Методы дальнометрии
В зависимости от того, по какому параметру отраженного или ответного сигнала (по фазе, частоте или временному положению импульса) определяется его запаздывание относительно излученного, различают фазовый, частотный и импульсный методы радиодальнометрии.
Фазовый метод
При фазовом методе передатчик
(рис. 3.1) излучает немодулированное
гармоническое колебание.
Фаза этого зондирующего сигнала имеет
мгновенное значение
где f0 – частота излучаемого колебания,
а j0 – начальная фаза. Тогда мгновенная фаза j2 отраженного сигнала будет запаздывать на время t3 = 2r/с, где r – дальность отражающего объекта. Поэтому
.
Здесь для упрощения предполагается, что при отражении зондирующего сигнала от объекта его фаза не изменяется.
Отраженный сигнал поступает на приемную антенну, затем в приемник ПРМ и с него на фазометр Ф, на который поступает и зондирующий сигнал. Фазометр измеряет разность y фаз излучаемого и отраженного сигналов:
,
которая пропорциональна дальности отражающего объекта.
Следовательно, искомая дальность r=ly/(4p) и показания фазометра можно проградуировать непосредственно в единицах расстояния.
Система, реализующая фазовый метод радиодальнометрии, называется фазовым радиодальномером. Рассмотрим его некоторые характеристики.
Поскольку фазометр может однозначно измерять разность фаз в пределах до 2p, то максимальная дальность действия такого дальномера, определяемая из условия однозначного определения дальности, составляет rmax=l2p/(4p)= =0,5l, т.е. всего только половину используемой длины волны.
Абсолютная погрешность измерения дальности вследствие неточности измерения разности фаз Dy составляет
и может быть сделана сколь угодно малой за счет уменьшения длины волны. Но при этом пропорционально сокращается и максимальная дальность. Относительная погрешность измерения дальности
определяется относительной инструментальной погрешностью работы фазометра.
Легко видеть, что если на пути распространения излученной электромагнитной волны встретится не один отражающий объект, а хотя бы два, то от каждого из них на радиодальномер придет отраженный сигнал с разностью фаз, определяемой дальностью до этого объекта, и амплитудой, зависящей от дальности и площади его отражающей поверхности. Два сигнала, отраженные от указанных объектов, сложатся и образуют некоторый результирующий сигнал, фаза которого будет сложной функцией фаз и амплитуд слагаемых. Амплитуды последних заранее неизвестны и могут считаться случайными, что и обеспечивает случайность фазы результирующего сигнала. Фазометр дальномера будет измерять разность фаз этого результирующего и зондирующего сигналов, которая весьма сложным и случайным образом зависит от дальностей и эффективных отражающих поверхностей объектов. При этом фазовый дальномер будет измерять дальность до некоторого несуществующего объекта, которая пропорциональна указанной разности фаз результирующего и зондирующего сигналов. Таким образом, при наличии уже двух отражающих объектов показание фазового радиодальномера единственно и к тому же ошибочно. Следовательно, рассматриваемый фазовый радиодальномер может измерять дальность только до одного объекта, т.е. не обладает способностью определять дальности до двух и более разнесенных объектов или, как говорят, не обладает разрешающей способностью по дальности.
Частотный метод
В частотных дальномерах, как и во всех активных системах, дальность до объекта наблюдения измеряется по задержке принятого сигнала относительно зондирующего. Зондирующий сигнал — непрерывный, с частотной модуляцией. Задержка измеряется по изменению частоты между моментами приема и передачи (рис. 3.2).
В результате в любой фиксированный момент времени t1 частоты излученного и принятого сигналов различаются на некоторую величину Df.
Для нахождения связи между изменением частоты Df и задержкой t3 положим, что на интервале задержки частота изменяется линейно —
. Тогда 
откуда
(3.1)
Разница частот выявляется как частота биений при подаче на нелинейный элемент (смеситель, детектор) принятого и зондирующего сигналов: Df = fб.
Закон изменения частоты излучаемых колебаний может быть различным, в частности гармоническим или пилообразным. Изменение частоты должно быть знакопеременным, так как частота ограниченный пригодный ресурс.
В частотном методе частотно-модулированный генератор ЧМГ (рис. 3.3) излучает зондирующий сигнал, частота которого модулирована по некоторому закону, например по закону симметричной линейной пилы (рис. 3.4):
;
,
при любом t,
где f0 – центральная частота сигнала; Df – девиация частоты; Т – период частотной модуляции.
