CN106092040A

CN106092040A - 消除fmcw高度表精度漂移的系统和方法

Info

Publication number: CN106092040A
Application number: CN201610371012.4A
Authority: CN
Inventors: 纪晨华; 纪华; 黄丽芳
Original assignee: CETC 50 Research Institute
Current assignee: CETC 50 Research Institute
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: CN106092040B

Abstract

本发明提供了一种消除FMCW高度表精度漂移的系统和方法，该系统包括事件计数器等，差拍信号送入事件计数器的第一端和时序逻辑控制器的第七端，事件计数器的第二端连接第一锁存器的第一端；第一锁存器的第二端连接第一缓存器的第一端，第一缓存器的第二端连接微控制单元的第一端，本地脉冲发生器的第一端连接第一时基计数器的第一端和第二时基计数器的第一端；第一时基计数器的第二端连接第二锁存器的第一端，第二锁存器的第二端连接第二缓存器的第一端，第二缓存器的第二端连接微控制单元的第二端；第二时基计数器的第二端连接第三锁存器的第一端。本发明消除元器件不一致、高低温下参数漂移等因素带来的高度表测高精度下降的影响。

Description

消除FMCW高度表精度漂移的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种消除高度表精度漂移的系统和方法，具体地，涉及一种消除FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)高度表精度漂移的系统和方法。

背景技术

在FMCW高度表的设计中，由于一般采用三角波调制的电路，三角波电路一般采用模拟电路实现，由于元器件不可避免地存在一定的偏差，从而会带来三角波调制信号存在上升阶段与下降阶段时间不一致的情况，同时由于高度温环境下器件存在一定的性能漂移，也会对高度表测高精度带来影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种消除FMCW高度表精度漂移的系统和方法，其通过测量无线电高度表中三角波调制信号的周期时间，修改高度表测高公式，在高度表的公式中消除三角波周期的影响，从而消除元器件不一致、高低温下参数漂移等因素带来的高度表测高精度下降的影响。

根据本发明的一个方面，提供种消除FMCW高度表精度漂移的系统，其特征在于，所述消除FMCW高度表精度漂移的系统包括事件计数器、第一锁存器、第一缓存器、第一时基计数器、第二锁存器、第二缓存器、第二时基计数器、第三锁存器、第三缓存器、本地脉冲发生器、时序逻辑控制器、调制信号发生器、微控制单元，差拍信号送入事件计数器的第一端和时序逻辑控制器的第七端，事件计数器的第二端连接第一锁存器的第一端；第一锁存器的第二端连接第一缓存器的第一端，第一缓存器的第二端连接微控制单元的第一端，本地脉冲发生器的第一端连接第一时基计数器的第一端和第二时基计数器的第一端；第一时基计数器的第二端连接第二锁存器的第一端，第二锁存器的第二端连接第二缓存器的第一端，第二缓存器的第二端连接微控制单元的第二端；第二时基计数器的第二端连接第三锁存器的第一端，第三锁存器的第二端连接点缓存器的第一端，第三缓存器的第二端连接微控制单元的第三端；本地脉冲发生器的第二端连接时序逻辑控制器的第一端，时序逻辑控制器的第二端连接第一锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第三端连接第三锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第四端连接调制信号发生器的第二端，时序逻辑控制器的第五端连接第一缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第六端连接第三缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第八端连接第二锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第九端连接第二缓存器的第三端，调制信号发生器的第一端连接微控制单元的第四端。

优选得，所述消除FMCW高度表精度漂移的系统采用以下公式：

H = \frac{C \cdot 2 M \cdot T_{K} \cdot K}{4 \cdot Δ F \cdot N \cdot T_{K}} = \frac{C \cdot M \cdot K}{2 \cdot Δ F \cdot N}

其中，H表示测量高度，C表示光速，ΔF表示调制带宽(Hz)，时序逻辑控制器根据方波信号以及本地脉冲发生器控制的第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器得到的F_b脉冲数量K、F_b脉冲首末脉冲内的本地脉冲数量N、方波信号内的本地脉冲数量M，Tk为周期时间。

