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《通信导航与雷达》第八章:测距机

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通信导航与雷达
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第八章第八章 测距机测距机 本章学习要点本章学习要点 了解测距机系统 理解测距机基本工作原理 理解询问信号的产生原理 理解应答信号的接收与处理原理 理解距离计算原理 了解一些新型测距机 课时分配4学时 本章主要内容本章主要内容 第一节 测距机系统 第二节 基本工作原理 第三节 询问信号的产生 第四节 应答信号的接收与处理 第五节 距离计算原理 第六节 应用微处理器的新型测距机 第一节第一节 测距机系统测距机系统 测距机是在第二次世界大战期间开始发展起来的脉冲二 次雷达系统 机载测距机和地面测距信标台配合工作 可连续地向飞 行员提供飞机到测距台的实时距离信息 测距机系统的工作 方式和空中交通管制雷达信标系统 ATCRBS 具有某些相似 之处 以空地设备之间的问答方式工作 采用工作在1000MHz 左右的 波段脉冲射频信号 机载测距机通过测量脉冲的往 返延迟时间 计算出飞机到测距台之间的视线距离 这种测 量距离的原理是和气象雷达相似的 v一 测距机的功用 民用 测距机用于测量飞机与 地面测距信标台之间的斜距 定位 或 定位 DME使用方案 DME DME DME VOR DME ILS VORTAC 军用 军用塔康 TACAN 系 统是可以同时向飞机提供距离 和方位信息的 波段近程导航 系统 v二 测距机系统的工作概况 一 工作方式 测距机系统是通过询问应答方式 来测量距离的 询问频率范围为1025 1150MHz 地面测距台的应答频率 范围为962 1213MHz 二 机载测距机的询问 测距机所产生的询问脉冲信号的重复频率是变化的 搜索状态 40 150对 s 跟踪状态 10 30次之间 三 测距信标台的内容 询问应答与断续发射 测距信标台在接收到询问信号后 经过50的延迟 便产生相应的应答信 号发射 以供机载测距机计算距离 这就是询问应答信号 用接收机噪声来触发发射机产生脉冲对信号发射的方法 使测距台发射 机在询问飞机很少的情况下也维持规定的发射重复频率 以使测距机系统正 常发挥其功能 由于噪声所触发的脉冲信号是断续的 可以把测距信标台的 这种发射脉冲称为断续发射脉冲 或者称为噪声填充脉冲 应答抑制 所谓抑制 是指测距信标台在接收到一次询问脉冲后 使信标 接收机抑制一段时间 抑制的时间一般为60 s 特殊情况下可达150 s 测距信标台的识别信号 信标台以莫尔斯电码发射三个字母的识别信号 识别信号由点 划组成 点持续0 1 0 125s 划持续0 3 0 375 v三 机载设备 机载测距机系统由测距机 询问器 天线 显示器和 控制盒 控制盒是和甚高频控制盒共用的 等组成的 见下图 飞机上通常装备两套相同的测距机 v四 信号与技术参数 一 频率及XY波道 在962 1213MHz范围中 共有252个测距波道 波道间隔为1MHz 询问频率 1025 1150MHz 回答频率 962 1213MHz XY波道 采用的脉冲对的时间间隔有两种 分别称为 波道和 波道 频率安排 在1025 1150 MHz范围中 波道间隔为1MHz 共 可安排126个询问频率 采用X Y的波道安排 则共有252个应 答波道 分别称为1 126 和1 126 波道 测距机与甚高频导航系统的频率配对关系 