Учебное пособие 800309

Для определения угловой скорости найдем разность текущих фаз сигналов, принимаемых с направления их = sin α в двух точках плоскости, разнесенных на расстояние bх:

Δφ (t) = φ1 (t) – φ2 (t) = 2πf0(t – (R1 – R2)/c) ≈ 2πf0(t – bxux/c)..

При постоянном значении производной ux возникает

разность доплеровскпх частот этих сигналов (производная разности фаз)

Таким образом, измерение угловой скорости основано на том, что разность доплеровских частот сигналов в разнесенных точках приема пропорциональна производной направляющего косинуса. Знак этой разности указывает направление движения объекта: частота больше в той точке приема, в сторону которой движется объект. При определении разности частот один из сигналов играет роль опорного, вследствие чего измерение угловых скоростей одинаково успешно производится в запросных и беззапросных системах. Для определения составляющих угловой скорости их, иу в пространстве измеряются разности доплеровских частот по двум базам (лучше – взаимно перпендикулярным).

Вывод: измерение координат и их производных основано на том, что аналогом дальности является время запаздывания, аналогом направляющего косинуса или разности расстояний – разность времен запаздывания, аналогом радиальной скорости – доплеровский сдвиг, аналогом производной направляющего косинуса – разность доплеровских сдвигов:

Измерение дальности по интенсивности (амплитуде) принимаемого сигнала дает чрезвычайно низкую точность ввиду влияния на амплитуду множества факторов, не поддающихся строгому учету, и иногда используется лишь для

41

грубой оценки дальности. Так называемые «косвенные методы» измерения не могут рассматриваться как самостоятельные измерения. Например, определение дальности интегрированием радиальной скорости, измеренной по доплеровскому сдвигу, пли определение скорости дифференцированием текущей дальности, измеренной по времени запаздывания, являются операциями вычисления, а не измерения. Измеряются только радиальная скорость в первом случае и дальность во втором. Вычисленные величины не расширяют наших знаний о положении и движении цели по сравнению с полученными в результате измерения параметров сигнала, а только представляют эти знания в иной форме и поэтому не несут дополнительной информации.

В задачах ближнего местоопределения измерение двух угловых координат, характеризующих положение продольной оси протяженного объекта относительно некоторого опорного, равносильно определению угловых координат опорного объекта. То же относится и к измерению производных этих двух координат. Однако для измерения угла вращения вокруг продольной оси (угла крена) определяется либо положение вектора поляризации волны, либо направление прямой, проходящей через два пеленгуемых источника излучения, установленных на опорном объекте. Производную этого угла радиотехническими методами непосредственно измерить нельзя; ее находят по скорости изменения измеряемого угла.

42

3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ

При измерении производных координат непосредственно реализуется принцип их определения: фиксируется доплеровское смещение частоты или разность доплеровских частот, а отсчет производится по набегу фазы или разности фаз за некоторый интервал времени. Однако принципы измерения самих координат реализуются различными методами, так как измеряемые координаты могут быть закодированы в различных параметрах сигнала.

Известны три основных метода измерения дальности:

временной (или импульсный),

фазовый,

частотный.

3.1.Временной метод

Всистемах, использующих импульсы или другие, более сложные сигналы, непосредственно реализуется принцип измерения дальности по времени запаздывания сигнала – временной метод: фиксируется интервал τ между принятым и излученным импульсами.

3.2. Фазовый метод

Измерение дальности фазовым методом основано на том, что фаза некоторой гармонической составляющей fM принимаемого сигнала относительно излученного пропорциональна времени запаздывания и, следовательно, дальности:

φ = 2πfMτ.

Ввиду существенной неоднозначности измерение дальности фазовым методом производят не на несущей, а на сравнительно низкой частоте модуляции или частоте биений двух высокочастотных колебаний.

43

3.3. Частотный метод

Частотный метод измерения дальности основан на использовании непрерывных колебаний, частота которых определенным образом изменяется во времени. Так, при линейном законе изменения смешение излучаемых колебаний частоты

f= f0 + at

ипринимаемых колебаний частоты

fꞌ = f0 + a(t – τ) дает биения с частотой fб = f – fꞌ = aτ,

которая пропорциональна времени запаздывания и, следовательно, дальности.

Для измерения разности и суммы расстояний используются те же методы, что и при измерении дальности.

44

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ

Существует два метода измерения угловых координат:

фазовый,

амплитудный.

4.1. Фазовый метод

Фазовый метод основан на пропорциональности между разностью фаз и разностью

Δτ = bxux/c

времен запаздывания высокочастотных сигналов, принимаемых в разнесенных точках:

Δφ = 2πf0Δτ.

Разность фаз, пропорциональная направляющему косинусу, обычно определяется непосредственно на несущей частоте f0, поскольку разность хода сигналов и времен их запаздывания очень мала, так что неоднозначность либо отсутствует, либо легко устраняется.

4.2. Амплитудный метод

При амплитудном методе измерения угловых координат зависящая от направления прихода волны разность фаз сигналов, принимаемых отдельными элементами антенны, преобразуется в амплитудную зависимость суммарного выходного сигнала антенны от направления приема (в характеристику направленности). Заметим, что на амплитуду выходного сигнала антенны влияет множество неучитываемых факторов, а сама диаграмма направленности является нелинейной функцией угла. Поэтому при измерении угла амплитудным методом либо производят ряд дополнительных операций над сигналом (нормировка, сравнение), либо поворачивают диаграмму направленности и направлением на

45

цель считают такой угол поворота диаграммы, при котором сигнал максимален.