После отражения электромагнитной волны этого сигнала от некоторого объекта, расположенного на дальности r, в приемную антенну поступит отраженный сигнал. Закон изменения его частоты (рис. 3.4) будет запаздывать от закона изменения частоты зондирующего сигнала на время t3 = 2r/с, т.е. 
.
Отраженный сигнал усиливается избирательным (полосовым) усилителем ИУ, суммируется с зондирующим сигналом и подается на амплитудный детектор АД, который выделяет огибающую биений между зондирующим и отраженным сигналами. Частота этих биений, очевидно, равна абсолютной величине разности частот этих сигналов (рис. 3.4):
.
Легко видеть, что максимальное значение этой разности
пропорционально дальности r отражающего объекта. Измеряя эту частоту с помощью специального измерителя частоты биений ИЧБ можно определить искомую дальность. Хотя указанный измеритель обычно измеряет не максимальную, а среднюю частоту биений, но поскольку обычно t3.<<Т, то различие указанных частот пренебрежимо мало.
Таким образом, измеряя частоту биений, возникающих в амплитудном детекторе при взаимодействии зондирующего и отраженного ЧМ сигналов, рассматриваемый частотный дальномер измеряет дальность до отражающего объекта.
Как видно из рисунка, частота биений остается постоянной большую часть периода модуляции ТМ и изменяется только в так называемых зонах обращения, длительность которых равна задержке t3 принятого сигнала относительно зондирующего. Обычно период модуляции выбирают значительно большим, чем максимальная ожидаемая задержка tзmax: tзmах <(0,01-0,02)Tм. Поэтому измеряемая частота биений fб определяется плоскими участками кривой на рис. 3.4. Для этих участков нетрудно получить, используя выражение (3.1)
. (3.2)
В соответствии с формулой (3.2) дальность прямо пропорциональна частоте биений, поэтому ИЧБ можно проградуировать в единицах дальности. Частотный метод измерения расстояния широко применяется в самолетных высотомерах, где используется его важное достоинство — отсутствие мертвой зоны. Максимальная измеряемая дальность находится из условия
.
Частотный дальномер, выходным устройством которого является измеритель частоты биений, может измерять дальность только до одного объекта и поэтому не обладает разрешающей способностью по дальности. Он обычно используется в качестве радиовысотомера малых высот и широко применяется в авиации. Для получения разрешения по дальности и возможности измерения дальности до многих объектов следует в частотном радиодальномере заменить измеритель частоты биений анализатором спектра.
Движение объекта приводит к появлению доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала относительно излучаемого:
.
Рассмотрим влияние эффекта Доплера на работу частотного дальномера. Возможны два случая работы системы.
1. fд < fб (рис. 3.5). На рис. 3.5 штрихпунктирной линией показано изменение частоты принимаемого сигнала от неподвижного объекта наблюдения. Разность между ней и сплошной линией, которая представляет частоту зондирующего сигнала, равна частоте биений fб, соответствующей дальности до объекта. Пунктирная линия смещена относительно штрихпунктирной вниз на частоту Доплера fд и характеризует частоту сигнала, принятого от подвижного объекта. Из рисунка видно, что в течение одной половины периода модуляции частота биений принимает значение
fб1 = fб - fд
течение другой — fб2 = fб + fд
Частотомер измеряет среднюю частоту биений за период модуляции
Таким образом, при fД < fб доплеровское смещение частоты не влияет на среднюю частоту биений fб. ср, которая и измеряется частотомером. Иными словами, движение объекта не влияет на измерение дальности до него.
2. fд >fб (рис 3.6). На рис. 3.6 сохранены те же обозначения, что и рис. 3.5. Из него следует, что в течение одной половины периода модуляции частота биений равна
fб1 = fД – fб
течение другой
fб2 = fД + fб
Средняя частота биений fб. ср, измеряемая частотомером, равна
Таким образом, в данном случае дальномер измеряет не дальность, а радиальную скорость. Для того чтобы дальномер измерял и дальность и радиальную скорость, надо иметь возможность раздельного измерения fб1, fб2 с помощью анализатора спектра и последующего их вычисления. Кроме того, необходимо иметь априорные сведения о соотношении между f6 и fД.
