CC BY
150
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
УДК 621.372
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ РАДИОДАЛЬНОМЕР
1 2 ? Сорочан А.Г., д.т.н., доцент;ДобрякД.А., к.ф.-м.н.; Заболотний Е.В.
1 3
’ Донецкий Национальный технический университет, г. Донецк’ Украина;
2
Samsung Ukraine Research & Development Centre (SURC) Engineer’
г.Киев, Украина
Радиодальномеры широко используются в системах радиолокации, навигации и управлении движением. Наиболее распространены импульсные, частотные и фазовые радиодальномеры. Все измерители дальности основаны на измерении пространственно-временной задержки зондирующего сигнала отраженного от цели. Одной из важнейших характеристик радиодальномера является точность измерения.
Простейшая схема импульсного радиодальномера приведена на рис.1.
ГРЧ
ГИ
СУ
УМ
ГПН
_____ .----.
ППП <-> Ан
РПрУ
ВУ
Цель
Рис.1. Импульсный радиодальномер, где ГРЧ - генератор радиочастоты; ГИ - генератор импульсов; СУ - синхронизирующее устройство; УМ - усилитель мощности; ГПН - генератор пилообразного напряжения; ППП - переключатель прием передача; РПрУ - радиоприемное устройство; ВУ - внешнее устройство; Ан - Антенна
Принцип работы такого дальномера основан на измерении временного интервала между моментом времени излучения зондирующего сигнала и времени приема отраженного сигнала. Зондирующий сигнал представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов. Период следования импульсов определяется максимальной дальностью действия, которая, в свою очередь, зависит от длительности импульса. Точность измерения дальности определяется равенством [1, 2]
СТ„
^им
2 /
2E
N
2E
N
и зависит от длительности импульса тИ (А/ - эффективная ширина спектра сигнала) и энергетических параметров сигнала E и шума N0. Уменьшение длительности импульса ведет к расширению спектра зонди-
94
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
рующего сигнала, что повышает точность измерения. Минимальная измеряемая дальность объекта уменьшается с уменьшением длительности импульса.
Частотный метод измерения дальности (рис.2) основан на принципе измерения приращения частоты зондирующего сигнала, изменяющейся по линейному закону, за время запаздывания отраженного сигнала. В таких радиодальномерах зондирующий сигнал представляет собой непрерывный ЧМ сигнал. Наиболее распространен сигнал зондирования с линейной частотной модуляцией по пилообразному закону.
Точность измерения дальности в таком радиодальномере определяется
1 cAF
[3, 4] выражением а. = ^^ ^ ^ , где полоса пропускания фильтра
AF , Af - частоты, F - частота модуляции.
Рис. 2. Простейшая структурная схема частотного дальномера (а) и эпюры (б), поясняющие принцип обработки сигнала
Фазовый метод измерения дальности показан на рис.3. Измерение дальности фазовым методом заключается в измерении приращения фазы гармонического колебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала. Если F = c / Ai - масштабная частота, а \ ее длинна волны, то максимальный предел однозначно измеряемой дальности R = 0,5ЛІ .
Выражение, определяющее среднеквадратическую ошибку измерения
Рис. 3 Структурная схема простейшего фазового радиодальномера
дальности [4], имеет вид <зф= ^ 4л
І
2E
N
, из которого следует, что фазо-
вому методу присуще противоречие увеличение модулирующей частоты ведет к повышению точности измерений, но уменьшается предел однозначно измеряемой дальности. Кроме того, недостатком метода является отсутствие разрешающей способности.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
95
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
Рис. 4. Структурная схема радиодальномера на основе J -корреляционной обработки
В [5] предложен корреляционный метод измерения дальности на основе J -корреляционной обработки сигнала. Структурная схема радиодальномера показана на рис. 4.
Полагаем, что цель движущаяся. Передатчик излуча-
ет зондирующий сигнал с угловой модуляцией, непрерывный и описывается выражением
u(t) = U0 ■ cos[wct + Awt + Рsin(Qt + ф0) + ф1],
где U - амплитуда сигнала, wc - несущая частота, Aw - отклонение частоты связанное с нестабильностью частоты передатчика; Р - индекс модуляции; Q, ф0 - частота модулирующего колебания; ф - начальная фаза несущего колебания.
