CN1540363A - 一种大量程、高精度无线电测量高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大量程、高精度无线电测量高度的方法。所述的微处理器在通过上述的ΔT_m、N_b、ΔF计算高度H时，依据计算出的高度H随时调节周期性的连续频率输出电路的输出周期。在高度变低时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期增大；在高度变高时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期减速小。所述的周期性的连续频率输出电路的输出频率在4200MHz至4400MHz。这种大量程、高精度无线电测量高度的方法，以便在简化电路结构、降低电路成本的同时，在宽量程的情况下无论是近距离还是远距离达到最优的测距精度。

Description

一种大量程、高精度无线电测量高度的方法

技术领域：本发明涉及一种大量程、高精度无线电测量高度的方法。

背景技术：应用连续波雷达原理，测量飞行体离地面(或海面)高度采用如下公式，

             H＝C×f_b×T_m/2ΔF(1)

式中：       H        行体相对于地面的高度

             C        无线电波传播速度

             f_b      差拍信号的频率

             T_m      调制周期

             ΔF      一调频信号的调频频偏

上公式可改写为

$f_b=\frac{{2f}_m\mathrm{\ΔF}}{C}H,$

从中可看到高度H是T_m、f_h和ΔF的三元函数，H＝Φ(T_m、f_b、ΔF)。为使计算高度方便，在以往无线电高度表设计时往往把此三项参数中其中的两项选为恒定，第三项参数作为高度的单一函数。根据恒定参数选择的不同就产生恒定调制周期体制和恒定差拍频率体制测距方法。对于恒定调制频率体制，除了调频频偏保持恒定外，还把调制周期(调制频率)保持恒定。这时测高公式可改写成

                             H＝A·f_b

式中 $A=\frac{{\mathrm{CF}}_m}{2\mathrm{\ΔF}},$ 当恒定后系数A为常数，测高公式为一元线性函数。根据此公式，只要测出差拍频率的值再乘上系数A就可计算出测量距离。但恒定调制周期体制存在以下的问题：

A、测高范围受低频放大器带宽的限制

差拍信号频率是随高度增加而线性增加，当测高范围较大时，差拍信号频率变化也很大。为了有较好的测高精度，A值取得较小，例如美国生产的ALA-51A无线电高度表，它的A值等于3.93m/KHz，如无线电高度表的测高范围为0m-760m，剩余高度为5m，则差拍信号频率范围至少为1.275KHz-200KHz。如果测高高度进一步提高，差拍信号的频率就会更高。这么宽的带宽在信号处理时是很困难的。众所周知，接收放大器的噪声系数与放大嚣的带宽成正比，噪声系数变大会严重影响接收机的灵敏度。另外，差拍信号频率范围变宽后还会降低测高精度。

B、低高度和高高度测高精度较难兼顾

无线电高度表低频放大器输出噪声的频谱很复杂，既具有较高频率分量，也存在较低频率分量，由于放大器输出噪声的存在，在把差拍信号转变成脉冲去计算高度时，要使脉冲在单位时内的个数与差拍信号的频率数做到精确对应则较为困难，尤其是在低高度及高高度时差拍信号的幅度、频率值相差较多，放大器很难兼顾两者的不同要求。也就是说这种测量距离的方法不能在大量程下使用。

C、频偏校正

在恒定调制周期体制(包括后面将要介绍的恒定差拍频率体制)中，我们是在假定调频频偏ΔF和T_m恒定的条件下才得到H＝A·f_b的关系式，也只有在此条件下A才为常量。当ΔF和T_m变化时，A的数值发生相应变化，那末H和f_b之间的关系发生变化，从而使测高产生误差。调制信号频率很低，用普通集成电路它的稳定度可做得很高，可先不考虑它的变化。目前无线测距中大都采用压控振荡器(VCO)作为调频发射机，VCO是用变容二极管作为调频器件，变容二极管的等效电容量随着加在它两端的电压变化而变化，从而产生调频振荡。如果调制信号(例如三角波信号)的幅度发生变化或变容二极管的电压-电容曲线发生变化以及振荡回路的参数发生变化均会引起频偏发生变化，而且很难在各种环境条件下精确地进行补偿来维持其稳定。为此，一般采用频偏校正电路来保持频偏的稳定。频偏校正电路的采用使整体电路设计复杂，这样不但使成本、体积、重量增加，还会降低产品的可靠性。

