книги из ГПНТБ / Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике

распространения электромагнитных волн в морских условиях, путем посылки некоторых стандартных электромагнитных сигналов и при­ ема сигналов, отраженных от цели. Возможны как импульсные, так и интерференционные методы, хотя пока экспериментальных данных, относящихся к области активных методов исследования низкочастотных электромагнитных колебаний, очень мало.

В последние годы методика измерений статистических величин и оценка погрешностей измерений разрабатываются во многих

Согласно [87], измерение исследуемой вероятностной характе­ ристики случайного процесса может быть представлено в виде сле­

дующих этапов:

1) проведение выборочных процессов измерения и отнесение их к одному из классов (нестационарные неоднородные, стационар­ ные неоднородные, нестационарные однородные и эргодические процессы);

2)вычисление статистической оценки исследуемой характери­

стики;

3)оптимизация процедуры статистических измерений;

4)получение количественных значений измеренных характе­ ристик с контролируемой точностью;

5)сравнение статистических оценок с возможными вероятност­ ными характеристиками определения базисной модели случайного процесса (образа).

При проведении статистических измерений весьма важным

является вопрос об ошибках измерений. Ошибки статистических измерений различают [85, 87]: а) по природе их возникновения; б) по их проявлениям.

В зависимости от природы возникновения ошибки статистиче­ ских измерений разделяются на четыре типа:

1. Ошибки представления выборочного процесса, получаемого в результате проведения экспериментальных исследований; они обусловлены преобразованием процесса перед подачей на статисти­ ческую измерительную систему.

2. Ошибки классификации выборочного процесса, связанные с несоответствием выборочного процесса принятой модели случай­ ного процесса. Свойства случайного процесса описываются распреде­ лениями вероятностей или их параметрами. Вероятностная модель — это представление случайного процесса, позволяющее вычислить или постулировать его вероятностные характеристики, существен­ ные в рассматриваемой задаче.

3.Алгоритмические ошибки, возникающие из-за неправильного выбора алгоритма формирования статистической оценки.

4.Аппаратурные ошибки — ошибки, возникающие вследствие неточной реализации принятых алгоритмов вычисления статисти­ ческих оценок при использовании различных технических средств статистических измерений.

По проявлениям (по специфическому характеру, который они носят) различают флюктуационные ошибки и ошибки смещенности

80

статистических оценок. Флюктуационные ошибки носят случайный характер, их значения не остаются постоянными. Ошибки смещен­ ности статистических оценок имеют систематический характер.

Методы оценки погрешностей, изложенные в работах [87, 88, 117], близки по своему содержанию к конструктивной теории изме­ рений, описанной выше, несмотря на различие используемых ма­ тематических аппаратов.

ГЛАВА 4

ПРОБЛЕМЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА СУДАХ§

§4.1. РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Всоответствии с теорией отражения, разработанной В. И. Ле­ ниным в его сочинении «Материализм и эмпириокритицизм», наши ощущения представляют собой отпечатки, образы объективной реальности, существующей вне нашего сознания. Например, наблю­ дение какого-нибудь небесного объекта с помощью радиотелескопа дает результат, который является образом, отражением реально существующего объекта реального мира — данного небесного тела. Применяемые при этом приборы (радиотелескоп, детектор, инди­ катор, дающий визуальные показания) расширяют возможности ор­ ганов чувств, поскольку орган зрения не восприимчив к радиовол­ нам. Используя физические приборы, человек может судить об

объекте по его образу.

Благодаря введению образов и структур как физических объек­ тов радиоастрономия приобретает самостоятельное значение; свои­ ми образами она существенно отличается от других наук.

Теоретические основы радиоастрономии до последнего времени еще не получили необходимого развития. Это объясняется описатель­ ным характером данной научной области. Радиоастрономические объекты: Солнце и планеты, звезды и туманности, пульсары, ква­ зары и т. д. — обладают очень сложной структурой. Радиоизлуче­ ние этих объектов имеет также сложный характер. Процессы распро­ странения и поглощения излучаемых такими объектами радиоволн осложнены особенностями ионизированных сред, окружающих многие источники. Большое влияние на условия приема радио­ сигнала на Земле оказывает наличие атмосферных слоев и теплового радиоизлучения различных земных объектов, почвы, моря и т. д.

