Основные особенности устройств ДИСС

7.3.1. Антенные устройства предназначены для формирования трёх или четырёх разнесённых в пространстве лучей (рис. 2.7). От точности определения углов Θ и β непосредственно зависит точность работы ДИСС. В доплеровских измерителях применяются антенны «карандашной» формы и так называемые изочастотные диаграммы.

«Карандашные» диаграммы формируются антеннами оптического типа – зеркальными и линзовыми, изочастотные диаграммы – волноводно-щелевыми антеннами.

В ДИССах с импульсным и непрерывно-импульсных режимом, а также в некоторых ДИСС с ЧМ, когда обеспечивается развязка 40…дБ, используется совмещённая передающая и приёмная антенна. При непрерывным режиме требуется развязка 80…90дБ между приёмным и передающим каналами, поэтому антенное устройство состоит из двух отдельных антенн.

Если все лучи работают одновременно, то антенна должна обеспечить низкий уровень боковых частот (не более 20…30 дБ).

Если лучи работают поочерёдно, связи между каналами через боковые лепестки практически не опасны, поэтому требования к боковым лепесткам менее жёсткие.

В большинстве случаев применяются неподвижные антенны, так как они проще по конструкции, имеют меньший вес и занимают меньший объём на ВС. Подвижные антенны применяются в импульсных ДИСС с автокогерентным приёмом и в некоторых ДИСС, работающих в режиме непрерывного излучения с частотной модуляцией.

7.3.2. Передающее устройство может работать в импульсном и непрерывном режимах. В ДИССах с когерентным приёмом основные требования предъявляются к стабильности частоты генерируемых колебаний.

В качестве генераторов СВЧ колебаний используются клистронные, магнетронные и полупроводниковые маломощные генераторы (0,1…5 Вт).

Отражательные и двухрезонатоные прямопролётные клистроны по сравнению с магнетроном обладают лучшей стабильностью и имеют низкий уровень шумов.

Магнетроны, в свою очередь, по сравнению с клистроном имеют более высокий к.п.д.

Полупроводниковые генераторы используют лавинно-пролётные диоды и диоды Ганна.

В ДИССах с ЧМ применяются отражательные клистроны, позволяющие моделировать частоту генерируемых колебаний путём изменения напряжения на отражательном электроде, а так же генераторы на лавинно-пролётных диодах и диодах Ганна.

7.3.3. Приёмное устройство может использовать когерентный и автокогерентный режимы работы.

Автокогерентный режим используются в ДИССах с импульсным излучением. Когерентный режим используется в ДИССах с непрерывным излучением ЧМ колебаний.

Приёмные устройства когерентных ДИСС могут быть трёхканальными и одноканальными.

В трёхканальном приёмнике вход каждого канала подсоединён к одному из выходов антенны. В одноканальном приёмнике вход приёмника последовательно подключается при помощи СВЧ коммутатора к каждому из трёх выходов антенны.

Рассмотрим принцип формирования информационного сигнала в одноканальном приёмном устройстве. Лучи передающей и приёмной антенн коммутируются управляющим сигналом канала синхронизации (рис.2.8, график 1) таким образом, что отражённые сигналы поступают в приёмник поочерёдно в течение долей секунды от каждого луча (рис.2.8, график 3).

Все последовательно поступающие СВЧ сигналы (f₀ ≈ 10 ГГц) на входе приёмника

f_прин1 = f₀ + V_П /λ•Cos Θ•Cos (β - α),

f_прин2 = f₀ - V_П /λ•Cos Θ•Cos (β + α),

f_прин3 = f₀ - V_П /λ•Cos Θ•Cos (β - α)

содержат доплеровское приращение частоты

Fд₁ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β ± α),

Fд₂ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β -+α),

Fд₃ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β ± α),

т.е. несут информацию о путевой скорости V_П и угле сноса α самолёта.

Чтобы извлечь эту информацию, необходимо преобразовать доплеровское приращение частоты в амплитудную модуляцию колебаний несущей частоты f₀ доплеровской частотой. Такое преобразование осуществляется непосредственно на приёмной антенне, на которую воздействую два электромагнитных поля:

- поле, просачивающееся от передающей антенны с частотой f₀ , которое используется в качестве гетеродинного сигнала (рис.2.8, график 2);

- поле отражённого от поверхности земли сигнала (рис.2.8, график 3).

Следует отметить, что частоты этих колебаний отличаются на ничтожно малую величину, поэтому при взаимодействии этих «близлежащих» колебаний возникают интерференционные биения и образуется результирующее амплитудно-модулированное поле (рис.2.8, график 4).

