книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]

в обоих полупериодах модуляции будет соответственно равно

ного сигнала изменяется через каждую половину перио­ да модуляции частоты передатчика. При этом среднее

значение частоты (постоянная составляющая) равно /р , т. е. пропорционально дальности Д, а амплитуда ее из­ менения (переменная составляющая) равна 2/Д ) т. е. про­ порциональна составляющей скорости объекта.

Таким образом, если в схеме приемника предусмот­ рено разделение постоянной и переменной составляющих преобразованного сигнала, то можно раздельно измерять дальность до объекта и скорость его движения.

Второй случай — объект движется с большой скоро­

стью и / д > / р .

На рис. 16 приведены графики изменения частоты преобразованного сигнала и формы напряжения биений при движущемся объекте для второго случая. В отличие от первого случая здесь частота Допплера настолько большая, что кривая изменения частоты отраженного сигнала во всех периодах модуляции расположена выше кривой изменения частоты передатчика. В этом случае частота преобразованного сигнала не достигает нуля и поэтому скачкообразного изменения фазы не происходит.

40

Рис. 16. График изменения частоты преобразованного сигнала и формы напряжения биений (Ue) при

/д > / р

ауклонения средней частоты от среднего значения

Из этих соотношений можно сделать вывод, что при большой скорости объекта ( / д > / р ) частота преобразо­ ванного сигнала изменяется через каждую половину пе­ риода модуляции частоты передатчика, причем среднее

41

ее значение (постоянная составляющая) равно flb т. е. пропорционально составляющей скорости объекта, а пе­ риод модуляции (переменная составляющая) равен 2fp, т. е. пропорционален дальности объекта. Следовательно, как н в первом случае, имеется возможность одновре­ менного измерения скорости объекта и его дальности. Но во втором случае скорость и дальность поменялись местами (скорость измеряется по постоянной составляю­ щей, а дальность — по переменной).

Таким образом, чтобы с помощью частотно-модули­ рованного радиолокатора можно было одновременно оп­ ределять скорость движущегося объекта и его дальность, нужно заранее знать, что больше: / р или flv В противном случае можно перепутать показания дальности с показа­ ниями скорости, так как в момент перехода от малого

Наличие этой скорости вынуждает применять более сложные схемы, например, с многократным гетеродинированием, с двойной частотной модуляцией и др.

Внекоторых случаях, подбирая /с , AfM и FM, можно вывести критическую скорость за пределы рабочего диа­ пазона измеряемых скоростей и тем самым устранить не­ однозначность отсчета, что позволит применить простей­ шую схему радиолокационной станции.

3.ДОППЛЕРОВСКИЕ СИСТЕМЫ

Впоследние годы в связи с появлением летательных аппаратов с большими скоростями движения (сверхзву­

ковых самолетов, искусственных спутников земли — ИСЗ, ракет) особое внимание уделяется вопросам точ­ ного измерения скорости. В связи с этим большое зна­ чение придается допплеровским системам, предназначен­ ным прежде всего для измерения скорости.

Эффект Допплера заключается, как известно, в том, что при взаимном перемещении источника колебаний и приемника частота колебаний, воспринимаемая приемни­ ком, отличается от частоты, излучаемой источником, на величину /д, получившую название частоты Допплера. Величина этого изменения частоты зависит от скорости

42

и направления перемещения, а также от длины волны излучаемых колебаний.

Тогда фаза отраженных колебаний в точке приема, совпадающей с точкой излучения, будет

случаев частота Допплера лежит в пределах звуковых частот.

На рис. 17 представлена структурная схема простей­ шей допплеровской радиолокационной станции. Передат­ чик излучает незатухающие колебания частотой f0. Отра­ женные от цели сигналы улавливаются приемной антен­ ной. Их частота отличается от частоты передатчика на частоту Допплера fR и равна fo-rp—fo+fp.- Кроме того, на приемную антенну попадает часть прямого сигнала пере­ датчика частотой /о- В результате биений этих двух сиг­ налов на выходе смесителя получается напряжение от допплеровской частоты.

43

После усиления преобразованный сигнал поступает на индикатор для определения скорости и координат цели. Скорость цели определяется по частоте Допплера, угло­ вые координаты измеряются любым из известных мето­ дов по изменению интенсивности выделенного сигнала при перемещении радиолуча антенны. При этом следует

Цель

****

>Передатчик

готр

Усилитель

Смеситель сигналов Индикатор допплеровской

частоты

Рис. 17. Структурная схема простейшей допплеровской системы

иметь в виду, что в случае использования метода равносигнальной зоны частота сканирования (коммутации) луча должна быть намного меньше частоты Допплера.