Детальному изучению источников радиоволн препятствует боль­ шой уровень помех, существующих на Земле. Радиоастрономиче­ ские приборы работают в условиях значительного превосходства уровня шумов над уровнем сигнала, что приводит к потере спектраль­ ной информации о радиоизлучении, и потому в ряде случаев оказы­ вается невозможным получить основные данные, которые позво-

лили бы строить количественную теорию. В силу этого радиоастро­ номия сохраняет характер описательной науки, несмотря на то, что по отдельным ее проблемам созданы теории и разработаны методы расчета, проверенные практикой. В основном этого удалось достичь благодаря применению термодинамики и статистической физики к исследованию радиоизлучения небесных тел и благодаря исполь­ зованию теории распространения радиоволн. Например, законы излучения черного тела позволили установить оптические характе­ ристики источников радиоизлучения, а теория распространения электромагнитных волн в слоистых средах и магнитных полях позволила описать некоторые структурные детали источников ра­ диоизлучения, таких, как Солнце и планеты. В результате стало известно, какие слои хромосферы и короны Солнца определяют те или иные компоненты сплошного спектра солнечного радиоизлу­ чения.

Классическая физика, основанная на классическом анализе, не всегда дает удобные рецепты для описания структурных задач. В применении к тем наукам, в которых главную роль играет описа­ тельный метод, методы классической физики иногда недостаточно эффективны. Исследуя сложные астрономические объекты, прихо­ дится идти на такие упрощения и допускать такую идеализацию, которые могут быть оправданы лишь в отдельных случаях. Напри­ мер, можно представить Солнце как источник радиоизлучения в виде некоторого диполя и исследовать прохождение волн от этого диполя через плазменный слой; в этом случае можно получить конечные выражения и сделать точные расчеты. Однако совершенно ясно, что подобная модель Солнца является схематичной и не может служить для подробного описания Солнца как источника радиоволн, по­ скольку Солнце — это сложный комплекс источников, обладающий определенной структурой, причем важное значение имеет законо­ мерность расположения источников, их динамика, случайные про­ цессы и т. д. Необходимо, чтобы теоретический метод позволял отра­ зить эти структурные особенности Солнца.

Таких примеров можно было бы привести много.

Конструктивная механика дает возможность построить иную теоретическую концепцию, которая с большей эффективностью, чем классическая, может быть использована для описания динамики структур.

Легко видеть, что сложность, структурность, конструктивность задачи обусловливают применение соответствующих алгоритмов, подобно тому как сложные и трудоемкие вычисления требуют исполь­ зования цифровых вычислительных машин, действующих по про­ грамме, отражающей схемы алгоритмов. Поэтому описание дина­ мики сложных систем обязательно должно основываться на схемах алгоритмов и на программах, содержащих такие алгоритмы, с исполь­ зованием языка математического программирования. Можно сказать, что переход к методам конструктивной механики связан с обоб­ щением средств и методов вычислительной математики и кибер­ нетики.

Я2

Перейдем теперь к рассмотрению радиоастрономических методов измерений на судах. Эти методы основаны на приеме собственного радиоизлучения объектов и имеют особое преимущество перед опти­ ческими методами в тех случаях, когда наблюдаемые объекты ока­ зываются невидимыми из-за облачности, условий освещенности и т. п.

Применение радиоастрономических методов на судах связано прежде всего с задачами навигации. В течение тысячелетий вожде­ ние судов по небесным светилам осуществлялось с помощью опти­ ческих приборов. В связи с развитием радиофизики и радиотехники начали внедряться методы, в которых для целей судовождения используется радиоизлучение, главным образом Солнца, Луны, Кассиопеи А и других космических источников. Созданы радио­ секстаны, с помощью которых могут быть получены данные, необ­ ходимые для прокладки курса корабля в условиях плохой видимости, например могут быть определены координаты судна по Солнцу, скрытому облаками.