Таким образом, определение координат и их производных сводится к измерению неэнергетических параметров сигнала: частотного сдвига, времени запаздывания, разности фаз и относительной амплитуды (относительная амплитуда не является энергетическим параметром). Отмеченная зависимость относительной амплитуды от угла появляется в результате расхождения фаз принимаемых элементами антенны сигналов, а не в результате изменения их амплитуды, влияние которого устраняется при нормировке.

Для независимого измерения координаты и ее производной нельзя использовать один и тот же параметр сигнала или антенны. Так, измерение дальности по фазе огибающей высокочастотного сигнала и радиальной скорости по частоте несущей – независимые измерения. При этом частоты огибающей и несущей отличаются во много раз. Измерение же дальности и радиальной скорости соответственно по фазе огибающей и частоте той же огибающей не дает взаимно независимой информации, так как частота является производной фазы. Аналогично нельзя считать независимыми измерения угла по разности фаз и угловой скорости по разности частот одних и тех же сравниваемых сигналов при одной и той же базе антенны. Для того чтобы угловая скорость давала дополнительную информацию, ее нужно измерять по относительной базе b/λ, значительно превышающей угломерную, т.е. использовать дополнительную антенную систему с большей базой или дополнительный сигнал с большей частотой.

46

Контрольные вопросы к главе III

1.Какими параметрами характеризуется положение объекта в системе позиционирования?

2.Как соотносятся линии и поверхности положения с методами измерений?

3.Как соотносятся пространственные структуры систем позиционирования с методами измерения характеристик положения?

4.Что такое база системы?

5.В чем состоит эффект Доплера и как его применяют в системах позиционирования при измерениях параметров положения объектов?

6.С каким параметром радиосигнала связана угловая скорость и какие методы применяют для ее определения?

7.На каких аналогиях физических величин основаны методы определения координат и их производных?

8.Назовите методы измерения линейных координат.

9.Назовите методы измерения угловых координат.

10.Как добиться независимости измерений координаты

иее производной?

47

Глава IV. ОТРАЖЕНИЕ СИГНАЛА

1. ФОРМИРОВАНИЕ ОТРАЖЕННЫХ ОБЪЕКТАМИ СИГНАЛОВ

1.1. Виды отражений сигнала от объектов

Электромагнитная волна, падающая на объект, независимо от его природы вызывает вынужденные колебания свободных и связанных зарядов, синхронные с колебаниями падающего поля. Вынужденные колебания зарядов создают вторичное поле внутри или вне тела. В результате этого энергия электромагнитной волны, падающей на объект, рассеивается во всех направлениях, в том числе и в направлении к приемной станции. Приходящая в точку приема переизлученная волна представляет собой отраженный объектом сигнал.

Характер вторичного излучения (отражения)электромагнитных волн зависит от формы объекта, расположенного на пути их распространения, его размеров и электрических свойств, а также от длины падающей волны и ее поляризации.

Принято различать отражения:

зеркальное,

диффузное,

резонансное.

Если линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность гладкая, то возникает зеркальное отражение. При этом угол падения радиолуча равен углу отражения, и при зондировании объекта волна вторичного излучения не возвращается к излучателю (за исключением случая нормального падения).

Если линейные размеры поверхности объекта велики по сравнению с длиной волны, а сама поверхность шероховатая, то имеет место диффузное отражение. При этом благодаря различной ориентации элементов поверхности

48

электромагнитные волны рассеиваются в различных направлениях, в том числе и в направлении на излучатель.

Резонансное отражение наблюдается в том случае, когда линейные размеры отражающих объектов или их элементов равны нечетному числу полуволн. В отличие от диффузного отражения вторичное резонансное излучение обычно обладает большой интенсивностью и резко выраженной направленностью, зависящей от конструкции и ориентации вызывающего отражение элемента.

Втех случаях, когда длина волны велика по сравнению

слинейными размерами объекта, падающая волна огибает объект и интенсивность отраженной волны ничтожно мала.

1.2. Малоразмерные и распределенные объекты

С точки зрения формирования сигнала при отражении объекты принято делить на малоразмерные и распределенные в

пространстве или на поверхности.

К малоразмерным относятся объекты, размеры которых значительно меньше размеров элемента разрешения приемной станции по дальности и угловым координатам. В ряде случаев малоразмерные объекты имеют простейшую геометрическую конфигурацию. Их отражающие свойства могут быть легко определены теоретически и предсказаны для каждого конкретного относительного расположения рассматриваемого объекта и приемника сигнала. В реальных условиях объекты простейшего типа встречаются довольно редко. Чаще приходится иметь дело с объектами сложной конфигурации, которые состоят из целого ряда жестко связанных между собой простейших отражающих элементов. Примерами объектов сложной конфигурации могут служить самолеты, корабли, различные сооружения и т. д.

Другие объекты представляют собой совокупность отдельных объектов, распределенных в определенной области пространства, значительно превышающей по своим размерам элемент разрешения приемника сигнала. В зависимости от

49

характера этого распределения различают объемно-

распределенные (например, дождевое облако) и поверхностно-

распределенные (поверхность суши и т. д.) объекты. Отраженный от такого объекта сигнал является результатом интерференции сигналов отражателей, распределенных в пределах элемента разрешения.

Для фиксированного взаимного положения приемника сигнала и отражающих объектов амплитуда и фаза отраженной волны имеют вполне определенную величину. Поэтому в принципе для каждого конкретного случая может быть определен результирующий суммарный отраженный сигнал. Однако в процессе радиолокационного наблюдения относительное положение объекта и приемника сигнала обычно меняется, что приводит к случайным флуктуациям интенсивности и фазы результирующих отраженных сигналов.

50