一種新型調(diào)頻連續(xù)波高度表

一種新型調(diào)頻連續(xù)波高度表1引言本文介紹了一種新型調(diào)頻連續(xù)波高度表，主要創(chuàng)新點在于：采用了FPGA/單片機的硬件平臺，通用性強，并具備現(xiàn)場軟件升級能力；通過軟件算法實現(xiàn)了高度搜索、高度跟蹤、STC、AGC等功能，改變信號處理算法和控制軟件能實現(xiàn)多種功能，滿足更多應用場合的需要；采用恒定差拍結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強,并具有頻譜前沿跟蹤能力；具有1500m的大范圍測高能力，在低高度上具有1m的測高精度。無線電高度表不僅可以精確測量飛行器與地面或海面的相對高度，而且還可以測量地表粗糙度、海洋波浪高度等多種參數(shù)，在飛機的自動著陸、自動導航、地形匹配等領域得到了廣泛的應用。無線電高度表主要分為調(diào)頻連續(xù)波體制和脈沖體制兩種，調(diào)頻連續(xù)波體制適合1500m以內(nèi)的低高度應用，脈沖體制適合1500m以上的中高高度應用。本文介紹了一種基于FPGA/MCU結(jié)構(gòu)的線性調(diào)頻（LFMCW）連續(xù)波高度表，具有精度高，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，成本低等特點。2工作原理線性調(diào)頻連續(xù)波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調(diào)頻微波振蕩源，經(jīng)發(fā)射天線輻射等幅調(diào)頻波，經(jīng)過與飛行器飛行高度成正比例的時間延遲τ，由地面發(fā)射并被接收天線接收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號fb，該信號經(jīng)窄帶濾波器選頻后，被一個增益隨高度變化的放大器放大、濾波，送到跟蹤鑒頻器。跟蹤鑒頻器輸出高、低電平表示差拍信號是否進入跟蹤帶內(nèi)，控制單元根據(jù)保持或調(diào)整三角波的斜率，使差拍信號始終落入跟蹤帶內(nèi)，保持恒定值。整個系統(tǒng)通過地面構(gòu)成閉環(huán)，飛行器的高度由三角波的斜率和最大頻偏Δf來決定。其主要性能指標為：

工作頻率：C波段

體制：LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）

測高范圍：0?1500m

距離分辨率：1m

高度數(shù)據(jù)接口：RS422，9600波特率

該高度表屬于收發(fā)天線分開、三角波調(diào)頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無線電高度表，其工作原理如圖1所示。

工作原理圖1線性調(diào)頻高度表工作原理圖上圖中，三角波發(fā)生器輸出信號的幅度是一個常數(shù)，而其斜率是控制電壓的函數(shù)。在測高過程中，通過測高回路自動校正，使調(diào)制信號的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變化規(guī)律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。跟蹤鑒頻器判別差拍信號fb是否進入跟蹤帶內(nèi)，如是則輸出鎖定信號。跟蹤鑒頻器的中心頻率為225kHz，帶寬僅為30kHz左右，使高度表有較高的抗噪聲和抗干擾的能力。在沒有跟蹤鎖定信號時，高度表進入搜索狀態(tài)，變化三角波的斜率，從最低高度到限制的最高高度周期地掃描，并根據(jù)跟蹤鑒頻器是否輸出鎖定信號進行調(diào)整。當調(diào)制斜率對應飛行高度時跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環(huán)路鎖定并保持跟蹤地面發(fā)射的信號。接收、發(fā)射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發(fā)隔離度大于70dB。天線的3dB帶寬為300MHz，旁瓣電平不大于-12dB，駐波比S=2，效率η≈80，總尺寸不大于15cm×15cm。收發(fā)組件采用自差結(jié)構(gòu)，輸出為零中頻的差拍信號，其頻率跟地面高度成正比。VCO的調(diào)制帶寬最高可達200MHz，調(diào)制線性度優(yōu)于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數(shù)3.5dB。視放組件對差拍信號進行選頻放大，總增益不低于80dB，增益控制范圍不低于90dB。選頻濾波器為定制的機械濾波器，中心頻率225kHz，帶寬30kHz。主放大器選用AD公司的視頻放大器AD*，它內(nèi)部集成了兩個放大器模塊，可以單獨使用其中的任何一個或?qū)蓚€級聯(lián)使用以提高增益和擴大動態(tài)范圍，每個放大器模塊的增益最大可達54.4dB，增益控制范圍48.4dB。3信號處理組件3.1硬件設計信號處理組件完成地面高度的搜索/跟蹤、AGC、STC等功能，其電路框圖如圖2所示，核心是1片F(xiàn)PGA和1片MCU，通過軟件算法實現(xiàn)大部分信號處理功能。圖2信號處理組件電路框圖地面高度的搜索/跟蹤是FPGA和MCU根據(jù)鎖定門限判決電路的輸出狀態(tài)，按一定算法改變VCO調(diào)制信號的頻率，使差拍信號落入225kHz的跟蹤帶內(nèi)。在地面高度的搜索過程中，VGC電壓與高度的對數(shù)呈線性關系，從而實現(xiàn)STC（時間-靈敏度控制）功能。在地面高度的跟