本发明还提供一种消除FMCW高度表精度漂移的方法，其采用事件计数器、第一锁存器、第一缓存器、第一时基计数器、第二锁存器、第二缓存器、第二时基计数器、第三锁存器、第三缓存器、本地脉冲发生器、时序逻辑控制器、调制信号发生器、微控制单元，事件计数器对输入的差拍信号计数，并将计数值送到第一锁存器，同样本地脉冲发生器产生频率已知的脉冲信号输入到第一时基计数器，由第一时基计数器计数并将计数值送到第二锁存器；调制信号发生器在微控制单元的控制下产生高度表的调制信号，同时将与三角波调制周期同步的方波信号送给时序逻辑控制器，时序逻辑控制器根据方波信号以及本地脉冲发生器控制的第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器得到F_b脉冲数量、F_b脉冲首末脉冲内的本地脉冲数量、方波信号内的本地脉冲数量，微控制单元读取第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器的计数结果后计算获得精确的差拍信号频率信息，从而获得无线电高度表的测高信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可通过对三角波调制周期的精确测量，改进高度表高度计算公式，从而从原理上消除了此类误差，防止对高度表测高精度带来影响。本发明采用周期内测量的方法，从原理消除了由于元器件不一致、高低温下参数漂移等因素带来的高度表测高精度下降的影响，从而提高了高度表的测高精度，适用于无线电高度表的设计与应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明消除FMCW高度表精度漂移的系统的原理框图。

图2为本发明信号处理的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明消除FMCW高度表精度漂移的系统包括事件计数器1、第一锁存器2、第一缓存器3、第一时基计数器4、第二锁存器5、第二缓存器6、第二时基计数器7、第三锁存器8、第三缓存器9、本地脉冲发生器10、时序逻辑控制器11、调制信号发生器12、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)13，差拍信号送入事件计数器的第一端和时序逻辑控制器的第七端，事件计数器的第二端连接第一锁存器的第一端；第一锁存器的第二端连接第一缓存器的第一端，第一缓存器的第二端连接微控制单元的第一端，本地脉冲发生器的第一端连接第一时基计数器的第一端和第二时基计数器的第一端；第一时基计数器的第二端连接第二锁存器的第一端，第二锁存器的第二端连接第二缓存器的第一端，第二缓存器的第二端连接微控制单元的第二端；第二时基计数器的第二端连接第三锁存器的第一端，第三锁存器的第二端连接点缓存器的第一端，第三缓存器的第二端连接微控制单元的第三端；本地脉冲发生器的第二端连接时序逻辑控制器的第一端，时序逻辑控制器的第二端连接第一锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第三端连接第三锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第四端连接调制信号发生器的第二端，时序逻辑控制器的第五端连接第一缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第六端连接第三缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第八端连接第二锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第九端连接第二缓存器的第三端，调制信号发生器的第一端连接微控制单元的第四端。

本发明消除FMCW高度表精度漂移的方法采用事件计数器1、第一锁存器2、第一缓存器3、第一时基计数器4、第二锁存器5、第二缓存器6、第二时基计数器7、第三锁存器8、第三缓存器9、本地脉冲发生器10、时序逻辑控制器11、调制信号发生器12、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)13，事件计数器对输入的差拍信号计数，并将计数值送到第一锁存器，同样本地脉冲发生器产生频率已知的脉冲信号输入到第一时基计数器，由第一时基计数器计数并将计数值送到第二锁存器；调制信号发生器在微控制单元的控制下产生高度表的调制信号A，同时将与三角波调制周期同步的方波信号送给时序逻辑控制器，时序逻辑控制器根据方波信号以及本地脉冲发生器控制的第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器得到F_b脉冲数量K、F_b脉冲首末脉冲内的本地脉冲数量N、方波信号内的本地脉冲数量M，微控制单元读取第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器的计数结果后计算获得精确的差拍信号频率信息，从而获得无线电高度表的测高信息。

本发明的工作原理如下：调频连续波无线电高度表中不论是恒定调制周期还是恒定差拍高度表，都需要对差拍信号进行频率测量，在传统的高度表测量中，通常通过脉冲计数方式计算差拍频率F_b从而获得高度的数据，以三角波调制方式为例，高度计算公式如下式1所示：

H = \frac{C \cdot T_{s} \cdot F_{b}}{4 \cdot Δ F} - - - (1)

其中，H表示测量高度(m)，C表示光速(3×108m/s)，T_S表示调制周期(s)，F_b表示差拍频率(Hz)，ΔF表示调制带宽(Hz)。

由于C、T_S、ΔF需要根据飞行高度等要求确定，ΔH与F_b单次测量时间Tm成反比，Tm越长阶梯误差ΔH就越小，但Tm增加又会导致高度表测高数据刷新率下降。按以往高度表采用的参数计算，为保证高度刷新率，采样周期一般不超过20ms。

