Принцип действия РВ малых высот

В состав частотного РВ (рис.35) входят следующие основные функциональные элементы: передатчик Прд; приемник Прм; передающая и приемная антенны А1 и А2; частотомер Ч; указатель высоты УВ и сигнализатор высоты СВ. Передатчик состоит из генератора низкой частоты ГНЧ, частотного модулятора ЧМ и генератора высокой частоты ГВЧ. В состав приемника входят балансный детектор БД и усилитель разностной частоты УРЧ. Частотомер образуется усилителем-ограничителем УО, счетчиком импульсов СИ и усилителем постоянного тока УПТ.

Рис.35 . Структурная схема частотного РВ

Принцип измерения высоты

Передатчик РВ вырабатывает частотно-модулированные ВЧ колебания, которые с помощью антенны А1 излучаются к земной поверхности преимущественно в вертикальном направлении. Достигается это за счет использования ДНА факельного типа, максимум которой ориентирован по вертикали. Отраженные от земной поверхности сигналы принимаются антенной А2, которая точно такая же, как и А1.

Частота излучаемых колебаний f_изл периодически изменяется во времени по симметричному линейно ломаному закону (рис.36а) относительно средней частоты f_ср Максимальное отклонение частоты ∆f от среднего значения называется девиацией частоты. Длительность одного цикла изменения частоты, т. е. период модуляции Т_м задается ГНЧ, который вырабатывает колебания низкой частоты F_м = 1/Т_м.

Рис.36. Временные процессы в частотном радиовысотомере

Отраженные от земной поверхности сигналы запаздывают по време­ни на величину t_h. Поскольку в процессе распространении сигналов в пространстве и их отражения частота не изменяется, закон изменения частоты отраженных сигналов f_отр будет таким же, как и частоты излучаемых колебаний, но сдвинутым во времени в сторону запаздывания (вправо по временной оси) на величину t_h (рис.36а) Сравнение законов изменения частот f_изл и f_отр показывает, что в любой момент времени эти частоты отличаются на одинаковую величину F, называемую разностной частотой.

Разностную частоту F можно определить путем сравнения ∆ОАВ и ∆ОА В , которые подобны и поэтому А В / ОВ = АВ / ОВ. Отсюда

F = А₁ В₁ = 4Δf·t_н / T_м = 8Δf·H/ с·T_м (1).

Из формулы следует, что разностная частота прямо пропорциональна высоте полета (так как ∆f и Т_м — постоянные величины) и, значит, путем измерения F может быть определена высота полета.

Отраженные сигналы вместе с излучаемыми сигналами поступают на вход приемника, где они суммируются. В результате сложения колебаний разных частот образуются биения, которые сопровождаются амплитудной модуляцией с разностной частотой. После детектирования биений на выходе БД выделяются колебания разностной частоты.

Строго говоря, разностная частота не постоянна во времени (рис.36б). В те интервалы времени, когда нарушается параллельность зависимостей f_изл и

f _отр (t), разностная частота изменяется во времени. Суммарное время, в течение которого F зависит от времени, составляет 2 t_h за период модуляции Т_м. Для того чтобы участки изменяющейся разностной частоты не сказывались на работе РВ, должно выполняться условие t_hmax < Т_м, где t_hmax - максимальное время запаздывания на максимальной измеряемой высоте.

Частота F, равная разности f_изл и f_отр, может быть больше или меньше нуля в зависимости от того, какая из частот f_изл или f_отр больше в рассматриваемый интервал времени. Физически изменение знака разностной частоты означает изменение фазы колебаний на 180° в моменты времени, когда F достигает нулевого значения. Вследствие этого колебания разностной частоты на выходе БД представляют, квазисинусоидальные колебания с периодически (2 раза за интервал Т_м) изменяющейся фазой на 180 (рис.36в). Для измерения частоты таких колебаний применяются специальные способы.

Колебания разностной частоты после усиления в УРЧ поступают на частотомер. В нем они с помощью УО превращаются в колебания импульсной формы (рис36г). Импульсы возникают в моменты прохождения U_F через нуль в процессе увеличения напряжения. В каждом периоде U_F появляется один импульс, а число импульсов за одну секунду N будет равно F. Таким образом, измерение разностной частоты может быть сведено к подсчету числа импульсов. Импульсы подсчитываются СИ, на выходе которого вырабатывается постоянное напряжение U, пропорциональное числу импульсов N₁, а значит, и высоте полета. Это на­пряжение усиливается в УПТ и поступает на УВ - стрелочный прибор постоянного тока, шкала которого проградуирована в метрах. Кроме того, напряжение, пропорциональное высоте, поступает на СВ, где сравнивается с установленным опорным напряжением, соответствующим опасной высоте. В момент наступления равенства этих напряжений срабатывает звуковая и световая сигнализация, показывая, что ВС достигла установленной высоты.