Радиоастрономические методы применяются также при решении задач обнаружения судов и других морских объектов по их радиоиз­ лучению.

Первая область применения относится к радиоастрономии, вто­ рая — к так называемой пассивной радиолокации, которая служит для обнаружения объекта не путем посылки сигнала и приема сигнала отраженного, а путем приема собственного радиоизлучения объекта. При этом оказывается возможным находить видимые символы объек­ тов или их структур, что весьма важно в задачах распознавания.

Собственные радиоизлучения объектов в большинстве случаев являются температурными, или, как их еще называют, тепловыми. При температурном радиоизлучении в результате хаотического теплового движения частиц часть энергии передается элементарным осцилляторам, обладающим электрическим или магнитным момен­ том (это могут быть атомы, электроны, ионы и т. п.). Изменение со­ стояния этих осцилляторов приводит к возникновению электромаг­ нитного излучения, которое распространяется в окружающую среду. К температурным излучателям применимы законы излучения абсо­ лютно черного тела (АЧТ).

Приведем некоторые формулы и определения.

Спектральное распределение энергии в тепловом излучении

Планка; с — скорость света; f и X — частота и длина волны прини­ маемого излучения; k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Интегрируя выражение (4.1) по всему спектру частот, получаем интегральную лучеиспускательную способность ет. Она является

ралям; 4) позволяющие по мере необходимости изменять пропускную

способность дороги в прямом и обратном направлениях последо­ вательно (резервные и реверсивные полосы).

Необходимость устройства дополнительных полос на подъемах определяется величиной продольного уклона, длиной подъема, ин­ тенсивностью и составом движения в направлении подъема, а так­ же дорожными условиями на начальном участке подъема.

Строительными нормами и правилами (п. 3.7 СНиП П-Д.5-72) на участках затяжных подъемов дорог II категории рекомендуется устраивать дополнительные полосы. Если интенсивность превыша­ ет 2000 авт./сутки, продольный уклон больше 30—40% о и длина подъема 0,5—1,0 км, то дополнительные полосы следует преду­ сматривать и на дорогах III категории.

Как показали исследования режимов движения на участках за­ тяжных подъемов, выполненные В. В. Сильяновым [28], скорость движения грузовых автомобилей начинает резко снижаться уже при уклонах, превышающих 30%0. На подъемах с уклоном 40%0 снижение скорости движения грузовых автомобилей составляет 15 км!ч, а при величине уклона 60%о — 25 км/ч. В результате этого при продольном уклоне подъема 30%о пропускная способность участка дороги уменьшается на 15%, при 40% о — на 20%, а при

60%0 — на 33%•

В соответствии с ВСН 39-67 Минавтошосдора РСФСР, разрабо­ танными кафедрой проектирования дорог МАДИ, дополнительные полосы на подъемах следует устраивать в зависимости от процен­ та в составе потока движения медленно движущихся автомобилей, величины уклона, длины подъема и часовой интенсивности движе­ ния. Предельные интенсивности движения на подъем, при которых необходимо устраивать, дополнительную полосу на всем протяже­ нии подъема, приведены в табл. 14. Цифры в скобках относятся к случаям, когда количество медленно движущихся автомобилей превышает 10%.

84

При расчетах дополнительных полос часовую интенсивность движения по одной полосе п определяют по величине суточной ин­ тенсивности движения с учетом ее неравномерности распределения по направлениям движения п=0,046 N, где N — суточная интенсив­ ность движения в обоих направлениях, авт./сутки.

Прочерки в таблице соответствуют крутым подъемам, которые недопустимы на дорогах с указанной в предыдущей строке часовой интенсивностью. Такие участки следует перепроектировать, а на существующих дорогах реконструировать.

