调频无线电高度表体制分析

调频无线电高度表体制分析1 概述无线电高度表能在各种气候条件下精确测量飞行体离地或海面的实际高度，它广泛应用航空、航天等领域。

如飞机的进场着陆时提供实时高度，军用飞机对地轰炸攻击、导弹超低空飞行、巡航弹的地形匹配等等都需无线电高度表提供飞行体离地精确高度，因此无线电高度表是飞机及各种飞行器必不可少的电子设备。

无线电高度表根据发射信号的调制不同，一般可分为脉冲体制、调相体制和调频连续波体制。

调相体制由于线路复杂，国内外已很少应用，应用较多的是脉冲体制和调频连续波体制两种。

这两种体制如果没计得好都能达到很好的测高精度和测高范围，但相比之下连续波调频体制较脉冲体制有线路简单，易实现、可靠性高，体积、重量小、抗干扰能力强等一系列优点，因此随着调频体制理论的不断完善，目前国内外应用的无线电高度表绝大部分采用连续波调频体制。

调频体制无线电高度表一般由接收发射机、发射天线、接收天线、发射电缆、接收电缆和高度指示器（高度显示器）组成。

调频体制无线电高度表原理方框图如图1.所示：调频无线电高度表发射机是一个调频振荡器，它受调制器调制，产生连续波调频信号。

调制形式可以是三角波调制、锯齿波调制或正弦波调制。

前两种是线性调频，后者是非线性调频。

发射机输出调频信号如图2所示（为说明方便这儿把发射信号简化成单一频谱信号虑）。

图中∆F为调频信号的最大频率与最小频率之差，称为调频频偏；τ为电波从发射天线至地面再反射回到接收天线所产生的延迟时间，τ = 2H/C（C为无线电波在空中传播速度，H为飞行器高度）；ｆb为差拍信号，它是某一时刻发射信号频率（直达信号频率）与回波信号频率之差；T m为调制周期。

度发射电缆接收电缆发射天线 接收天线图1 无线电高度表原理方框图ｆ∆FT m（图中实线为发射信号，虚线为回波信号）图2 发射信号、回波信号示意图发射机输出信号的大部分能量通过发射电缆馈送给发射天线向地面发射，另外，通过耦合器耦合出一小部分能量（也称直达信号）输给混频器作为本振信号，这儿要指出的是直达信号除能量大小之外其余性质与发射信号完全相同，利用几何学中三角形相似原理我们可以得到以下比例式：FT f m b ∆=2τ把τ = 2H/C 代入上式经整理得到：H = FT Cf m b ∆4 (1)此公式为调频无线电高度表基本测高公式。

当无线电高度表内部电路中T m和∆F 恒定时，计算电路只要测出差拍信号的频率则可得到飞机离地高度值。

此高度值除了输给其它需要高度数据的其它机载电子设备外，它同时还输给安装在驾驶舱仪表板上的高度指示器，供飞行员观察飞机高度。

此类无线电高度表由于调制周期为恒定值，所以称为恒定调制周期体制无线电高度表。

混频器输出的差拍信号是非常微弱的，它必须经过差拍信号放大器放大后才给计算电路。

回波信号随高度增加按-6dB/倍频程的规律而减小，所以差拍信号放大器的放大量应按频率增加（相当于高度增加）而增大。

上面的分析中，为了说明问题方便，我们把调频发射信号简化成单一频谱信号，其实并不然。

例如正弦调频信号（三角波或锯齿波可分解成各次谐波的正弦信号），它的数学表达式为e= ε sin （t t m mΩΩ∆+sin 0ωω） …………………………………（2） 式中：ѡ ----发射信号中心角频率，它等于2 π f Ｏ∆ѡ ----调频带宽，它等于2 π∆f 或 π∆FΩm ----调制角频率将此表示式用贝塞尔函数展开，则可看到它是一个离散频谱，但利用基本测高公式来计算被测高度除了特定情况以外（如很低高度），它还是精确有效的。