由以上公式可以看出，高度表的三角波调制周期T_S在公式(1)中作为一个常数出现，当该常数出现漂移后将不可避免地对高度表测高精度造成影响。

为消除高度表三角波调制周期的漂移给高度表测高精度带来的影响，通过本专利的实施，从理论上改进高度表计算公式，从而在信号处理层面彻底消除高度表三角波调制周期的漂移因素，其流程如图2所示：本地脉冲发生器发出时基脉冲B，其频率FM2其频率为调制频率的K倍，其周期时间为Tk。事件计数器对输入的差拍信号计数，并将计数值送到第一锁存器，同样本地脉冲发生器产生频率已知的脉冲信号输入到第一时基计数器，由第一时基计数器计数并将计数值送到第二锁存器；调制信号发生器在MCU的控制下产生高度表的调制信号，同时将与三角波调制周期同步的方波信号送给时序逻辑控制器，时序逻辑控制器根据方波信号以及本地脉冲发生器控制的第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器得到F_b脉冲C的数量K、F_b脉冲首末脉冲内的本地脉冲数量N、方波信号内的本地脉冲数量M，MCU读取第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器的计数结果后计算获得精确的差拍信号频率信息，从而获得无线电高度表的测高信息。由MCU根据公式(2)计算差拍信号频率。

由于T_S＝2M×T_K，因此式1可改写为如式(2)：

H = \frac{C \cdot 2 M \cdot T_{K} \cdot K}{4 \cdot Δ F \cdot N \cdot T_{K}} = \frac{C \cdot M \cdot K}{2 \cdot Δ F \cdot N} - - - (2)

信号时序如图2所示。

原高度表的三角波电路精度主要由充放电电容决定，其精度以及高度温漂移一般在1～2％，采用高精度时基脉冲对三角波调制周期进行测量后，由于高精度时基脉冲精度可以达到1ppm，比原有的三角波周期稳定性提高几个数量级，当三角波周期发生漂移后可以通过精确测量三角波周期后在高度计算公式中消除影响，从而彻底解决三角波周期漂移造成的高度表测高精度下降。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种消除FMCW高度表精度漂移的系统，其特征在于，所述消除FMCW高度表精度漂移的系统包括事件计数器、第一锁存器、第一缓存器、第一时基计数器、第二锁存器、第二缓存器、第二时基计数器、第三锁存器、第三缓存器、本地脉冲发生器、时序逻辑控制器、调制信号发生器、微控制单元，差拍信号送入事件计数器的第一端和时序逻辑控制器的第七端，事件计数器的第二端连接第一锁存器的第一端；第一锁存器的第二端连接第一缓存器的第一端，第一缓存器的第二端连接微控制单元的第一端，本地脉冲发生器的第一端连接第一时基计数器的第一端和第二时基计数器的第一端；第一时基计数器的第二端连接第二锁存器的第一端，第二锁存器的第二端连接第二缓存器的第一端，第二缓存器的第二端连接微控制单元的第二端；第二时基计数器的第二端连接第三锁存器的第一端，第三锁存器的第二端连接点缓存器的第一端，第三缓存器的第二端连接微控制单元的第三端；本地脉冲发生器的第二端连接时序逻辑控制器的第一端，时序逻辑控制器的第二端连接第一锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第三端连接第三锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第四端连接调制信号发生器的第二端，时序逻辑控制器的第五端连接第一缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第六端连接第三缓存器的第三端，时序逻辑控制器的第八端连接第二锁存器的第三端，时序逻辑控制器的第九端连接第二缓存器的第三端，调制信号发生器的第一端连接微控制单元的第四端。

2.根据权利要求1所述的消除FMCW高度表精度漂移的系统，其特征在于，所述消除FMCW高度表精度漂移的系统采用以下公式：

H = \frac{C \cdot 2 M \cdot T_{K} \cdot K}{4 \cdot Δ F \cdot N \cdot T_{K}} = \frac{C \cdot M \cdot K}{2 \cdot Δ F \cdot N}

3.一种消除FMCW高度表精度漂移的方法，其特征在于，其采用事件计数器、第一锁存器、第一缓存器、第一时基计数器、第二锁存器、第二缓存器、第二时基计数器、第三锁存器、第三缓存器、本地脉冲发生器、时序逻辑控制器、调制信号发生器、微控制单元，事件计数器对输入的差拍信号计数，并将计数值送到第一锁存器，同样本地脉冲发生器产生频率已知的脉冲信号输入到第一时基计数器，由第一时基计数器计数并将计数值送到第二锁存器；调制信号发生器在微控制单元的控制下产生高度表的调制信号，同时将与三角波调制周期同步的方波信号送给时序逻辑控制器，时序逻辑控制器根据方波信号以及本地脉冲发生器控制的第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器得到F_b脉冲数量、F_b脉冲首末脉冲内的本地脉冲数量、方波信号内的本地脉冲数量，微控制单元读取第一缓存器、第二缓存器、第三缓存器的计数结果后计算获得精确的差拍信号频率信息，从而获得无线电高度表的测高信息。