Дополнительные полосы на подъемах устраивают в виде уширения проезжей части с внешней стороны земляного полотна. В этом случае тихоходные автомобили большой грузоподъемности вынуждены несколько отклоняться от направления основного транс­ портного потока, освобождая внутреннюю полосу для движения автомобилей, едущих с высокой скоростью.

Более эффективно дополнительные полосы на подъемах работа­ ют при устройстве их на автомобильных магистралях за счет разде­ лительной полосы или плавного уширения проезжей части на участке подъема с двумя полосами движения.

Переход от двухполосной проезжей части к трехполосной нуж­ но осуществлять на участке длиной не менее 50 м. Эта длина зави­ сит от скорости движения 85% обеспеченности:

мается на всей длине подъема постоянной, равной 3,75 м.

При подъемах длиной свыше 800 м и с уклонами более 30% о можно предусмотреть стадийное строительство дополнительной по­ лосы. В этом случае строительство начинают с верхней части подъ­ ема, уширяя проезжую часть в пределах вертикальной кривой и на расстоянии 100 м до ее начала. Затем полосу удлиняют вниз до

•середины подъема и на завершающей стадии строят на всю длину подъема.

Дополнительные полосы на подъемах эффективно работают только при наличии разметки проезжей части и при установке зна­ ка «Левый ряд для обгона» или надписи на покрытии в начале подъема.

Дополнительные полосы на спусках необходимы при интенсив­ ности движения свыше 6000 авт./сутки и длине спуска более 700 м. Необходимость устройства дополнительных полос на спусках вы­ зывается существенной разницей в скорости движения различных типов автомобилей и зависит от величины уклона, длины спуска и дорожных условий в конце спуска.

Как показали исследования, проведенные Ю. А. Кременцом, при уклонах до 20—25%о длина спускание отражается на возрастании

85

сферы — излучение приходится преимущественно на сантиметро­ вый диапазон, а для короны — на метровый диапазон. Причиной этого являются собственные колебания плазмы, частоты которых

для электронной плазмы выражаются формулой / -- 8960 ]/п Гц, где п — концентрация электронов. В зависимости от концентрации эти частоты изменяются, убывая к периферии ионосферы Солнца. Вместе с тем собственные колебания плазмы определяют также области поглощения радиоволн: грубо говоря, поглощение стано­ вится заметным, если частота колебаний радиоволн близка к частоте плазмы. Отсюда следует, что различные частотные компоненты ра­ диоизлучения Солнца обязаны своим происхождением различным внешним зонам ионосферы, поскольку излучение внутренних зон не проникает в окружающее пространство.

Так как радиоизлучение хромосферы в метровом диапазоне погло­ щается вышележащими слоями короны, до наземного наблюдателя доходит только сантиметровое радиоизлучение хромосферы, а метро­ вые радиоволны приходят лишь от короны. На этом основаны инте­

излучения, носящего спорадический характер, усложняет картину распределения «радиояркости» по солнечному диску. Указанные источники связаны с возмущениями в ионосфере Солнца и локали­ зованы вблизи активных образований — пятен, флоккул и хромосферных вспышек. Располагаясь произвольно относительно геоме­ трического центра диска, эти источники создают дополнительный поток радиоизлучения, что приводит к нарушению симметрии об­ щего радиоизлучения Солнца. Смещение центра тяжести радиоиз­ лучения Солнца относительно геометрического центра диска, т. е. величина

F0+ £ ^ i

1=1

может достигать нескольких угловых минут. Здесь Fit 6(. — поток до источника и расстояние от него до центра диска соответственно,

а также перемещение их по диску обусловливают изменение смещения центра тяжести радиоизлучения. Это обстоятельство приводит к зна­ чительным ошибкам при ориентировании по радиоизлучению Солнца

86

Распределение «радиояркости» на поверхности космического источника изображается матрицей ||%.||, которую можно считать квадратной, так как недостающие элементы матрицы можно заменить нулями. Матричный элемент aik в случае полной контрастности может получать значения 0 или 1, и тогда из единиц строится фигура. Элементы aik могут иметь и ряд градаций.

