1 引言

本文介紹了一種新型調(diào)頻連續(xù)波高度表，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：采用了FPGA/單片機(jī)的硬件 平臺(tái)，通用性強(qiáng)，并具備現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)能力；通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)了高度搜索、高度跟蹤、STC、 AGC 等功能，改變信號(hào)處理算法和控制軟件能實(shí)現(xiàn)多種功能，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要；采用恒定差拍結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng),并具有頻譜前沿跟蹤能力；具有1500m 的大范圍測(cè)高能 力，在低高度上具有1m 的測(cè)高精度。

無(wú)線電高度表不僅可以精確測(cè)量飛行器與地面或海面的相對(duì)高度，而且還可以測(cè)量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多種參數(shù)，在飛機(jī)的自動(dòng)著陸、自動(dòng)導(dǎo)航、地形匹配等領(lǐng)域得到了 廣泛的應(yīng)用。無(wú)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(yīng)用，脈沖體制適合1500m 以上的中高高度應(yīng)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(jiǎn)單，可靠性高，成 本低等特點(diǎn)。

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(guò)與飛行器飛行高度成正比例的時(shí)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(hào)fb，該信號(hào)經(jīng)窄帶濾波器選頻后，被一個(gè)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(hào)是否進(jìn)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(hào)始終落入跟蹤帶內(nèi)，保持恒定值。 整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)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(lái)決定。

其主要性能指標(biāo)為：
工作頻率：C 波段
體制：LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）
測(cè)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(kāi)、三角波調(diào)頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無(wú)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(hào)的幅度是一個(gè)常數(shù)，而其斜率是控制電壓的函數(shù)。在測(cè) 高過(guò)程中，通過(guò)測(cè)高回路自動(dòng)校正，使調(diào)制信號(hào)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(hào)fb 是否進(jìn)入 跟蹤帶內(nèi)，如是則輸出鎖定信號(hào)。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(méi)有跟蹤鎖定信號(hào)時(shí)，高度表進(jìn)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(hào)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)調(diào)制斜率對(duì)應(yīng)飛行高度時(shí)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(hào)。

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(hào)，其頻率跟地面高度成正比。VCO 的 調(diào)制帶寬最高可達(dá)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(duì)差拍信號(hào)進(jìn)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(jī)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(gè)放大器模塊，可以單獨(dú)使用其中的任何一個(gè)或?qū)蓚€(gè)級(jí) 聯(lián)使用以提高增益和擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，每個(gè)放大器模塊的增益最大可達(dá)54.4dB，增益控制范圍 48.4dB。

3 信號(hào)處理組件

3.1 硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)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(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)大部分信號(hào)處理功能。

圖 2 信號(hào)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(mén)限判決電路的輸出狀態(tài)，按一定算法改 變VCO 調(diào)制信號(hào)的頻率，使差拍信號(hào)落入225kHz 的跟蹤帶內(nèi)。在地面高度的搜索過(guò)程中，VGC 電壓與高度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)STC（時(shí)間-靈敏度控制）功能。在地面高度的跟蹤 過(guò)程中，VGC 電壓受控于飽和門(mén)限判決電路的輸出狀態(tài)，飽和時(shí)減小VGC 電壓，直到差拍信 號(hào)的強(qiáng)度低于飽和門(mén)限，降低地面回波強(qiáng)度對(duì)測(cè)高精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)AGC（自動(dòng)增益控 制）功能。