Фазовый метод измерения в радиовысотомере с непрерывным частотно-модулированным сигналом

Введение. Определена нижняя граница Крамера–Рао для среднеквадратической ошибки оценки высоты при использовании непрерывного частотно-модулированного периодического сигнала. На основании анализа границы установлено, что периодическое переключение частоты излучаемого сигнала между двумя значениями, разница которых равна выбранному значению девиации, является тем типом частотной модуляции, который позволяет реализовать потенциальную точность оценивания высоты в радиовысотомерах малых высот. Однако использование такого сигнала в существующих радиовысотомерах, основанных на измерении частоты сигнала биений, невозможно. Альтернативным решением является организация режима фазового измерения высоты.

Цель работы. Исследование возможности реализации режима фазового измерения высоты в следящем радиовысотомере малых высот, использующем для оценки замкнутый контур фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), и проверка методом математического моделирования его работоспособности.

Материалы и методы. Предложена математическая модель следящего радиовысотомера с измерителем, использующим принципы ФАПЧ для реализации фазового метода измерения высоты.

Результаты. Математическое моделирование доказало работоспособность радиовысотомера с контуром ФАПЧ, в котором реализован фазовый метод измерения. При работе по плоской поверхности высотомер дает несмещенную и эффективную оценку высоты при отношениях сигнал/шум больших 5 дБ. В случае шероховатой поверхности качество оценки высоты в высотомере примерно на порядок выше по сравнению со следящими высотомерами, в которых реализован метод измерения на основе оценки частоты сигнала биений.

Заключение. Полученные в ходе математического моделирования данные свидетельствуют о возможности достижения потенциальной точности оценки высоты в радиовысотомере с контуром ФАПЧ, совмещающем частотный и фазовый режимы измерений. Дальнейшие исследования будут посвящены изучению влияния различных факторов на качество работы радиовысотомера и его схемотехнической реализации.

1. Справочник по радиолокации: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. М. И. Сколника; пер. с англ. под общ. ред. В. С. Вербы. М.: Техносфера, 2014. 680 с.

2. Жуковский А. П., Оноприенко Е. И., Чижов В. И. Теоретические основы радиовысотометрии / под ред. А. П. Жуковского. М.: Сов. радио, 1979. 320 с.

3. Авиационная радионавигация: справ. / А. А. Сосновский, А. И. Хаймович, Э. А. Лутин, И. Б. Максимов; под ред. А. А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990. 264 с.

4. Yanovsky F. J., Nebylov A. V. Radar Altimeters / Aerospace Sensors. 1st ed., ch. 3. New York: Momentum Press, 2013. P. 55–88.

5. Комаров И. В., Смольский С. М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно модулированных колебаний. М.: Горячая линия – Телеком, 2010. 392 с.

6. Improved Frequency Estimation Technique for FMCW Radar Altimeters / S. Reshma, P. R. Midhunkrishna, S. Joy, S. Sreelal, M. Vanidevi // Intern. Conf. on Recent Trends on Electronics, Information, Communication & Technology (RTEICT), Bangalore, India, 27–28 Aug. 2021. IEEE, 2021. P. 185–189. doi: 10.1109/RTEICT52294.2021.9573544

7. Ha J.-S.; Hong S.-Y. Altimetry Method for an Interferometric Radar Altimeter Based on a Phase Quality Evaluation // Sensors. 2023. Vol. 23, iss. 12. Art. № 5508. doi: 10.3390/s23125508

8. Advancing mmWave Altimetry for Unmanned Aerial Systems: A Signal Processing Framework for Optimized Waveform Design / M. A. Awan, Y. Dalveren, A. Kara, M. Derawi // Drones. 2024. Vol. 8, № 9. Art. № 440. doi: 10.3390/drones8090440

9. Монаков А. А., Тарасенков А. А. Следящий радиовысотомер малых высот с системой ФАПЧ // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 2. С. 54–63. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-54-63

10. Пат. RU 207967 U1 G01S 13/34 (2021.08) H04L 25/03 (2021.08). Радиовысотомер с непрерывным излучением и фазовой автоподстройкой опорного сигнала / А. А. Монаков, А. А. Тарасенков. Опубл. 29.11.2021. Бюл. № 34.

11. Монаков А. А., Тарасенков А. А. Сравнительный анализ математических моделей следящих радиовысотомеров // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 4. C. 72–80. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-4-72-80

12. Тарасенков А. А. Экспериментальная оценка точности радиовысотомера малых высот с контуром фазовой автоматической подстройки частоты // Датчики и системы. 2023. № 2 (267). С. 29–35. doi: 10.25728/datsys.2023.2.6

13. Тарасенков А. А. Влияние типа частотной модуляции на точность радиодальномера непрерывного излучения // Вопр. радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2024. № 1. С. 52–59.

14. Тарасенков А. А. Сравнительные натурные испытания следящих радиодальномеров непрерывного излучения // Вопр. радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2024. № 1. С. 60–68.

15. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов / пер. с англ. С. А. Кулешова; под ред. А. Б. Сергиенко. 2-е изд., испр. М.: Техносфера, 2007. 856 с.