Обозначим эту матрицу как ¥-функцию:

Здесь знак равенства надо понимать как знак ^ («служит для обо­ значения»), Применение оператора Р означает изменение состояния:

При этом каждый элемент aik переходит в bik, что дает смену картины. Это изменение может иметь пространственный характер — тогда происходит перемещение фигуры по полю матрицы — или временной характер — тогда происходит смена кадров. Уравнение (4.5) можно изобразить с помощью схематической записи алгоритмов в виде

умножается на ¥ слева, и наоборот. В более общем случае эле­ менты a;h являются элементами ¥-функции (¥,-,,) некоторой задачи. Тогда имеем ¥ = ||¥ rt||.

Если оператор Р не изменяет матрицу (а вводит общий числовой множитель Р'), ¥ есть собственная функция, принадлежащая соб­ ственному значению Р '. Тогда выражение (4.6) перепишется в виде

Р ¥ = I aik1+ 1—» P'aik I

или

Я ¥ = />'¥.

Аналогичные соотношения имеют место для объемных структур 1К*/1!| и для рядов {а,}.

Используя ¥-функцию, можно получить уравнения, описываю­ щие процессы любой конструкции. Эти уравнения должны быть того же типа, что и уравнения движения [80].

Обратимся теперь к устройству радиотелескопа (рис. 4.3), ко­ торый служит для исследования структуры электромагнитного поля, излучаемого космическими источниками.

Основными элементами радиотелескопа являются антенна и радиометр. Электромагнитный сигнал СВЧ принимается на рупорную или зеркальную антенну А ; для повышения чувствительности ра­ диотелескопа целесообразно увеличить входное отверстие концен­ тратора, которым служит рупор или зеркало. Радиоволны, падающие на зеркало плоскими волнами —■плоскими ввиду того, что источник весьма отдален, — концентрируются в фокусе F, где располагается

58

или рупор малого сечения, или конец волновода; рупор или волновод идут к радиометру.

Для того чтобы радиоизлучение небесного светила, например Солнца, могло быть непосредственно измерено на фоне собственных шумов аппаратуры, зеркало должно иметь гигантские размеры. Такие зеркала диаметром до 100 м и больше существуют в некоторых радиоастрономических обсерваториях. Зеркала на судах должны обладать небольшими габаритами, так что входное отверстие кон­ центратора не может быть большим (его диаметр порядка 1 м). По­ этому прямое усиление радиоастрономического сигнала в прием­ нике невозможно и обычно применяется модуляционный метод. Сущность метода состоит в том, что входной поток радиоизлучения, поступающий на концентратор и собираемый в фокусе, подвергается амплитудной модуляции с низкой звуковой частотой, например

Рис. 4.3. Структурная схема радиотелескопа.

30 Гц. Далее сигнал, пройдя входной волновод, поступает на детектор, а после детектирования усиливается и подается на синхронный де­ тектор, управляемый тем же генератором звуковой частоты, кото­ рый дает модуляцию. Синхронное детектирование (синхронное по отношению к модуляции) позволяет выделить входной сигнал на фоне значительно превосходящих его по уровню собственных шумов. При этом сохраняется только информация, относящаяся к среднему уровню (к средней амплитуде) сигнала СВЧ, а все спектральные данные выпадают. Частота, однако, остается известной. Она равна частоте настройки входного волновода, которая сравнительно точно может быть определена с помощью волномера.

Существует несколько способов модуляции, из которых следует указать два. При первом из них модуляцию осуществляют путем периодического изменения поглощения в волноводном тракте. Для этого во входной волновод помещают вращающийся аттенюатор. За один период вращения диска с нанесенным по соответствующему профилю поглотителем затухание испытывает один цикл изменения. Вращением диска обеспечивается периодическое изменение ампли­ туды сигнала и его выделение с помощью синхронного детектора, управляемого с тем же периодом. При втором способе модуляции производятся периодические повороты рупора, находящегося в фо­ кусе зеркала, что периодически изменяет интенсивность поступаю­

8 »