二 无线电高度表调频体制分析公式（2.22）是调频体制无线电高度表的基本测高公式，从中可看到高度H是T ｍ、ｆｈ和△F 的三元函数，H = Ф（T ｍ、ｆｂ、ΔF ）。

为使计算高度方便，在无线电高度表设计时往往把此三项参数中有两项选为恒定，那末第三项参数就是高度的单一函数。

根据恒定参数选择的不同就产生了各种不同体制的无线电高度表，通常有恒定调制周期体制无线电高度表、恒定差拍频率体制无线电高度表、以及派生的恒定调频速率体制无线电高度表和延迟率恒定体制无线电高度表。

由于这些体制共同特点是设计时把其中其几项参数设为恒定，因此通称为“恒定体制”无线电高度表。

随着调频理论的发展最近出现一种与此相反的“非恒定体制”无线电高度表，顾名思义就是三项参数均不再恒定。

１ 恒定调制周期体制恒定调制周期体制也称恒定调制频率体制，此体制除了调频频偏保持恒定外，还把调制周期（调制频率）保持恒定。

这时公式（1）可改写成H = A .ｆｂ (3)式中 A = FCT m ∆4 ，当恒定后系数A 为常数，公式（3）为一元线性函数。

根据此公式，只要测出差拍频率的值再乘上系数A 就可计算出飞机飞行高度。

无线电高度表最早采用的是恒定调制频率体制，至今仍被广泛应用。

在美国，调频无线电高度表基本上均采用此体制，美国Bendix公司生产的ALA—51A是此体制中较为典型的产品，。

1.1恒定调制周期体制简介a 测高公式简单，因此在高度计算时较别的体制方便，可简化线路。

b 不需要搜索电路，不存在其它体制存在抓“假零点”的缺点。

c 差拍信号频率与高度成线性关系，高度越高，差拍信号频率越高。

d根据上一条的结论可知测高范围越大，差拍信号频率变化范围越大，需要差拍信号放大器的带宽就越宽。

e 常量A受Tｍ和ΔF稳定度的影响较大，这两项参数的变化直接影响了A的恒定，也就是直接影响了测高精度。

f 要提高无线电高度表测高精度，A需要保持不变，由于Tｍ频率低，稳定度容易做得很高，但是ΔF稳定就很难，一般需要“自动频偏校正电路”来保持ΔF的恒定，增加了无线电高度表的复杂性。

g 常量A的大小决定了高度与差拍频率的变化梯度，也就是说A越小，差拍频=6.45率随高度变化速率越大，对提高测高精度有利。

例如，当ΔF=123MHz，Tｍｍｓ时A = 3.93 m/KHz。

也就是高度变化1ｍ时，差拍信号频率变化0.255KHz 。

=8.33ｍｓ，这时A = 36.76 ｍ/KHz ，早期的无线电高度表的ΔF仅为17MHz ，Tｍ高度变化1ｍ时，差拍信号频率仅变化0.027KHz 。

上述分析是把发射信号频谱单一化得出的，实际上差拍信号频谱要复杂得多，例如在三角波调制的起始上升点和下降点差拍信号相位会发生突变，这两处的信号频率就明显有偏低的趋势，有些文章中称这两点处为“零差拍点”，在信号处理时要加以特别处理。

1.2 恒定调制周期体制存在的问题由于恒定调制周期具有以上特点，因此在实际应用中会存在以下一些问题：○1测高范围受低频放大器带宽的限制差拍信号频率是随高度增加而线性增加，当测高范围较大时，差拍信号频率变化也很大。

无线电高度表为了有较好的测高精度，A值取得较小，例如ALA—51A型无线电高度表，它的A值等于3.93 m/KHz，无线电高度表的测高范围为0m—760m，剩余高度为5m，则差拍信号频率范围至少为1.275KHz—200KHz。

