книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

Импульсные радиогеодезическпе системы

П р и м е ч а н и я : 1. Для импульсных систем в графе «масштабная частота» указана частота повторения импульсов.

2. Для светодальномеров с оптическими квантовыми генераторами (в таблице отмечены одной звездочкой*) и светодиодами (в таблице отмечены двумя звездочками**) дальность действия указана для дневных условий. Ночью дальность действия этих приборов примерно в два-полтора раза больше.

90

Г л а в а IV

ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

чает колебания высокой частоты в виде коротких периодически по­ вторяющихся импульсов, называемых зондирующими*. Излученные импульсы распространяются от станции до объекта и обратно за время, меньшее периода повторения импульсов, так что отраженный импульс возвращается на станцию раньше, чем ею будет послан следующий зондирующий импульс. Фиксируя моменты излучения зондирующего и приема отраженного импульсов, определяют время распространения электромагнитных колебаний. Так как сигнал про­

двумя пунктами, так и разности расстояний, т. е. его можно приме­ нять как в дальномерном, так и разностно-дальномерном способах определения местоположений.

При дальномерном способе (круговые системы) на одном конце измеряемой линии устанавливают станцию — запросчик, — состо­ ящую из передатчика, приемника и индикаторного устройства. На другом конце измеряемой линии устанавливают приемо-передающую станцию — ответчик, — которая после каждого принятого зондиру­ ющего импульса излучает ответные импульсы. Располагая ответчики в двух или трех точках с известными координатами и имея соответ­ ственно два или три индикатора на запросчике, можно измерять расстояния до двух (трех) точек, что позволяет определять местопо­ ложение запросчика относительно этих точек. К системам такого рода относятся, например, Рым (СССР), Шоран и Хиран (США).

(как правило, на борту подвижного объекта — корабля или само­ лета) устанавливают приемник с индикаторным устройством, при

92

между импульсами, приходящими с одной и другой станций. Раз­ ность расстояний г до известных пунктов находят по формуле

Независимой передающей станцией является обычно одна, кото­ рая называется ведущей. Другая станция, называемая ведомой, излучает импульсы только после приема импульсов ведущей станции. Таким образом, между импульсами, излучаемыми этими станциями, протекает время и возникает постоянная задержка сигналов

которая учитывается при вычислении разности расстояний. В фор­ муле (136) D0 — расстояние между ведущей и ведомой станциями, a xk — дополнительная задержка сигналов приборного происхо­ ждения.

Система с одной парой передающих станций (в точках Аг m Вг на рис. 34, а) позволяет определить лишь гиперболу, на которой на­ ходится определяемая точка М. Для определения положения точки необходимо иметь две гиперболы, в пересечении которых находится эта точка. Для определения второй гиперболы измеряют разность

обычно бывает общей для обеих пар станций (рис. 34, б). Следует отметить, что при большом удалении точки M от передающих стан­ ций линию положения можно принять за прямую, так как гипербола в этом случае почти сливается со своей асимптотой (пунктирная ли­ ния на рис. 34, а.)

Упрощенная блок-схема импульсного радиодальноМерного устрой­ ства показана на рис. 35, а, а на рис. 35, б — эпюры напряжений^ поясняющие работу станции.

Необходимым условием нормальной работы дальномерного уст­ ройства является синхронизация (согласование во времени) работы приемника, передатчика и индикатора, осуществляемая синхро­ низатором (см. рис. 35, а). Чаще всего синхронизатором служит кварцевый генератор с высокой стабильностью частоты. Между

93

синхронизатором и модулятором передатчика помещают формирова­ тель импульсов, который вырабатывает из гармонических сигналов синхронизатора видеоимпульсы малой длительности. Под воздейст­ вием этих импульсов модулятор вырабатывает мощные видеоим­ пульсы требуемой формы и амплитуды, поступающие в генератор высокой частоты. При амплитудной модуляции под воздействием импульса модулятора в генераторе возникают импульсы колебаний высокой частоты, имеющие место в течение всей длительности им­ пульса; с окончанием импульса колебания прекращаются и возоб-

Во время генерирования колебаний высокой частоты антенна работает только в режиме передачи. По окончании излучения зонди­ рующего импульса антенна автоматически отключается от генера­ тора высокой частоты и работает на прием. Принимаемые антенной отраженные сигналы усиливаются, детектируются (амплитудные или частотные радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы) и посту­ пают на индикатор, с помощью которого осуществляется измерение времени распространения сигналов.

Для измерения расстояний наиболее выгодны импульсы прямо­ угольной формы, в которых амплитуда заполняющих колебаний из­ меняется скачком от нуля до некоторого постоянного значения. Од­ нако вследствие инерционности электрических цепей строго прямо­ угольных электрических импульсов получить нельзя. В реальных импульсах можно выделить три участка (рис. 36): передний фронт,

94

соответствующий нарастанию мощности колебаний; вершину им­ пульса, включающую участок с наибольшим значением величины тока или напряжения, и срез импульса (задний фронт), характери­ зующийся спадом мощности. Изображенные на рис. 36 импульсы

к импульсам с плоской вершиной. Важными характеристиками им­

же амплитуда и средние значе­ ния напряжения, тока или мощности в импульсе.