而对于上述第二种无线测距方法中的恒定差拍频率体制，除了调频频偏ΔF恒定外，差拍信号频率f_b不管在什么高度也始终保持为一个恒定数值。从无线测高基本公式可得到：

                        H＝B·T_m

式中 $B=\frac{{\mathrm{Cf}}_b}{2\mathrm{\ΔF}},$ C为电波传播速度是常量，

当f_b和ΔF也为常量时，高度H与调制周期T_m成线性关系，测量出调制周期T_m值就可得到高度值。要保持f_b恒定较为复杂，一般是采用一闭环回路来保持差拍频率的恒定，如图1所示，在恒定差拍频率体制中混频器输出的差拍信号经窄带放大器放大后，分别馈送给频率测量电路(1)和频率测量电路(2)。频率测量电路(1)一般采用频率鉴频器等电路完成，它检测出差拍信号频率偏离标称频率的偏离量，此偏离量通过积分放大器后去控制调制周期T_m值的大小，从而去修正此偏离量，使差拍信号频率恒定在标称基准频率值。

频率测量电路(1)在某一频率范围内输出电路与输入频率成线性关系，它输入频率为标称频率(差拍频率恒定值)时，频率测量电路(1)输出为零。当输入信号频率高于标称频率时，频率测量电路(1)输出为正电压(也可为负电压)，频率越高，输出电压也越高，成线性关系。此电压经放大后去控制调制器，使调制信号的周期变大，使差拍信号频率降低。而当输入信号频率低于标称频率时，频率测量电路(1)输出为负电压(也可为正电压)，频率越低，输出电压也越小，也成线性关系。此电压经放大后去控制调制器，使调制信号的周期变小，通过此闭环校正电路来保证在各种情况下差拍信号频率恒定。由于无线电测距中在一般情况下差拍信号频率与标称频率值相差不多，而为了提高校正精确度，频率测量电路(1)输入频率与输出电压之间梯度较大，因此它的频率范围较窄，一旦刚开机或信号丢失后再回复到正常工作时，输入信号的频率可能起出的工作频率范围，使此校正电路失效，在此情况下应启动搜索电路。搜索电路受状态控制电路控制。它的工作原理与频率测量电路(1)相似。当输入频率与标称频率值相同或相差不多时，它的输出为高电平。不同的是当输入信号频率超出标称频率值较多(频率测量电路(1)无法正常工作)，它的输出为零(低电平)。状态控制电路受频率测量电路(2)控制，当频率测量电路(2)输出为低电平时，它启动搜索电路使无线电高度表从正常测高状态(跟踪状态)转入到搜索状态，这时调制器的调制信号周期从小到大连续变化。只有当差拍信号频率又能回归到频率测量电路(1)的工作范围内，频率测量电路(2)输出变为高电平，这时，状态控制电路使无线电高度表从搜索状态回到跟踪状态，又由频率测量电路(1)来维持差拍信号频率的恒定。

恒定差拍频率体制和恒定调制周期体制一样，系数B要恒定，除了差拍信号频率恒定外，调频频偏也需恒定，否则同样会产生测高误差，为此也必须设计有自动频偏校正电路。由于此体制接收机带宽很窄，为此也带来一些问题，也是恒定差拍频率体制存在的缺点。

a 由于接收杌带宽很窄，一旦差拍信号频率在接收杌带宽以外时，如刚开机时，那末整杌就无法正常工作，为此恒定差拍频率体制一般需设计有搜索电路及跟踪-搜索控制电路，不但增加了无线测距的复杂性，还增加了不可靠因素，特别是当恒定差拍频率控制电路在带宽以外出现多值性时，整机容易出现跟踪假目标(也就是虚假高度)情况。

b 恒定差拍频率体制测距中必须有频率恒定控制电路，随着测距范围的不断变化，频率恒定控制电路不断地跟踪差拍频率的变化，使差拍频率不断向标称基准频率靠拢，这样，在恒定差拍频率体制中比其它体制多了一个跟踪校正回路，跟踪校正回路可靠、稳定与否会影响整机的跟踪速度。

c 恒定差拍频率体制在很低高度和很高高度时调制周期T_m变得很小和很大，这样会失去此体制的优势，并带来如下问题，

1)很低高度

当高度很低时调制周期T_m很小，在回波信号较弱时，会出现无线电高度表错误地跟踪此干扰信号的情况，也就是跟踪在很低的高度。这要求混频器的调幅抑止度及本振信号的功率不均匀度要做得很好。另外，当高度很低时，调制锯齿波的占空比就很小，也就是有差拍信号的时间不及无差拍信号时间的十分之一，这对频率恒定控制电路(如频率鉴频器)来说会带来很大的控制误差。