测距机的200个 波道与VOR和ILS的频率配对 甚高频导频导 航频频 率 波道分配DME信道编编号DME询询 问问 DME应应答 108 00VOR17X1041978 108 05VOR17Y10411104 108 10ILS18X1042979 112 30VOR70X10941157 112 35VOR70Y10941031 二 脉冲波形 测距机的射频脉冲波形为钟形 见下图 采用钟形脉冲可压缩信 号频谱宽度 减少邻道干扰 脉冲参数为 上升时间 下降时间 脉冲宽度 脉冲对之间的间隔误差为正负0 5 第二节第二节 基本工作原理基本工作原理 v一 信号产生与处理工程 测距机的电路可以分成发射电路 接收电路和距离计算电路 三个基本组成部分 分别用于完成产生射频脉冲询问信号 接 收处理应答信号和进行距离计算三项基本任务 v二 距离测量与状态转换 测距机在进入正常的距离测量状态 跟踪飞机距离的变化提 供距离读数之前 需经历自动等待 搜索 预跟踪等进程 在距 离测量过程中 同样也会因信号状态的变化进入记忆或者回到搜 索状态 所以 测距机的实际工作状态可能是上述自动等待 搜 索 预跟踪 跟踪或者记忆状态中的一种 v三 应答识别 闪频原理 概念 所谓闪频 就是在测距机中设法使询问脉冲信号的重复 频率围绕一个平均值随机颤抖而不是固定不变 功能 让测距机从测距台的众多的应答信号中识别出对自己询 问的应答信号来 第三节第三节 询问信号的产生询问信号的产生 v一 发射电路的组成 典型测距机的发 射电路由触发脉冲 产生及转换电路 编码电路 频率合 成电路 调制器和 功率放大器等组成 见图 v二 颤抖脉冲的产生原理 一 单结晶体管的基本概念 单结晶体管 UJT 是一种 具有负阻特性的半导体器件 常被用来充当RC脉冲振荡器 的有源器件 二 触发脉冲形成电路 利用单结晶体管的负阻特性 可以组成如图所示的脉冲振 荡电路 以向编码调制电路提供所需的触发脉冲 对上述电路加以改进 并再利用另一只单结晶体管来组 成第二个振荡器 即可使单结晶体管脉冲振荡器的振荡周期 随机变化 其原理电路见图 v三 脉冲重复频率的转换 利用除4计数器及相应的门电路来进行转换 是一种常 用的方法 如图所示原理图 v四 编码原理 一 脉冲对间隔控制 测距机中的编码电路的功用是在X Y波道选择信号的控 制下 产生间隔为12 的 波道编码脉冲对或间隔为36 的 波道编码脉冲对 波道选择信号由频率合成器中的波 道解码电路提供 二 X Y波道选择 脉冲间隔选择门可以用与门 或非门等组成 如图所示 三 信号控制搜索 信号控制搜索电路 SCS 的作用是控制测距机是否产 生询问发射信号 v五 频率合成与驱动电路 一 频率合成电路 测距机一般利用频率合成器作为射频信号源 以获得 理想的频率稳定度 二 驱动放大电路 驱动放大电路用于对频率合成器产生的信号进行倍频 放 大和实现对射频信号的预调制 其电路组成如图示 v六 调制器 对测距机调制器的基本要求有两个方面 一方面 调制器 应能提供足够的调制功率 另一方面 由于射频询问信号的 包络波形主要决定于调制器所提供的调制脉冲波形 所以调 制器必须能产生满足系统要求的钟形调制脉冲 v七 功率放大器及环流器 一 功率放大器 测距机的功率放大器 功率合成器 用于将输入的1025 1150MHz的脉冲射频信号放大到所需的功率电平 约800W 并实现对射频信号的脉冲调制 功率放大器的射频输入由频率合成器的驱动放大电路提 供 所需要的高电平脉冲调制信号则来自调制器 放大器输 出的大功率射频脉冲信号 经由环流器和低通滤波器输往天 线辐射 测距机所采用的是全固态的功率放大器 由于单个晶体管的功 