Если пренебречь уходом частоты передатчика f₀ и фазовым сдвигом, возникающим при отражении, то складываемые колебания можно считать когерентными.

Слово «когеpентность» пpоисходит от латинского слова cohaerens (от находящийся в связи).

Два колебания (гаpмонических) называются когеpентными в течение опpеделённого интеpвала вpемени, если pазность фаз между ними на этом интеpвале остается постоянной. Допускается изменение pазности фаз по опpеделенному известному неслучайному закону.

Важно то, что в pезультате сложения когеpентных колебаний в пpостpанстве возникает интеpфеpенция волн, когда в зависимости от pазности фаз pезультиpующее колебание усиливается или ослабляется. Частота результирующего СВЧ поля равна частоте более сильного из двух сигналов. Поскольку мощность опорного сигнала на много больше мощности отражённого сигнала, частота результирующего сигнала равняется частоте передатчика f_0. Если частота передатчика будет подвергаться быстрым изменениям даже в небольших пределах по случайному закону, нарушится когерентность, а, следовательно, уменьшится точность измерения доплеровской частоты.

Приёмники ДИСС строятся по супергетеродинной схеме и должны соответствовать следующим требованиям:

- чувствительность приёмника должна быть настолько высокой, чтобы обеспечить приём отражённого сигнала даже при полёте над спокойной водной поверхностью;

- частотная характеристика всего приёмного канала в полосе сигнала от входа до выхода должна быть строго равномерна, чтобы исключить искажение доплеровского спектра и сдвиг измеряемой доплеровской частоты;

- приёмный тракт должен обеспечивать наилучшее соотношение сигнал/шум, что позволяет повысить точность определения путевой скорости V_П и угле сноса α самолёта.

В диапазоне трёхсантиметровых волн применение УВЧ не целесообразно, поэтому первоначально в балансном смесителе осуществляется перенос доплеровской информации на более низкую промежуточную частоту. Так как, известно, что основную долю собственных шумов приёмника составляют шумы, возникающие на его входе, то в смесителе принимают меры по уменьшению собственных шумов.

Как принято, в приёмных устройствах основное усиление осуществляется в УПЧ. Помимо обеспечения равномерного усиления во всём рабочем диапазоне, УПЧ должен обладать такой амплитудной характеристикой, которая при большом диапазоне изменения уровня входного сигнала обеспечивала бы наряду с минимальными искажениями спектра сохранение уровня выходного сигнала в пределах, необходимых для нормальной работы каналов преобразования и вычисления.

После усиления сигнала на промежуточной частоте осуществляется выделение доплеровской информации. Для исключения искажения доплеровской информации в процессе её выделения, используется синхронное детектирование или преобразование в смесителе путём подавления несущей частоты и выделения НЧ доплеровского сигнала (рис.2.8, график 5).

Следует отметить, что доплеровский сигнал представляет собой широкий спектр частот, образующийся вследствие отражения не от точечного объекта, а от площадки значительных размеров (рис.2.9). Радиолуч попадает в точки А,Б,В под разными углами, поэтому составляющие путевой скорости в этих направлениях будут разными: Fд_А ≠ Fд_Б ≠ Fд_В.

На основании этого можно сделать вывод, что при отражении волны от площадки возникает не одна доплеровская частота, а целый спектр частот. При этом интенсивность различных составляющих неодинакова. Наибольшую интенсивность имеют компоненты, формирующиеся в направлении максимума ДНА (точка Б). Мощность излучения и мощность отражённых сигналов в этом направлении максимальна. Ширина спектра доплеровских частот зависит не только от ширины ДНА, но и от угла между осью ДНА и направлением путевой скорости. Она максимальна, если ось диаграммы отклонена от направления путевой скорости на угол 90°, и минимальна, если ось диаграммы совмещена с направлением путевой скорости. Следует отметить, что интерес представляет средняя составляющая доплеровского спектра Fд_ср, так как её величина наиболее точно соответствует скорости перемещения ВС относительно поверхности земли.

Кроме того, при изменении скорости полёта ВС этот спектр изменяется в пределах от 0 до 11 кГц, поэтому полоса пропускания УНЧ должна обеспечивать равномерное усиление доплеровского спектра в диапазоне 0,4…24 кГц.

Вывод: на выходе приёмника поочерёдно выделяются НЧ доплеровские спектры со средней доплеровской частотой, несущей информацию о путевой скорости V_П и угле сноса α самолёта:

Fдср₁ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β ± α),

Fдср₂ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β -+α),

Fдср₃ = 2V_П /λ•Cos Θ•Cos (β ± α),

т.е. несут информацию о путевой скорости V_П и угле сноса α самолёта.

Данные сигналы с выхода приёмника подаются в канал преобразования.