2)很高高度

高度很高时T_m很大，锯齿波电压随时间的变化率很小，它就很容易受到干扰，尤其是受电源和电源地线的干扰最为突出，表现为在锯齿波信号上叠加有不同宽度及幅度的噪声干扰信号，T_m越大，叠加的干扰信号越厉害。有时使得频率恒定控制电路无法正常工作。

从以上分析可看到恒定差拍频率体制测高高度很低(小于7m)或很高(大于7000m)时，由于参数B的恒定使值太小或太大，影响测量性能。

恒定差拍频率体制与恒定调制周期体制一样，调频频偏ΔF一定要保持不变，否则同样会引起测高误差，会带来与恒定调制周期体制同样的副作用。

发明内容：本发明的目的是设计一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，以便在简化电路结构、降低电路成本的同时，在宽量程的情况下无论是近距离还是远距离达到最优的测距精度。

本发明的目的是这样实现的，一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，它依据无线电高度表基本测高公式，H＝C f_bT_m/2ΔF，推导出另一种形式：

                          H＝S·N_b·T_m

式中：S＝C/2ΔF为一常量，C是光速，为了实现对H的测量，其特征是：电路中至少包括一周期可自动调节的周期性的连续频率输出电路、一具有两个谐振频率点f1和f2双频率检测电路，其中频率检测电路的两个谐振频率点f1和f2小于周期性的连续频率输出最大值与最小值之间，f1和f2保持恒定，周期性的连续频率输出电路通过双频率检测电路后，在两个谐振频率点f1和f2上输出两个标志脉冲，两个标志脉冲在时域上产生ΔT_m，在频域上产生f1和f2差值ΔF，连续频率输出电路同时耦合出一小部分能量馈送到混频器，作为本振信号；地面反射回来的回波信号通过接收天线和低噪声放大器加到混频器的信号端，本振信号与回波信号经混频器混频得到差拍信号，差拍信号的频率等于本振信号与回波信号两频率之差，差拍信号经接收放大器放大后再通过数字化电路转换成脉冲数字信号N_b，上述的ΔT_m、N_b、ΔF经微处理器计算就可实时计算出高度H。

所述的微处理器在通过上述的ΔT_m、N_b、ΔF计算高度H时，依据计算出的高度H随时调节周期性的连续频率输出电路的输出周期。

在高度变低时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期增大；在高度变高时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期减速小。

周期性的连续频率输出电路的输出频率在4200MHz至4400MHz。

本发明的最大特点在电路设计中并不要求差拍频率、调制周期及调频频编保持稳定，因此，在不同高度情况下，可以通过微处理器随时设定名项的数值，使各参数始终处于最佳数值范围内。

例如，在很低高度，恒定差拍频率体制的调制周期很小，而本发明微处理器可根据测得的高度数据去控制调制周期设定在一个合适的数值(例如2.5ms左右，不需要太精确和高稳定度)，这时本发明类似于恒定调制国期体制，克服了恒定差拍频率体制调制固期太小带来的缺点。当恒定调制周期高度增加时，差拍频率会越来越高，这时可根据微处理器计算得到的高度，分阶段地对调制周期作适当增大，差拍频率会相应减小，始终能控制在最佳范围内，不会由于高度太大时差拍频率也变得太大，这时，本发明类似于恒定差拍频率体制，其区别是本发明的调制周期是阶段性地变化，差拍频率控制在一个合适范围内，而恒定差拍频率体制调制周期是随高度连续相对应变化，差拍频率控制在某一恒定值(此数值的变化会影响测高精度)。

具体实施方式：如图2所示，本发明至少由调频压控振荡器、调制信号发生器、控制电路、双频检测电路、数字化电路、微处理器、标志信号放大器、混频器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、放大电路组成，调频压控振荡器、调制信号发生器构成周期性的连续频率输出电路，调频压控振荡器产生频率为4200MHz至4400MHz的超高频振荡信号，振荡频率受调制信号发生器、控制电路控制，调制信号的最低和最高智能电平决定了压控振荡器的最低、最高频率，因此当调制信号为三角波时，调频压控振荡器就会产生连续波调频信号；连续波调频信号的调制周期与调制信号的周期相同，调频信号的最高频率与最低频率之差由三角波的幅度所决定，而三角波的平均直流电平决定了调频信号的中心频率。此连续波调频信号通过标志检波器后馈送给发射天线向地面发射，此连续波调频信号同时耦合出一小部分能量馈送到混频器，作为本振信号；地面反射回来的回波信号通过接收天线和低噪声放大器加到混频器的信号端，本振信号与回波信号经混频器混频得到差拍信号，差拍信号的频率等于本振信号与回波信号两频率之差。差拍信号经接收放大器放大后再通过数字化电路转换成脉冲数字信号N_b，微处理器对N_b、T_m和ΔF进行实时快速计算得到高度值；