率达不到所要求的功率电平 所以采用了功率合成的方法 其电 路组成如图所示 二 环流器及低通滤波器 测距机环流器的原理结构如图所示 第四节第四节 应答信号的接收与处理应答信号的接收与处理 v一 电路组成及信号处理过程 测距机的接收处理电路大体上可以分为高频 中频和视 频三个部分 其电路组成如图所示 v二 预选电路及混频器 一 预选电路 测距机预选电路的作用与一般接收机的高频选择回路相同 预选电路由射频放大器 带通滤波器和调谐电压整形电路组 成 典型的预选电路结构如图所示 图中 为射频放大器 射频放大器之前为 一个滤波器 它相 当于射频放大器的 高频输入回路 射 频放大器之后是一 个滤波器 相当 于放大器输出回路 二 混频器 测距机第一混频器通常为环形混频器 环形混频器又称双 平衡混频器 其原理电路如图所示 采用平衡混频器电路可 以更多地抑制混频所产生的非线性频率成分 使输出信号中 只包含射频与本振频率的奇次和差频率分量 v三 中频电路 测距机采用双变频超外差式电路 v四 视频处理电路的基本工作原理 视频处理电路用于对输入的视频脉冲信号的间隔进行鉴别 以识别出所选定的 波道或Y波道应答信号 一 解码视频脉冲的产生 二 X Y应答脉冲的解码过程 三 其他脉冲的抑制 第五节第五节 距离计算原理距离计算原理 测距机的接收处理电路所输出的应答视频脉冲对 门限视 频脉冲和解码视频脉冲 输往距离测量电路 以计算飞机距地 面信标台的斜距 距离测量电路也可以称为距离计算器 由于门限视频脉冲和解码视频脉冲是分别对应于应答脉冲 对的第一和第二个脉冲的 所以门限视频脉冲相对于发射时刻 的时间延迟 是和飞机的距离成比例的 设法测量这一时 间间隔 就可以获得飞机的距离信息 v一 模拟式距离测量电路 图说明实现上述距离测量 过程原理电路的结构 距离 波门的延迟决定于移相器的 延时时间 而移相器的延迟 时间又是通过伺服电机的传 动轴来机械地调节的 伺服 电机的传动轴在调节移相器 延迟时间的同时 还同轴地 控制着数码式距离指示器的 距离读数 因而移相器的移 相时间 即距离波门的延迟 时间 与距离读数是协调一 致的 v二 数字式测距电路的基本原理 利用数字器件实现距离计算的基本过程 和上面所介绍 的模拟式距离测量并无实质性区别 也可以分为搜索和跟踪 两个大的阶段 所不同的是 在数字式距离计算电路中 是 利用计数器一类数字器件来产生延迟时间可用的距离波门 并产生数字式的距离信息输出 图8 37是表示这一基本过程 的原理电路方框图 时钟产生器用于产生所需要的计数脉冲 它通常由晶体振 荡器和数字分频器等组成 时钟脉冲通过计数控制电路输往距 离计数器 作为距离计数器的计数脉冲 计数控制电路受状态 转换控制电路输出的状态转换信号和 触发脉冲的控制 触 发脉冲在触发调制发射电路产生射频询问信号的同时 起动计 数控制电路 计数脉冲便输往距离计数器 使之开始计数 从 而使距离计算电路获得 时刻信息 加至计数控制电路的状态 控制信号 通过对计数脉冲的控图8 37 数字式测距电路原理方 框图制而实现对距离计数器工作状态以及计数速率的控制 距 离计数器是实现距离计算的核心电路 v三 数字式测距的搜索过程 和模拟式测距一样 数字式测距也只有在从众多的视频脉 冲中识别出对本测距机的同步应答脉冲的基础上 才能实现距 离计算 这一任务 是在搜索阶段完成的 设测距机的最大测距范围为400n mile 则脉冲往返的时 间约为5000 若地面信标台的发射速率为2700对 s 那么 在这段时间中 测距机所能接收到的应答脉冲对数平均为 这14对脉冲中 只有一对可能是对本测距机的应答脉冲 所 谓搜索 就是从这14对脉冲中 