Из-за малой крутизны на­ чала фронта и конца среза воз­ никает неопределенность в оп­

—Г

Р и с . 36 Р и с . 37

импульсной мощностью. Выражение (137) имеет важное значение при определении дальности действия системы. Другой важной харак­

95

т

где Q = — — так называемая скважность импульсов. Значение скважности для радногеодезических импульсных систем колеблется

ляет как технические, так и экономические показатели станции. Исходя из формулы (138), можно сделать вывод, что более экономич­ ной будет станция с возможно меньшей частотой повторения импуль­ сов, так как в этом случае при неизменной длительности импульсов т и импульсной мощности Р И с р уменьшается средняя мощность стан­ ции

Pcp=FxPK.

Наименьшая частота повторения импульсов в визуальных устрой­ ствах определяется инерционностью глаза: при частоте ниже 20имп/с оператор-станции наблюдает мерцающие изображения импульсов, вследствие чего наступает быстрое утомление глаз, понижается точность измерений и возрастает вероятность грубых промахов.

Для установления верхнего предела частоты повторения импуль­ сов будем исходить из того, что время между смежными зондиру­ ющими импульсами должно быть больше времени распространения сигнала до объекта, расположенного на расстоянии максимальной дальности, и обратно. Обычно принимают Д ^ т а х = 0,8 Г, понимая под А^тах время распространения сигнала при максимальной дальности. Следовательно, принимая во внимание (134),

От длительности импульса зависят минимальная дальность дей­ ствия станции и точность отсчета по шкале индикатора. Радиогеоде­ зические системы работают с импульсами короче 1 мкс. На время из­ лучения мощного зондирующего импульса антенна отключается от приемника, а приемник заперт. После подключения антенны к при­

96

Регистрация импульса сводится к фиксации некоторого уровня сигнала A P m i n , определяемого чувствительностью устройства. На рис. 38 изображены начальные участки импульсов одинаковой ампли­ туды, но с разной крутизной переднего фронта. Легко видеть, что идеально прямоугольный импульс 1 наиболее удобен для регистра­ ции, тогда как импульсы с пологими фронтами 2 и 3 регистрируются менее уверенно, особенно импульс 3.Отсюда ясно, что форма импульса является одним из факторов, определяющих точность измерения расстояний.

Форма фронта импульсов искажается при прохождении сигнала в атмосфере и при отражении от объекта (при пассивном отражателе). Существенное влияние оказывают -

шумы, вызываемые флуктуациями p(t) тока в цепях станции, грозовыми явлениями, работающими вблизи электрическими установками. Шумы размывают и искажают форму линии импульсов на экране электронно-лучевой трубки. Иска­ жение формы импульсов происхо­ дит также за счет интерференции поверхностной и пространствен­ ной (отраженной от ионизирован­ ных слоев атмосферы) волн.

Опыт показывает, что фиксацию переднего фронта импульса можно выполнить с ошибкой 5—10% от длительности импульса т, что приведет к ошибке измерения времени распространения сигнала mt — 0,1 т. Соответственно ошибка в измеренном расстоянии будет

mD = — mt = 0,05vx,

а следовательно,

20т ,

Итак, для обеспечения высокой точности измерений расстояний необходимо формировать более короткие импульсы.

Несущую частоту (частоту заполнения радиоимпульсов) выбирают в зависимости от назначения и условий работы станции. Считают, что в течение одного импульса должно происходить 300—900 колеба­ ний высокой частоты. Тогда несущая частота определится из равен­ ства

где к — число колебаний, лежащее в указанных выше пределах.

достигнет в момент t2, соответствующий максимальному значению напряжения развертки. Начиная с момента t2 напряжение в импульсе развертки быстро уменьшается и в момент ts становится равным нулю. Одновременно электронный луч возвращается в исходную точку а, где и остается до момента t[, т. е. до поступления следующего пило­ образного импульса. Начиная с момента t[ цикл перемещения про­ екции луча по экрану повторится, тогда как в промежуток времени h — t'i электронный луч проецируется в точку а. При конструирова­ нии радиоаппаратуры этот интервал делают как можно меньше.

Хотя на время излучения зондирующего импульса, как говори­ лось выше, приемник запирается, часть энергии зондирующего им­ пульса через паразитные связи проходит в приемник и после усиле­ ния и детектирования поступает на отклоняющие У-пластины (см. рис. 40, импульс 1). Отраженные радиосигналы после приема и соот­ ветствующего преобразования также подаются на У-пластины и на­ блюдаются на экране в виде второго импульса (импульс 2 на рис. 40). Расстояние I между передними фронтами зондирующего 1 и отра­ женного 2 импульсов при строго прямолинейном характере пило­ образного импульса развертки будет

Если на экране или на прозрачной пластине перед экраном по­ строить шкалу, согласно (141), то, совместив фронт зондирующего импульса 1 с началом шкалы, по фронту отраженного импульса мож­ но отсчитать время àt распространения сигнала в прямом и обратном направлениях. Отсчетную шкалу можно построить также и в едини­ цах длины. Действительно, приняв в (141)

V

найдем, что

где m — линейный масштаб развертки. При совмещении фронта зондирующего импульса с началом такой шкалы отсчет по фронту отраженного импульса сразу укажет расстояние.

Из (142) следует, что точность измерений зависит от длины раз­ вертки — чем она больше, тем точнее измеряется расстояние. Су­ ществует несколько способов удлинения развертки при ограничен­ ных размерах трубки: применение круговой (см. ниже) и спиральной

t