и следящего типов. Радиовысотомер с неследящим измерите­лем частоты называют широкополосным, а следящего типа - узкопо­лосным. Различают следящие радиовысотомеры со следящим измери­телем разностной частоты F _p и с управляемым периодом закона час­тотной модуляции.

Радиовысотомер с неследящим измерителем частоты F _p получил широкое распространение благодаря простоте. В схеме измерителя частоты неследящего типа (рис. 4.4) основным узлом является счетчик частоты СЧ (аналоговый), в качестве которого используют емкостный счетчик (интегратор, накопитель). Он формирует постоянное напряжение величиной, пропорциональной значению частоты F _p. Это напряже­ние должно зависеть только от частоты и не должно зависеть от ампли­туды, поэтому перед счетчиком частоты включают амплитудный ограничитель АО, который формирует импульсное напряжение одной полярности с частотой повторения, пропорциональной значению частоты F _p. Обычно ограничитель формирует импульсы при пересече­нии напряжением сигнала нулевого уровня, поэтому счетчик часто называют счетчиком числа переходов через нуль (счетчик нулей). Постоянное напряжение счетчика усиливается усилителем постоян­ного тока УПТ и подается на индикатор, обычно стрелочный.

Рис. 4.4. Структурная схема измерителя частоты F _p (блока измерения) неследящего типа

Радиовысотомеры с измерителем частоты неследящего типа обладают рядом недостатков, главным из которых является наличие методической погрешности. Она проявляется в дискретном характере показаний индикатора высоты, обусловленном принципом работы частотного радиовысотомера при использовании гармонической (синусоидальной) и линейной (пилообразной симметричной) частотной модуляции.

Разностная частота F _p на выходе смесителя принимает дискретные значения, кратные частоте модуляции, и счетчик зафиксирует разностную частоту, кратную частоте модуляции F_M, большую или меньшую, чем значение, соответствующее истинной высоте. Поэтому частота импульсов F _и на счетном каскаде будет принимать лишь дискретные значения:

, (4.6)

где п — номер гармоники.

Выражение (4.6) будет точным только при высотах, которые соответствуют целым значениям п, т. е. когда выражение (8 Δ f /с) Н равно целому числу. Значения этих высот можно определить из выражения КН = nF_М. Обозначив их через Δ Н, получим

. (4.7)

Например, для радиовысотомера РВ-УМ К = 15,9 Гц/м, F_M = 70 Гц. Полагая п = 1, 2, 3..., получим значение дискретности измерения высот: ДЯ = 4,4; 8,8; 13,2 м и т. д. Для радиовысотомера РВ-5 К = 200 Гц/м; F_M = 150 Гц; тогда ДЯ = 0,75; 1,5; 2,25 м и т. д.

Таким образом, дискретность в измерении высоты в радиовысотомерах РВ-УМ составляет 4,4 м, РВ-5 - 0,75 м. Внутри этого интервала показания высотомера будут неустойчивыми.

Дискретность измерения высоты ДЯ называют методической погрешностью, с которой надо считаться, так как устойчиво измеряе­мая минимальная высота Н_min = 3 Δ H.

Используя выражение (4.6), находим

(4.8)

Следовательно, уменьшить методическую погрешность, а значит, повысить точность измерения высоты возможно увеличением девиации частоты.

Другим недостатком радиовысотомера с неследящим измерителем частоты является использование широкополосного усилителя напряжения частоты F _p. Обычно частота F_min находится в пределах 1...3 кГц, а частота F _pmax достигает 150...160 кГц. Вследствие этого фильтра­ция полезного сигнала, поступающего одновременно с помехами, осуществляется неэффективно и в целом радиовысотомер имеет невысокую помехоустойчивость и помехозащищенность и требует усложнения схемы усилителя (фильтров).

Измеритель частоты неследящего типа использован в радиовысотомерах РВ-2, РВ-ЗМ, РВ-4, РВ-5.

Радиовысотомер со следящим измерителем разностной частоты выполняют по схеме частотной автоподстройки (ЧАП).

Функциональная схема следящего измерителя частоты F _p представ­лена на рис. 4.5. Напряжение частотой F _p, значение которой пропорцио­нально высоте (см. рис. 4.2), поступает на смеситель См измерителя. На него с управляемого гетеродина УГ поступает НЧ синусоидальное напряжение частотой F _r, которая медленно изменяется под действием управляющего напряжения U_у. Это напряжение формируется устройст­вом поиска и захвата УПЗ и частотным дискриминатором ЧД- На выходе смесителя формируется напряжение промежуточной частотой F _np = F _r - F _p. Оно усиливается усилителем УПЧ и поступает на дискри­минатор ЧД.