Методическая погрешность и минимальная измеряемая высота.

Из выражения (1) можно определить высоту:

Н = с Т_м·F/ 8Δf = c·T_м·N₁/ 8Δf = c·N/ 8Δf (2),

где N = T_м ·N₁ - число импульсов за период модуляции.

Выражение (2) показывает, что измеряемая высота прямо пропор­циональна количеству импульсов за период модуляции. При изменении высоты меняется число импульсов N. Минимальное приращение числа импульсов ∆N_min = 1, поскольку дробной части импульса быть не может. Это значит, что минимальное изменение высоты ∆Н, которое может быть зарегистрировано РВ, составляет

H=c/8Δf .

Таким образом, при плавном изменении высоты, РВ должен давать дискретные значения высоты, следующие друг за другом через величи­ну ∆Н, это приводит к появлению дополнительной погрешности измере­ния высоты ∆Н, которая определяется методом измерения и называется, поэтому методической. По указанной причине РВ не измеряет высоту на высотах, меньших ∆Н, т. е. пока в каждом периоде модуляции на выходе УО не сформируется хотя бы один импульс. Поэтому минималь­ная измеряемая высота будет равна

H_min = ΔH = c/8Δf .

Как показывают формулы, методическая погрешность и минимальная измеряемая высота частотных РВ обратно пропорцио­нальны девиации частоты и для их уменьшения девиация частоты должна повышаться.

Особенности работы РВ над сложными отражающими поверхностями.

Чаще всего РВ работают не над ровной, зеркально отражающей поверхностью, а над поверхностью неровной и состоящей из нескольких различных слоев. Действительно, поверхность создает зеркальное отражение в направлении нормали к ней, если высота ее неровностей не превышает 0,1 длины волны. Для РВ сантиметрового диапазона зеркально отражающей поверхностью можно считать такую поверхность, высота не­ровностей которой 5...7 мм.

Работа РВ над многослойной отражающей поверхностью.

Если РВ располагается над земной поверхностью, состоящей из нескольких слоев с различными физическими свойствами (рис.37), то измеренное значение высоты Н_И может отличаться от высоты Н₁ до границы раздела первых двух физических сред. Примерами таких ситуаций может быть работа РВ над водной поверхностью, льдом, снегом, над поверхностью, покрытой растительностью, и др. Работа РВ над многослойной отражающей поверхностью происходит следующим образом.

Излучаемый РВ сигнал доходит до границы раздела физических сред 1 и 2 и частично отражается от нее. Отраженный от этой границы сигнал с амплитудой E_m1 принимается РВ. Часть излучаемого сигнала проходит в физическую среду 2 и распространяется в ней до границы раздела сред 2 и 3. Дошедший до этой границы сигнал частично отражается от нее и

Рис.37. Работа РВ над многослойной отражающей поверхностью

возвращается к РВ, имея амплитуду Е_m2. Таким образом, если ограничиться рассмотрением только трех слоев, то к РВ поступают два сигнала, прошедшие в пространстве различные высоты. Поэтому измеряемая высота будет зависеть от соотношения амплитуд Е_m1 и Е_m2. Так если Е_m1 >Е_m2, то вторым отраженным сигналом можно пренебречь и РВ должен измерять высоту H₁ т. е. Н_и1=Н₁. Если же Е_m1 < Е_m2, то РВ должен показывать значения Н_и2 > Н₂, поскольку скорость распространения радиоволны в физической среде 2 меньше, чем в вакууме. Если амплитуды Е_m1 и Е_m2 сравнимы, то РВ должен показывать значения, лежащие между величинами Н_и1 и Н_и2 . Соотношение между амплитудами Е_m1 и Е_m2 определяется электрическими свойствами физических сред, а именно диэлектрической проницаемостью ε и коэффициентом затухания α. Коэффициент отражения (отношение амплитуд отраженной и падающей волн) от границы раздела двух физических сред и скорость распространения радиоволны V определяются соотношениями:

;

(3)

V .