识别出对本测距机询问的那 一对应答脉冲来 2700 5000 13 5 14 对对 在电路开始工作时 距离计数器被预置为最大距离 并自该最大距离计数开 始下行计数 即作减计数 距离波门是由距离波门产生电路根据距离计数器的 输出产生的 它在距离计数为398 7时开始 在距离计数为398 0时结束 在第一 次测距过程中 首先搜索到的是距离最近的第一个应答脉冲 见图 距离计数 器停止计数时的距离计数就是这个应答脉冲所对应的距离 在第二次测量过程中 若在同一时刻时未能出 现同一应答脉冲 则说明在 第一次测量过程中所遇到的 第一个应答脉冲不是对本测 距机询问的应答脉冲 于是 距离计数器的距离计数继 续增大 以搜索距离较大的 第二个应答脉冲 并使距离 计数变为第二个应答脉冲所 对应的距离 依此类推 v四 数字式测距的工作过程 距离波门和应答脉冲 包括对应于应答脉冲对的第一脉冲 门限视频脉冲和第二脉冲 解码脉冲 一起加至误差检测电路 加至该电路的还有距离波门中心信号 这样 误差检测电路即可判 明应答脉冲在距离波门中的位置 是处在波门的前半部分 还是 处在波门的后半部分 以及相对于波门中心位置的偏离量 误差检 测器的输出 经过平滑电路处理后 产生两种类型的信号输出 一种是当应答脉冲偏 离波门中心位置时的脉 冲信号 用于表明应答 脉冲偏离中心位置的极 性 另一种是表示误差 大小的脉冲群信号 速度积累器和数字控制振荡器相配合 选择出一种更新速率 以表示飞机距离改变的速率 并反映出飞机距离改变的方向 例如 当飞机的速度为360 0n mile h时 数字控制振荡器所产生的速度输 出为每秒10个脉冲 其中每个脉冲代表每秒速率为0 01n mile 这 样每秒10个脉冲即表示速率为每秒0 1n mile 每小时360 0n mile 距离计算更新电路输出的距离更新脉冲加至距离计数器中的 0 01n mile计数器 该计数器的输出用于调节后四级距离计数器 0 1 1 10及100n mile计数器 开始计数的时刻 从而调节距离 波门的位置 这样 通过调节距离波门的位置而改变应答脉冲相对 于距离波门中心的位置 使得应答脉冲始终位于距离波门的中心 从而实现跟踪飞机距离变化的目的 第六节第六节 应用微处理器的新型测距机应用微处理器的新型测距机 v一 工作方式 除了准备状态外 常规测距机只有一种正常工作方式 当模式开关扳至接通位时的测距方式 新型测距机则通常可以 有四种工作方式 这四种方式是 准备 单波道 直接扫描和 自由扫描 准备和单波道方式与前面介绍的常规测距机相同 所谓单 波道 就是测距机工作于所选定的单一工作波道 与相应的一 个地面测距台相配合 提供飞机到该测距台的距离信息 直接扫描方式与自由扫描方式也可以统称为频率扫描方式 是一种新的测距工作方式 当选择直接扫描方式时 测距机 按照一定的优先顺序 与所选择的 个地面测距台配合 提供 飞机到这 个测距台的距离信息 具备上述频率扫描方式的新型测距机除了在使用上比常规测 距机更为方便外 主要是可以用来进行飞机的定位计算 使测 距机工作于频率扫描方式 即可利用机载测距机同时获得飞机 至 个甚至 个地面测距台的距离信息 v二 功能说明 这类测距机是以 微处理器为中心的全 固态测距机 由图可 见 它是由视频 距 离处理器 频率合成 及驱动器 功率放大 器 接收机及监测组 件等五部分功能电路 组成的 视频 距离处理器包括视频处理电路 距离计算器和微处 理器及其接口电路 微处理器不仅用于控制距离计算器和视频 处理电路 同对也是测距机整机的控制中心 此外 微处理器 还用于实现对测距机与其他机载系统之间的信息交换的管理 