Измерение дальности с помощью модифицированного эффекта Доплера

Измерение абсолютного значения дальности можно реализовать путем осуществления приращения частоты излученного радиосигнала при условии, что фаза принятого сигнала от переотражающей антенны в точке излучения исходного радиосигнала будет стационарна. Это условие можно выполнить за счет изменения частоты исходного радиосигнала таким образом, чтобы разность фаз принимаемого сигнала от переотражающей антенны и исходного радиосигнала была равна нулю. Данный принцип измерения можно реализовать, используя генератор исходного радиосигнала, которым будет управлять устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) по сигналу рассогласования, принимаемого от переотражающей антенны [1]. Особенность метода заключается в том, что можно измерять абсолютную дальность с точностью менее длины волны.

Теоретическое обоснование метода. Измеряемое расстояние D определяется по соотношению:

D = ——— = — (n + ф),        (1)

2 f 360 ° 2

D + d =

c n ,

2( f + А f ) ’

где d – приращение дальности.

Из соотношений (1) и (2) получаем выражение для приращения дальности d :

cn d =-----

cn _ cnf - cnf - cn A f   cn A f

2( f + А f ) 2 f

2( f + А f ) f

® -

2 f ²

. (3)

Последнее выражение представим в обобщенном виде:

d = -A f .                  (4)

Df

Описание экспериментальной установки. Современные цифровые синтезаторы частоты гигагерцового диапазона обеспечивают шаг перестройки частоты 100 Гц и менее, что позволяет использовать

где c – скорость распространения электромагнитной волны; f – частота генератора управляемого напряжением (ГУН); V - полная фазовая задержка; — - длина волны; n - целая часть фазовой задержки

сигнала.

Здесь введено обозначение

V- 360 ° n

Ф =----------,

360 °

их в предложенном методе [2]. В лабораторных условиях макет локатора приведен в масштабе расстояний 1 : 200, что позволяет осуществить работы в пределах помещения лаборатории на малых мощностях излучения с использованием приборов общего назначения: осциллографа С1–91 и анализатора спектра СК4–59. Значения приращения частоты на 1 мм перемещения антенны ретранслятора согласно выражению (4) составит 600 кГц, что с достаточной точностью измеряется анализатором спектра СК4–59. Осциллографом С1–91 регистрируется огибающая принимаемого сиг-

V

n =------.

360 °

Работа ФАПЧ при использовании интегрального закона регулирования обеспечивает значение ф = 0 за счет изменения частоты ГУН f , поэтому получаем:

нала с выхода синхронного детектора.

На выходе генератора имеем сигнал частотой 2,85 ГГц с диапазоном перестройки 15 МГц и мощностью 5 мВт. Нагрузкой генератора является микропо-лосковый полуволновой вибратор, расположенный в фокусе параболического отражателя диаметром 1 м, что обеспечивает коэффициент антенны равный 30 дБ.

В макете принимаемый сигнал от переотражателя детектируется фазовым детектором, усиливается на 70 дБ и после синхронного детектирования наблюдается на экране осциллографа С1–91 (рис. 1, 2).

Генератор макета выполнен на транзисторе VT1 (типа КТ640) по схеме емкостной трехточки с заземленным коллектором. Синхронное детектирование сигнала осуществляется на базовом переходе транзистора VT1 и усиленный сигнал этим же транзистором снимается с его коллектора и подается на двухкаскадный полосовой усилитель с коэффициентом усиления 80 дБ и затем на выход. Перестройка генератора осуществляется изменением коллекторной емкости транзистора VT1 путем изменения тока коллектора R1. Нестабильность генератора не превышает 100 кГц.

Антенна ретранслятора представляет собой параболическое зеркало диаметром 1 м, в фокусе которой расположен коммутируемый полуволновой микропо-лосковый вибратор. Коммутируется вибратор Pin-диодом Д1, обеспечивающим короткое замыкание вибратора тока Pin-диода 10 мА и холостой ход

( Rpin > 1 кОм ) при обратном напряжении на Pin-диоде, равном 10 В. Управляется Pin-диод импульс- ным генератором. Электрическая схема ретранслятора приведена на рис. 3.

Импульсный генератор выполнен на транзисторах VT1-VT2 и представляет собой симметричный мультивибратор. Частота генерирования составляет 300 Гц. Коммутируемая нагрузка на Pin-диоде обеспечивает переключение фазы сигнала отражения на 180°, это позволяет идентифицировать сигнал ретранслятора от сигналов окружающих объектов, подвижных и неподвижных.

Экспериментальная проверка метода . Методика лабораторных испытаний заключается в регистрации приращения несущей частоты генератора в зависимости от величины перемещения положения ретранслятора до локатора.

Ноль фазы отраженного сигнала регистрируется на осциллографе С1–91, а частота сигнала излучения и его мощность – анализатором спектра СК4–59. Расстояние между антеннами устанавливается равным 5 м. Параболические отражатели не используются, а антеннами являются полуволновые микрополоско-вые вибраторы. Величина перемещения ретранслятора измеряется линейкой со шкалой нониуса (использована готовая механическая часть от волноводной измерительной линии).

Рис. 1. Структурная схема макета:

ГУН – генератор управляемый напряжением; ФД – фазовый детектор; УС – усилитель; СД – синхронный детектор; И – точка индикации огибающей выходного сигнала СД; К – коммутатор переизлучающей антенны, установленной на точке переизлучения

Рис. 2. Принципиальная схема макета

Рис. 3. Электрическая схема ретранслятора

Таблица 1

Результаты испытаний макета

№ цикла измерения	d , мм	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
1	Δ f , МГц	0	1,200	2,450	2,600	4,750	6,000	7,250	8,400	9,650	10,800	12,000
2	Δ f , кГц	0	1,250	2,400	3,700	4,800	5,900	7,100	8,400	9,600	10,850	11,900
3	Δ f , кГц	0	1,200	2,400	3,600	4,800	5,950	7,150	8,300	9,550	10,800	12,050

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований

l , мм	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75
U , мВ	80	180	200	200	80	100	0	140	200	220	200	100	0	100	180	180

Частота генератора сигнала устанавливается вручную с помощью потенциометра R1 (см. рис. 2). Количество циклов измерений равно трем при шаге d = 2 мм в диапазоне изменений d = ±10 мм относительно заднего положения, устанавливаемого по нулю фазы сигнала на средней несущей частоте. Результаты испытаний приведены в табл. 1 при начальной частоте генератора сигнала, равной 2 840 МГц, что соответствует d = 0.

Согласно табл. 1, погрешность измерения величины приращения d антенны ретранслятора составляет менее 0,5 мм. Расстояние между антеннами увеличено до 21 м. Уровень шума – 20 мВ. Результаты эксперимента представлены в табл. 2. Расчетная точность метода измерения абсолютной дальности, реализованного на описанной установке, составляет ~0,01 мм.

По зависимости выходного напряжения от приращения расстояния построен график (рис. 4).

Таким образом, использование параболических отражателей метрового диаметра на макете и ретрансляторе повысит энергетику канала на 120 дБ, что обеспечит увеличение дальности на 30 дБ (до 500 м). Для обеспечения дальности 1 км необходимо повысить мощность генератора макета на 12 дБ, т. е. до величины 20 мВт. Шаг частоты перестройки генера- тора должен быть не более 1 кГц. Реализацию режима ФАПЧ целесообразно осуществить с использованием микроЭВМ.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от приращения расстояния