Излученный зондирующий сигнал отражается от цели и поступает в антенну приемника. Входной сигнал приемника описывается выражением
U(t + т) = U ■ cos wc(t + т) +Aw(t + т) + wRt + Рsin[Q(t + т) + ф0] + ф1 + фц Сигнал u (t) в результате прохождения в пространстве от передатчика к
цели о обратно получил временную задержку т. Так как цель движущаяся, то отраженный сигнал получает доплеровский сдвиг частоты w , ф - дополнительный фазовый сдвиг как результат отражения зонд-сигнала от цели.
На второй вход приемника со второго выхода передатчика подается сигнал u (t), из которого формируется опорное напряжение путем смещения
частоты сигнала u (t) вниз на величину wr с последующей задержкой на время 0х в калиброванной регулируемой линии задержки (РЛЗ), т.е.
u (t + 0x ) = U0 ■ COs [[ [ +Aw - [ )[ + [x ) + Р sin [t + [x ) + Фо ] + Фі ]
В результате перемножения сигнала u(t + т) и опорного колебания (t + 0х ) на частоте wa формируется сигнал
щ(t) = Uj ■ cos|(wr + w)t + 2Рsin[O,5Q(t-0x)]cos[Qt + О,5О(т + 0.) + ф +ф'|:
= U[ ■ cosj( wr + w ) t + Р' cos [Qt + O,5Q(т + 0x) + фo] + ф'j• где U' - амплитуда сигнала выделенного на выходе первого перемно-
u
96
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
жителя Х1; P'=2P sin [ O,5Q(x — 0x)] - вновь сформированный индекс модуляции сигнала щ (t), который зависит от разности временных задержек (г-0Х); ф' = (w + Aw)(x-0Х)+ wrвх + фц - некоторая фаза сигнала, которая также зависит от разности пространственной временной задержки г и 0Х - задержки в РЛЗ.
Сигнал щ (t) делится на две равные части, одна из которых задерживается на постоянную времени тх. Полученные сигналы
щ'(t) = U ■cos|(w + W)t + P'cos[Qt + O,5Q(x + 0) + ^]-^^^^
u"(t) = щ (t + г) = U ■ cos К w + W )(t + r) + P'cos [Q(t + г) + O,5Q(x + 0.) + %]-^^^^
подвергаются автокорреляционной свертке. Для определения результата свертки запишем разложение полученных сигналов в виде суммы гармонических составляющих, коэффициентами разложения которых являются функции Бесселя, в результате получим
U' (t) = и X Jn (P) ■ cos[(+ wa + nQ)t + n[0,5Q(x + 0X) + Фо ] + ф'];
п=—х
х
u" (t) = U' X Jn (p) ■cos [( w+w+nQ)(t+x)+n [ 0,5Q(x+0 x)+Фо ]+ф'_ >
n=—х
где Jn (P') - функция Бесселя n -го порядка, аргументом которой является индекс модуляции P'.
Обозначив (w + w + nQ)xj + n[O,5Q(x + 0.) + ф] + ф' через ф2и и n [ O,5Q(x + 0.) + ф] + ф' через ф1и, получим
х
(t) = U' X Jn (p') ■cos [(w+w+nQ)t+^in];
n=—х
х
u' ’ (t) = U' X Jn (p' ) ■ cos [(^ + w + nQ)t + ^2n n .
n=—х
Из результата автокорреляционной свертки спектров сигналов щ ' (t) и
и" (t) как результат перемножения составляющих n-го порядка со спектральными составляющими (n +1) и (n -1), фильтром УПФ с центральной частотой Q выделяется сигнал
х
щ2 (t) = U2 X Jn (P')J(n—1) (P') ^ cos ( WгX1) ^ cos [Qt + Фо ],
n=—х
который представляет собой гармоническое колебание с частотой Q, равной частоте модулирующего колебания, и не зависящей: от радиальной
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 97
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
скорости цели, т.е. от w, от фазового сдвига фц, полученного при отражении от цели, от нестабильности частоты передатчика Aw.