频率合成器在微处理器的控制下产生所需频率的稳定激励 信号 经驱动器放大后供给功率放大器 与此同时 驱动器的 输出还作为第一本机振荡信号输往接收机 功率放大器 即发 射机 所提供的约700 的脉冲射频询问信号 经环流器输往天 线发射 天线所接收的射频应答信号 则由环流器输入接收机 接收机对应答信号进行两次变频放大后 将所产生的视频应 答脉冲对输往视频 距离处理器 最终完成距离计算 所得到 的数字式距离信息 经数据总线输出 机内的性能监测电路和自检电路依靠微处理器可以实现高度 的监测 自检 告警和故障记忆功能 从而给故障隔离和维修 带来极大的便利 v三 射频电路 一 频率合成与发射电路 新型测距机的射频电路 的组成如图所示 频率合成器在调谐信息 的控制下产生频率稳定的射 频激励信号 调谐信息是由 视频距离处理器中的微处理 器提供的 它决定于该时刻 测距机所应工作的测距波道 激励器用于对频率合成器产生的稳频信号进行放大 以向发射 机提供足够的射频激励功率 由图可见 激励器的输出还输往接收 机 作为第一混频器的本机振荡信号 图中的发射机的电路结构与常规测距机相似 它是由晶体管 功率放大级及功率分配 合成网路组成的全固态 波段功率放大 器 发射机的输出经环流器输往天线发射 调制器输入的调制触发信号也是由视频 距离处理器中的微 处理器提供的 它是微处理器根据所选择的波道 X Y波道 产生 的间隔不同的脉冲对编码信号 二 接收电路 天线所接收的地面测距台的应答信号 经环流器输往接收 预选器 预选器通常为变容二极管调谐的滤波器 调谐信号也 由微处理器提供 三 自检电路 在图所示的射频电路中 还画出了典型的自检电路 在人工自 检或自动测试期间 自检振荡器产生63MHz 它等于第一中频 的 自检振荡信号 该自检信号经自检调制器调制后 成为有效的脉冲 对自检信号 这一信号注入第一中频放大器 如同接收的应答信号 一样通过后续的接收处理电路 以对系统的工作状况作出分析诊断 v四 视频 距离处理器 新型测距机的视频 距离处理器可以分为微处理 视频处理器 和距离计算器三个主要组成部分 其主要电路包括微处理器 程序 存储器 随机存取存储器 故障信息存储器 输入输出接口电路 数据总线 视频处理器和距离计算器 以及识别音频检测及放大电 路 如图所示 视频 距离处理器 的工作是微处理器控制 的 测距机常用的微处 理器有英特尔 Intel 8086等十六位微处理器 对测距机的频率控制指令是BCD形式的 数字式的频率控制指 令通过ARINC429总线经接口电路输入微处理器 所输入的指令存 储在存储器中 微处理器首先对所输入的指令进行有效性检验 然 后将有效的指令转换成频率调谐信息 频率调谐信息为串行数字信 息 该信息输往频率合成器 使频率合成器产生所选择波道的稳定 频率信号 串行频率调谐信息还输往接收机预选电路 将预选电路 调谐在该波道的接收频率上 模式选择信息也是经数据总线输入微处理器的 根据所输入的 方式选择信息 微处理器将测距机控制在四个方式中的一个工作方 式上 距离计算器根据有效应答与发射脉冲 脉冲 之间的时间间 隔 计算出飞机到测距台的斜距 所产生的数字式距离信息通过数 据总线输往数字式距离显示器及其他机载系统 习 题 1 简述机载测距机系统的组成及工作原理 画出不同询问和 应答的脉冲对图 2 说明测距机如何从众多的应答信号中识别出对自己询问的 应答信号 3 测距机的询问信号是如何产生的 4 试说明数字式测距电路的基本原理 5 测距机如何接收与处理应答信号 6 简述颤抖脉冲的产生原理
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