民机通信导航与雷达 第八章测距机.ppt

《民机通信导航与雷达 第八章测距机.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《民机通信导航与雷达 第八章测距机.ppt（61页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第八章 测距机,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 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

2、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。,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。,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10251150MHz，地面测距台的应答频率范围为9621213MHz。,（二）机载测距机的

3、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:40150对/s；跟踪状态:1030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

4、制的时间一般为60s，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。,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。,四、信号与技术参数（一）频率及XY波道 在9621213MHz范围中，共有252个测距波道，波道间隔为1MHz。询问频率：10251150MHz；回答频率：9621213MHz；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102

5、51150 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1126和1126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,第二节 基本工作原理,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。,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

6、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。,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 询问信号的产生,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,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

7、）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。,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,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

8、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。,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。,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。,七、功率放大器及环流器,（一）功率放大器,测距机的功率

9、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 应答信号的接收与处理,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

10、分，其电路组成如图所示。,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。,三、中频电路,测距机采用双变频超外差式电路。,四、视频

11、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 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。,一、模拟式距离测量电路,图说明实现上

12、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。,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

13、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。,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

14、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。,27005000,13.514（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

15、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.,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

16、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

17、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 应用微处理器的新型测距机,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

18、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。,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

19、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

20、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。,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

21、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

22、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。,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

23、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。,