调频连续波信号通过标志检波器后得到两个标志脉冲，此脉冲进过放大后输给微处器，两脉冲的间隔时间为，两脉冲对应的调频振荡器的频率之差为；输给调频振荡器的调制信号为三角波信号，它由调制信号产生器供给；微处理器通过计算得到的高度值去控制智能化控制电路，它根据计算得到的不同的高度值来自动调整调制信号产生器的三角波周期，可使参数始终保持在最佳范围内。

通过对本发明实施例原理图及发明思想的说明，不难发现，本发明的具有如下显著的优点：

1、不同于传统的计算高度方法，因而不需要调制周期保持恒定，也不需要保持差拍频率的恒定。另外，由于设计中运用了高稳定度的谐振检波器，就不需要振荡器的频编保持恒定，这给测量带来很大的便利，使得很容易解决传统调频测量中遇到的各种难题。

2、设计方案简单，可实现性强，电路得到充分优化，所用元器件数量大大减少，使得整机可靠性大大提高。

3、体积小，重量轻，成本低，调试方便，便于组织批量生产。

4、具有很强的抗干扰能力，在各种复杂地形和海浪情况下均能精确测高。

5、非常适合于低高度飞行的小型飞行器，如导弹上应用。

6、测高范围大，适用于设计低、中、高空相结合应用的无线电高度表。

Claims (5)

1、一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，它依据无线电高度表基本测高公式，H＝Cf_bT_m/2ΔF，推导出另一种形式：

              H＝S·N_b·T_m式中：S＝C/2ΔF为一常量，C是光速，为了实现对H的测量，其特征是：电路中至少包括一周期可自动调节的周期性的连续频率输出电路、一具有两个谐振频率点f1和f2双频率检测电路，其中频率检测电路的两个谐振频率点f1和f2小于周期性的连续频率输出最大值与最小值之间，f1和f2保持恒定，周期性的连续频率输出电路通过双频率检测电路后，在两个谐振频率点f1和f2上输出两个标志脉冲，两个标志脉冲在时域上产生ΔT_m，在频域上产生f1和f2差值ΔF，连续频率输出电路同时耦合出一小部分能量馈送到混频器，作为本振信号；地面反射回来的回波信号通过接收天线和低噪声放大器加到混频器的信号端，本振信号与回波信号经混频器混频得到差拍信号，差拍信号的频率等于本振信号与回波信号两频率之差，差拍信号经接收放大器放大后再通过数字化电路转换成脉冲数字信号N_b，上述的ΔT_m、N_b、ΔF经微处理器计算就可实时计算出高度H。

2、根据权利要求1所述的一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，其特征是，所述的微处理器在通过上述的ΔT_m、N_b、ΔF计算高度H时，依据计算出的高度H随时调节周期性的连续频率输出电路的输出周期。

3、根据权利要求1所述的一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，其特征是：在高度变低时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期增大；在高度变高时，调节周期性的连续频率输出电路的输出周期减速小。

4、根据权利要求1所述的一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，其特征是：周期性的连续频率输出电路的输出频率在4200MHz至4400MHz。

5、根据权利要求1所述的一种大量程、高精度无线电测量高度的方法，其特征是：为实现所述的方式，至少包括调频压控振荡器、调制信号发生器、控制电路、双频检测电路、数字化电路、微处理器、标志信号放大器、混频器、发射天线、接收天线、低噪声放大器、放大电路；调频压控振荡器、调制信号发生器构成周期性的连续频率输出电路，连续波调频信号的调制周期与调制信号的周期相同，连续波调频信号通过双频检测电路后馈送给发射天线向地面发射，此连续波调频信号同时耦合出一小部分能量馈送到混频器，作为本振信号；地面反射回来的回波信号通过接收天线和低噪声放大器加到混频器的信号端，本振信号与回波信号经混频器混频得到差拍信号，差拍信号经接收放大器放大后再通过数字化电路转换成脉冲数字信号N_b，微处理器对N_b、T_m和ΔF进行实时快速计算得到高度值。

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