Она позволяет работать при весьма малой полосе про­ пускания, определяемой в основном шириной спектра допплеровских частот, что позволяет осуществить селек­ цию целей по скорости путем настройки узкополосного фильтра усилителя допплеровской частоты на заданное значение fR. Кроме того, такая радиолокационная стан­ ция не критична к медленным-уходам частоты передат­ чика, так как в ней в качестве когерентного гетеродина используются колебания передатчика.

Кроме скорости перемещения объекта по величине частоты Допплера (допплеровскому сдвигу частоты) можно определять и расстояние до этого объекта. Для

44

\

этого устройство должно иметь два передатчика, рабо­ тающих на разных частотах и /2 , и два приемника. На вход первого приемника поступят сигналы: прямой с ча­ стотой /) и отраженный, отличающийся от прямого на частоту Допплера |дь На вход второго приемника посту­ пят сигналы: прямой с частотой /2 и отраженный, отли­ чающийся от прямого на частоту Допплера /д2 .

Если с выходов приемников колебания подвести к фазометру, то можно измерить разность фаз двух доппле-

Мгновенные значения фазы колебаний допплеровских частот, которые выделяются в результате биений, будут следующие:

а разность фаз

Учитывая, что с 3> Vp, получим

С

Таким образом, доказано, что разность фаз доппле­ ровских колебаний зависит от дальности до объекта и разноса частот передатчиков. Так как разнос частот из­ вестен, то фазометр можно градуировать непосредствен­ но в единицах дальности.

45

Для обеспечения однозначности могут применяться многочастотные системы. При этом измеряется разность фаз между допплеровскими биениями, которая также ли­ нейно зависит от расстояния.

В зависимости от режима работы все допплеровские системы можно разделить на две группы: когерентно-им­ пульсные и работающие в непрерывном режиме. Послед­ ние в свою очередь делятся на частотно-модулированные и без модуляции.

Допплеровские частотно-модулированные системы по­ зволяют кроме скорости определять и расстояние (вы­ соту) .

Достоинством когерентно-импульсных систем являет­ ся то, что они обеспечивают одновременное определение расстояния и скорости движения объекта. Кроме того, вследствие временного разделения сигналов в этих си­

решения проблемы неоднозначности в измерении скоро­ сти, а также обеспечения когерентности колебаний пря­ мого и отраженного сигналов. В этих системах трудно обеспечить большую дальность действия, так как величи­ на импульсной мощности ограничивается пробоями в фидерном тракте. Увеличение же средней мощности за счет удлинения импульсов в конечном итоге приводит, к непрерывному режиму. Вместе с тем для повышения чувствительности приемника требуется сужать его по­ лосу пропускания, для чего также необходим переход к непрерывным и квазинепрерывным режимам работы. Это привело к тому, что в настоящее время начали все шире использоваться допплеровские системы с не­ прерывным излучением.

В зависимости от назначения допплеровские системы с непрерывным излучением могут быть выполнены в трех вариантах: беззапросные с автономным источником колебаний, установленным на движущемся объекте; за­ просные с ретранслятором на борту движущегося объ­ екта; системы, работающие по отраженным от движу­ щегося объекта сигналам.

Беззапросные системы строятся по следующему прин­ ципу. На борту движущегося объекта установлен пере-

46

Если частота f0 равна частоте п/3 , то на выходе УПЧ2 получится частота Допплера fR. При удалении объекта она будет изменяться от 0 до / д . М а к с -

Чтобы можно было определить направление движе­ ния объекта, величину п/э выбирают исходя из следую­

Тогда, если выполняется неравенство f0 — я/о±/д>/о—n.f3 , объект приближается к наземной станции, если же знак обратный — объект удаляется от станции.

Запросная система работает следующим образом (рис. 19). Наземный передатчик излучает сигналы, кото­ рые принимаются и ретранслируются приемопередатчи­ ком, установленным на движущемся объекте. Наземный приемник улавливает ретранслированные сигналы. Здесь

Приемник

[Измери­

тель

Кчастоты/

Рис. 19. Структурная схема запросной допплеровской системы

48

они сравниваются с сигналом наземного передатчика, в результате чего выделяется сигнал частоты Допплера. По величине допплеровского сдвига частоты определяет­ ся скорость движения объекта.

Преимуществом этой системы перед описанной ранее является то, что здесь используется только один ста-

Умножитель

flf,*fg) ")

Рис. 20. Структурная схема бортового приемопередатчика

бильный генератор (наземный). К недостаткам ее следует отнести трудность осуществления развязки приемного

ная и передающая), либо предусматривается работа их на разных некратных частотах.

В последнем случае схема бортового приемопередат­