如果测高高度进一步提高，差拍信号的频率就会更高。

这么宽的频率范围在信号处理时是很困难的。

众所周知，接收放大器的噪声系数与放大器的带宽成正比，噪声系数变大会严重影响接收机的灵敏度。

另外，差拍信号频率范围变宽后还会降低无线电高度表在低高度及高高度的测高精度。

此体制无线电高度表测高高度一般在2500英尺值取得较大（760m）以下，要提高测高高度通常处理的办法有两种：一种是把Tｍ或把△F值取得较小，使得Ａ值变得较大，这样可使差拍信号频率范围变窄－些。

这样做的代价是必须提高剩余高度并会影响无线电高度表的测高误差。

还有一种办法是把高度分段，每一高度段内的Ａ值取不同的值。

高度段越高，Ａ值取得越大，即使在比较高的高度段，差拍信号的频率范围也基本保持不变。

如美国生产的APN--232无线电高度表，它的测高范围为0m--50000英尺（15240m），把它划分成十个高度段，每一高度段差拍信号的频率范围可控制在200KHz频率以下。

即使这样，低频放大器的相对带宽也是很大的，因此此体制的测高范围不适合做得太大。

○2低高度和高高度测高精度较难兼顾无线电高度表放大器输出噪声的频谱很复杂，既具有较高频率分量，也存在较低频率分量，各频率分量大小除了与天线的匹配、天线间的隔离度、飞机上传导与辐射干扰等因素有关外，另外还取决于放大器带宽的大小。

差拍信号频率转换成高度信息时是先把正弦波转变为幅度相等的方波（脉冲）信号，然后再根据单位时间内有多少个脉冲去计数而得到高度信息。

由于放大器输出噪声的存在，在把差拍信号转变成脉冲时，要使脉冲在单位时内的个数与差拍信号的频率数做到精确对应则较为困难，尤其是在低高度及高高度时，差拍信号的幅度、频率值相差较多，放大器很难兼顾两者的不同要求。

当放大器带宽较宽时，放大器噪声的高频分量就较强，相对于低高度时差拍信号频率来说其“频率”要高得多，此噪声叠加在低频差拍信号上，尤其在转换电平附近处（可以是零电平附近，也可以是较高电平，无线电高度表行业中称限幅电平）会使差拍信号会发生多次误反转，形成“不该产生的脉冲信号”，使无线电高度表输出的高度值远大于正常差拍信号对应的高度值，产生较大的测高误差。

要消除此项误差，除了降低高频噪声的幅度和频率外（这与增大测高范围相矛盾），应提高放大器低频段的放大量，增加低高度时差拍信号的信噪比（至少应大于20dB甚至更多）。

要指出的一点是，高频噪声对于高高度差拍信号其影响是很小的，差拍信号的信噪比能有６dB就足够满足无线电高度表测高精度的要求。

放大器输出噪声中的低频噪声分量对测高的影响情况与高频分量的影响不同，它对低高度时测高误差影响较小，但却是严重影响高高度测高的因素。

低频分量噪声与高高度差拍信号叠加后，由于噪声频率远小于差拍信号频率，在转换成脉冲信号时会“吃掉”很多差拍信，使转换后的脉冲信号个数大大减小，降低测高高度输出值。

为此必需降低低频噪声的幅度，否则在高高度，无线电高度表输出高度值可小于实际高度的10％左右。

低频噪声产生的原因主要有三方面。

一方面是低频放大器前置放大端的晶体管等器件在制造时由于材料及工艺等原因而产生的“低频噪声”，因此在选用放大器的前置端的晶体管时除选用低噪声晶体管外还应考核此器件的低频噪声情况，即选用低频低噪声的晶体管或集成放大模块；另一方面原因是调频发射机在调频范围内的功率不均匀、产生本振信号的耦合器，它的耦合量在调频频段内不均匀性也会产生低频调制噪声。

此低频调制噪声的“频率”取决于在调频频段范围内由于耦合不均匀起伏的次数，因此它应是的整数倍，它的频率远小于高高度时的差拍信号频率值，而低频噪调制周期Tｍ声幅度与不均匀度的大小有关。

第三，产生低频噪声的最主要原因是由于天线与射频电缆的不匹配、天线间的隔离度较差、飞机上传导（尤其是给无线电高度表供电电源的负线传导）与辐射干扰等因素。