Гетеродин УГ перестраивается до тех пор, пока спектр сигнала не попаде^т в полосу пропускания узкополосного УПЧ- Дискриминатор формирует сигнал ошибки, значение которой зависит от отклонения частоты F _np от частоты настройки F ₀ контуров усилителя УПЧ- Для

Рис. 4.5. Структурная схема следящего измерителя частоты

радиовысотомера со следящим измерителем частоты F _p характерны два основных режима работы: режим "Поиск и захват" по частоте и режим "Слежение" за частотой (или режим "Измерение"). В режиме "Поиск и захват" контур ЧАП разомкнут, и устройство УПЗ формирует управляющее напряжение, изменяющееся по пилообразному закону. При этом изменяется частота F _r гетеродина УГ и частота F _np на выходе смесителя. Когда частота F _np попадает в полосу захвата дискриминатора, поиск прекращается, фиксируется напряжение поиска U_n уст­ройства поиска и захвата и включается контур ЧАП. При этом напряже­ние дикриминатора U_Д вместе с зафиксированным напряжением поиска U_n через суммирующее устройство СУ поступает на гетеродин УГ. Под действием суммарного управляющего напряжения U_y проис­ходит слежение за частотой F _p. Следовательно, в этом напряжении содержится информация о высоте полета и оно может быть использова­но для индикации высоты.

Схема следящего за частотой F _p измерителя не получила распространения из-за сложности схемы и невысокой помехозащищенности, особенно на малых высотах, так как ширина спектра сигналов частоты F _р меньше ширины дискриминационной характеристики канала "УПЧ-ЧД", а влияние помех типа переотражений между ВС и земной поверхностью и других паразитных сигналов существенно.

Достоинством таких измерителей является отсутствие методической погрешности в виде погрешности дискретности, что обусловлено использованием резонансного метода при измерении разностной частоты, реализованного частотным дискриминатором.

Следящий радиовысотомер с управляемым периодом закона частотной модуляции несколько отличается от рассмотренного выше. Его структурная схема представлена на рис. 4.6. Основное отличие принципа работы схемы такого радиовысотомера состоит в том, что частота F _p поддерживается постоянной во всем диапазоне измеряемых высот и равной переходной частоте F _p частотного дискриминатора. Это достигается схемой ЧАП, которая управляет периодом (длительностью рабочего хода) модуляции Т _м закона частотной модуляции при по­стоянной девиации частоты Δ f. В таком радиовысотомере применен несимметричный пилообразный закон частотной модуляции (рис. 4.7). В этом случае основное уравнение радиовысотомера принимает вид:

(4.9)

(4.10)

При постоянной частоте F_p выражение cF_p /2Δ f = К и называется масштабным коэффициентом радиовысотомера, с/м, поэтому

Н=КТ_М. (4.11)

Рис. 4.6. Структурная схема следящего частотного радиовысотомера с управляемым периодом закона частотной модуляции

Рис. 4.7. Графики, объясняющие принцип работы следящего радиовысотомера с управляе­мым периодом закона частотной модуляции

Следовательно, измеряя длительность рабочего хода Т _м модулирующего напряжения, можно определить текущую высоту полета. Измерение длительности рабочего хода Т_м производится специальным устройством, называемым периодомером (ПМ). Он формирует постоян­ное напряжение, значение которого пропорционально значению Т_м, а значит, и высоте полета Н, и используется в индикаторе для индика­ции высоты.

По структурной схеме радиовысотомер представляет замкнутую следящую систему, чувствительным элементом которой является дискриминатор частотный ЧД (см. рис. 4.6) с постоянной частотой настройки F₀.

Дискриминатор вырабатывает напряжение, значение которого пропорционально отклонению средней частоты F_p спектра сигнала от частоты настройки F₀. Это напряжение (сигнал погрешности) U_Д через суммирующее устройство СУ вместе с зафиксированным напряжением поиска U _Пустройства поиска и захвата поступает на частотный моду­лятор ЧМ. Под действием управляющего напряжения IL изменяется длительность (крутизна) рабочего хода Т _м модулирующего напряже­ния. Это происходит до тех пор, пока частота F _p не станет равной часто­те настройки дискриминатора F₀. Таким образом, длительность рабоче­го хода Т_м модулирующего напряжения пропорциональна высоте полета Н.

Устройство поиска и захвата необходимо для грубого совмещения частот F _p и F ₀, с помощью которой плавно изменяется длительность рабочего хода Т _м до тех пор, пока сигнал частотой F _p не попадет в полосу пропускания AF дискриминатора ЧД.

В следящем радиовысотомере с управляемым периодом закона частотной модуляции во всем диапазоне измеряемых высот спектр сигналов частоты F _p находится вблизи частоты F ₀. Поскольку частота F _p выбирается примерно на порядок меньше F _pmax, соответствующей высоте Н_{т ах} для радиовысотомера со следящим измерителем частоты F _p, ширина спектра сигнала частоты F _p в следящем высотомере тоже на порядок меньше максимальной ширины спектра. Это позволило уменьшить ширину дискриминационной характеристики канала "УРЧ-ЧД" в следящем высотомере, а следовательно, повысить его помехоустойчивость и помехозащищенность. В нем тоже отсутствует методическая погрешность в виде погрешности дискретности.

Схема следящего радиовысотомера с управляемым периодом (длительностью рабочего хода) модуляции нашла применение в современных радиовысотомерах малых высот типов РВ-5М, А-034, А-037.

 

РАДИОВЫСОТОМЕР РВ-5М