Используя формулы (3), а также коэффициент затухания, можно определить соотношение амплитуд Е_{m 1} и E_m2 и измеряемую РВ высоту. Рассмотрим несколько характерных случаев.

Работа РВ над водной поверхностью. К = 0,8, так как ε₁ = 1 (воздух),ε₂ =80 (вода), и поэтому E_m1>E_m2. РВ измеряет высоту над водной поверхностью Н₁,а вследствие большого коэффициента отраже­ния обеспечивает над водной поверхностью наибольшую высотность.

Работа РВ над поверхностью покрытой льдом. Здесь надо различать два случая: пресный и соленый лед. При работе над соленым льдом К_1,2 ≈ 0,4, так как для соленого льда ε₂≈5,3. Это значит, что большая часть сигнала проходит в лед и в нем распространяется. Соленый лед вносит очень большое затухание 100. . .150 дБ/м на частоте 10 ГГц. Если, например, принять α = 100 дБ/м, то при прохождении радиоволной каждого метра в соленом льду ее амплитуда уменьшается в 10⁵ раз. Это значит, что отраженный от второй границы раздела сигнал будет иметь амплитуду, гораздо меньшую, чем сигнал, отраженный от по­верхности льда. Следовательно, РВ будет измерять высоту до поверх­ности соленого льда.

При работе над пресным (материковым) льдом K_l,,₂ ≈ 0,28, так как для пресного льда ε = 3,2, т.е. амплитуда отраженного от пресного льда сигнала много меньше амплитуды падающей радиоволны. В отличие от соленого льда пресный не вносит большого затухания. Для него а - 0,01 дБ/м на частоте 100 МГц и а = 1,5 дБ/м на частоте 10 ГГц. По этой причине сигнал, распространяющийся в пресном льду и отражен­ный от нижней границы льда, может иметь амплитуду, большую или сравнимую с амплитудой сигнала, отраженного от поверхности льда. РВ в таких условиях будет измерять высоту, большую, чем до поверх­ности льда, и РВ пользоваться нельзя, так как он не обеспечивает безо­пасности полетов. Впервые на это явление обратили внимание при поле­тах в Антарктике.

Работа РВ над поверхностью, покрытой снегом. Диэлектрическая проницаемость снега лежит между значениями е для воздуха и льда, поэтому коэффициент отражения от снега еще меньше, чем ото льда, и почти вся энергия радиоволны проходит через снег и отражается от земной поверхности. Вследствие этого РВ показывает высоту до земной поверхности. Если толщина снежного покрова значительна, то из-за затухания радиоволны в снеге может уменьшиться высотность РВ.

Работа РВ над поверхностью, покрытой растительностью. Показания РВ зависят от "характера леса и времени года. Над густым лиственным лесом показания РВ соответствуют высоте над кроной деревьев. Над редким лесом РВ показывает высоту до земной поверхности. В общем случае РВ может давать показания, лежащие между значениями высоты до земной поверхности и вершин деревьев.

Работа РВ над неровной и шероховатой поверхностью. При работе РВ над неровной поверхностью появляются дополнительные погрешности измерения высоты, связанные с приходом отраженных сигналов с различных направлений (а не только с направления вертикали) и проявлением эффекта Доплера. Неровная поверхность отражает сигналы во всех направлениях и поэтому вследствие конечной ширины ДНА (рис.38,а) сигналы к РВ будут поступать со всех направлений, лежащих в пределах ширины ДНА. Каждому наклонному направлению распространения радиоволн соответствует свое время запаздывания и своя разностная частота.

Рис. 38. Работа РВ над неровной поверхностью

Это значит, что на выходе приемника выделяется сигнал биений сложной формы, в составе которого присутствуют колебания всех частот от F_н до F_rmax, где F_н - разностная частота, соответствующая высоте Н; F_rmax- разностная частота, соответствующая максимальному наклонному расстоянию до земной поверхности (рис. 38,б). Появление в спектре биений частот, отличных от F_n, приводит к погрешностям измерения высоты. Частотомер РВ измеряет среднюю частоту спектра биений F_cp, которая отличается от частоты F_H. Смещение частоты F_cp, примерно равное 0,5 ∆F (∆F - ширина спектра биений), вызывает Дополнительную погрешность измерения высоты, которая называется погрешностью смещения.

ΔH ≈ 0,5 ΔF·H / F_н