Амплитуда выходного сигнала определяется множителем cos (wri), значение которого будет зависеть как от временной задержки i, так и от частоты w. Поскольку генератор, вырабатывающий колебание с частотой W - кварцевый, то значение временной задержки определяется строгим ра-2 п
венством i = —. В таком случае последнее выражение запишется в виде
U2 (*) = U2 X Jn (P'J(n—1) (P') • C0S [& + Ф0 ] .
n=—x
Отсчет дальности в корреляционном радиодальномере производится изменением временной задержки 0х в калиброванной РЛЗ. При установлении равенства u2 (t) = 0 значение 0Х будет равно некоторому значению 0О, которое равно пространственной временной задержке i. Следовательно,
искомая дальность R определится равенством R
С0
0
2
Точность измерения того или иного метода определяется поведением характеристики измерителя в окрестности точки измерения. Чем больше приращение выходного напряжения при равном изменении разности (i — 0х), тем более высокоточным является измеритель. Следовательно,
для оценки точности измерения необходимо определить крутизну характеристики. Поскольку в окрестности экстремальной точки временная задержка 0Х в РЛЗ близка к пространственной временной задержке i, то индекс
модуляции P' - мал, в таком случае число спектральных составляющих n = 1. Тогда выражение, определяющее выходное напряжение u2 (t), запишется равенством
U2 (*) = U2J0 (P') J1 (P') • C0S[^* + Фо ] .
И т.к. в этом режиме J0 (P') « 1, то в результате амплитудного детектирования амплитуда переменной составляющей, следовательно, выходное напряжение устройства будет описываться выражением
иых (t ) = U2J, (P') . (1)
При малой разности временных задержек (i —0х) индекс модуляции
мал, поэтому P'=2psin[0,5Q(t — 0.)] « 0,5PQ(t —0Х). Отсюда крутизна характеристики измерителя S (0х) в окрестности экстремальной точки равна S(0х) = 0,5pQ, т.е. S(0х) = const и зависит только от параметров зондирующего сигнала индекса модуляции и модулирующей частоты. Кроме
98
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
того, при переходе через экстремальную точку 0О знак крутизны характеристики изменяется на противоположный.
Важным параметром радиодальномера является дальность действия, которая будет определяться видом характеристики измерителя. Исходя из выражения (1) и поведения функции Бесселя J (р'), выходное напряжение
будет однозначно определено, если индекс модуляции не превышает значения р' = 2. Тогда из ранее полученного выражения, определяющего индекс модуляции р', следует условие Q(t - 0) = п, из которого максимальное значение пространственной временной задержки rmax не может пре-
вышать значения
п
Q
Отсюда однозначно измеряемая максимальная даль-
ность ^max
С п г/;!
2 її [6]’ где С
скорость распространения электромагнитной
волны в свободном пространстве. Так как точность любого измерительного прибора зависит от крутизны характеристики измерителя в точке измерения, то между точностью измерения и однозначным измерением дальности возникают противоречие, которое может быть устранено двумя путями. Первый - увеличением модулирующей частоты зондирующего сигнала при приближении к точке измерения. Второй - введением в цепи, формирования опорного колебания ис (t + 0Х), дополнительных постоянных вре-
менных задержек.
Важной особенностью радиодальномера является то, что обработка отраженного сигнала в радиодальномере сводится к формированию на его выходе однотонального гармонического колебания с частотой Q, равной частоте модуляции зондирующего колебании. Это позволяет обеспечить высокую чувствительность приемника.
Рис. 5. Потенциальная точность радиодальномера
В работе [6] получено соотношение
1,15
Az
=
ґтт / Л2 V2AQ U/ PQ V 2A“
'ш у
дающее оценку точности измерения, в котором U/
у - входное отно-
шение сигнал/шум; Az и AQ - полосы пропускания выходного фильтра (УПФ) и линейного тракта приемника, соот-
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
99
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
ветственно. Ниже приводятся рисунки с графическим отображением зависимости точности измерения дальности от входного соотношения сиг-нал/шум и частоты модуляции в зондирующем сигнале. При этом входная полоса пропускания приемника AQ выбиралась равной ширине спектра принимаемого сигнала 3 МГц, коэффициент различимости kp = 1,2, полоса
УПФ сохранялась постоянной и равной Az = ЗкГц.
В результате проведенных исследований установлено отсутствие влияния доплеровского сдвига частоты, нестабильности частоты генератора передатчика, изменения фазы при отражении от цели зондирующего сигнала на результат обработки. Результатом обработки принимаемого сигнала в приемнике является выделение высокостабильного гармонического колебания с частотой модулирующего колебания, чем обеспечивает высокая чувствительность приемника. Установлено, что потенциальная точность измерения радиодальномера
Литература
1. Радиотехнические системы. Учебник для вузов / Ю.М. Казаринов, Ю.А. Коломенский, Ю.К. Пестов и др. / Под ред. Ю.М. Казаринов. - М.: Сов. радио, 1968. - 496с.
2. Радіотехніка: Енциклопедичний навчальний довідник / В.Т. Бєлінський, Г.І. Ва-сюк, В.С. Вунтесмері и інш. / За ред. Ю.Л. Мазора, Є.А. Мачуського, В.І. Правди. - К.: Вища школа, 1999. - 838с.
3. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации / Моисей Ионович Финкельштейн. -[2-е пере раб. и доп.] - М.: Советское радио, 1973. - 536с.
4. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства /
Г.Б. Белоцерковский. - М.: Сов. радио, 1975. - 236с.
5. Теоретические основы радиолокации / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др. / Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Советское радио, 1978. - 608с.
5. Патент 70379 Україна, G01S 13/34, G01S 13/40. J-кореляційний спосіб вимірювання далекості і пристрій, який його реалізує / Сорочан А.Г., Лігінов С.М., Литвиненко В.І. - № 2002010718; заявл. 29.01.2002; опубл. 15.10.2004, - Бюл. № 10.
6. Сорочан А.Г. Радиодальномер на основе J-корреляционного метода обработки сигнала (метод минимума) / А.Г. Сорочан // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - № 1. - С. 18 - 21.
Сорочан А.Г., Добряк Д.А., Заболотній Є.В. Кореляційний радіодальномір. В роботі стисло характеризуються широко відомі методи вимірювання дальності. Головна увага приділяється особливостям оброблення сигналу в кореляційному методі вимірювання дальності. В якості зондуючого сигналу використовується сигнал з кутовою модуляцією з однотональним коливанням. Показана відсутність впливу доплерівського зсуву частоти на формування кореляційного інтеграла, нестабільність частоти передавача, змінення фази при відбитті його від цілі. Відмічається, що результат оброблення сигналу у вимірювачі дальності зводиться до формування на виході однотонального гармонічного коливання рівного частоті модуляції, що забезпечує високі характеристики радіодальноміра.
Ключові слова: кореляція, індекс модуляції, дальність, зондуючий сигнал, сигнал, шум, спектр, крутизна.
100
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
Пристрої та системи радіозв’язку, радіолокації, радіонавігації
Сорочан А.Г., Добряк Д.А., Заболотний Е.В. Корреляционный радиодальномер. В работе кратко характеризуются широко известные методы измерения дальности. Основное внимание уделено особенностям обработки сигнала в корреляционном методе измерения дальности. В качестве зондирующего сигнала используется сигнал с угловой модуляцией с однотональным колебанием. Показано отсутствие влияния доплеровского сдвига частоты на формирование корреляционного интеграла, нестабильности частоты передатчика, изменения фазы при отражении от цели. Отмечается, что результат обработки сигнала в измерителе дальности сводится к формированию на выходе однотонального гармонического колебания равного модулирующей частоте, что обеспечивает высокие характеристики радиодальномера.
Ключевые слова: корреляция, индекс модуляции, дальность, зондирующий сигнал, сигнал, шум, спектр, крутизна.
Sorochan Anatoliy, Dobriak Dmitry, Zabolotniy Evgeniy. Correlation radio range finder. In work widely known methods of range measuring are short characterized. The basic attention is given features of signal processing in a correlation method of range measuring. The signal with angular modulation with one-voice-frequency fluctuation is used as a probing signal. The absence of Doppler effect on the formation of the correlation integral, the frequency instability of the transmitter, the phase change on reflection from the target is presented. It is noticed that the result of signal processing in the range measuring instrument is reduced to formation on an exit one-voice-frequency harmonious fluctuation equal to modulating frequency that provides high characteristics of a radio range finder.
Keywords: correlation, index modulation range, probing, delay, phase, signal, noise, range, slope.
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2012.-№49
101
