книги из ГПНТБ / Маковецкий П.В. Радиотехнические методы измерения скорости учебное пособие

устройства перед стартом, последнее вычисляет расстояние гС оставшееся до пункта назначения, и направление 0Сна этот пункт. Если в ВУ вводятся данные о воздушной скорости vв, то, решая навигационный треугольник рис. 30, ВУ определяет скорость v вг и направление 6Вт ветра.

Все вычисленные данные могут быть поданы на приборную: доску ПД. В случае беспилотного летательного аппарата вычисли­ тельное устройство должно обрабатывать входные данные так, чтобы выходные данные имели вид, удобный для автопилота, т. е. в виде команд вправо—влево и вверх—вниз (для чего в ВУ необ­ ходимо вводить также высоту /г от радиовысотомера).

Точность системы опреде­ ляется точностью самого грубого звена, каковым в: данном случае является, компас. Она обычно не ху­ же 1 % от пройденного пути [16]. До внедрения доппле­ ровских измерителей путе­ вая скорость определялась по воздушной и скорости ве­ тра. Самым грубым звеном был измеритель воздушной скорости, погрешность составляла 4—5% от пройден­ ного пути [16]. Важным до­

стоинством допплеровского измерителя является то, что он измеряет вместо воздушной истинную путевую скорость аппа­ рата относительно земной поверхности и в принципе не нуждается в сведениях о ветре.

Сведения о воздушной скорости в ВУ вводятся на случай про­ падания сигнала на входе допплеровской системы (полет над штилевой поверхностью воды, резкие эволюции аппарата, при ко­ торых радиолучи теряют-контакт с земной поверхностью). В этом случае вычислительное устройство запоминает вычисленный ранее по оп и vB вектор ветра и продолжает определять »п по и vBT. Точность сохраняется, пока .не изменится сила или направлениеветра.

К числу достоинств допплеровской системы автономной нави­ гации можно отнести независимость от наземного оборудования, сравнительно высокую точность, возможность полета по любым траекториям (никак не связанным с какой-либо сеткой типа гипер­ болической и др.).

Среди недостатков следует назвать наличие излучения на борту летательного аппарата, а также увеличение абсолютной ошибки определения местоположения с увеличением дальности полета. Недостатком является также то, что точность системы существенно^ ухудшается при полете в околополярных областях, так как там„

90

во-первых, снижается точность компаса и, во-вторых, поскольку Р—>90°, то ухудшается точность устройства, вычисляющего долготу по формуле (91).

Помимо основной задачи автономной навигации, допплеров­ ский измеритель может решать некоторые оригинальные задачи, среди которых мы упомянем две [17].

1. Поиск оси струйного течения в атмосфере. На больших вы­ сотах существуют довольно устойчивые воздушные течения боль­ шой скорости. Если такое течение попутно летательному аппарату, то имеет смысл максимально его использовать. Для этого само­ лет должен пересекать его, пока допплеровский измеритель не по­ кажет. максимальный угол сноса (максимальная скорость воздуха на оси струи), после чего необходимо развернуть самолет в сто­ рону сноса так, чтобы угол сноса обратился в нуль. Это дает пол­ ное использование ветра.

тенны), следящей за путевой линией.

§15. Измерение производной от частоты Допплера

Радиальное ускорение объекта пропорционально производной от частоты Допплера по времени. В случае радиолокации

кета подсчитываемых импульсов, то ускорение можно найти по разности двух последовательных показаний скорости

Переход от дифференциалов к конечным приращениям озна­ чает отказ, от измерения мгновенного ускорения и переход к сред­ нему его значению по интервалу Тс. С учетом формулы (93) имеем59

91

определяется тем, что счетчик считает целое число импульсов. Поэтому абсолютная точность не зависит от величины ускорения, а относительная точность тем выше, чем больше ускорение. Сле­ дует заметить, что точность измерения ускорения хуже точности

сти п2— щ.

Максимальную погрешность ускорения можно определить ис­ ходя из того, что числа п2 и П\ измерены с максимальными по­

92

а счету подвергаются импульсы генератора эталонной частоты / э (рис. 44), то

где

л _ СД/э

2 /07 у

Максимальная погрешность определяется из выражения

определяется таким же выражением, как и ранее [см. формулу (97)], но поскольку сейчас число подсчитываемых импульсов зна­ чительно выше, то и погрешность меньше.

Если допплеровская частота измеряется одним из методов ав­ томатического слежения за частотой, то ускорение можно найти путем дифференцирования напряжения Uv или, что то же самое, путем измерения сигнала ошибки на входе интегратора. Однако поскольку в силу самого принципа слежения система устроена так, чтобы сигнал ошибки свести к нулю, то точность измерения будет в этом случае невысока. Ускорение можно измерить намного точ­ нее, если в системе слежения за частотой применить два интегра­ тора. Тогда ошибка слежения будет пропорциональна производ­ ной от ускорения, а с выхода первого интегратора можно снять напряжение ускорения Uw и с выхода второго — напряжение ско­ рости Uv.

§ 16. Измерение путевой скорости корреляционным методом

Недавно предложен метод измерения путевой скорости, осно­ ванный на измерении взаимной корреляции между огибающими отраженных от земли сигналов, принятых двумя антеннами, раз­ несенными вдоль продольной оси движущегося объекта [18].

Пусть передатчик и два приемника расположены на прямой, совпадающей с направлением вектора путевой скорости vn

93

(рис. 50). Приемники расположены симметрично относительно пе­ редатчика на расстоянии I. Передатчик излучает в сторону зем­ ной поверхности непрерывные «смодулированные колебания «а волне, дающей диффузный характер отражения от местности. Все три антенны имеют одинаковые и достаточно широкие диаграммы направленности. В передний приемник поступают сигналы, отра­ женные от всех точек земли, находящихся в пределах совмест­ ного действия антенн А0и А\.

Длина путей А0ВАи А0САХи т. д. различна и из-за неровностей рельефа случайна, поэтому сигналы в приемнике от всех точек складываются со случайны­

ми фазами.

Если объект неподвижен, то все пути постоянны, фазо­ вые отношения постоянны, суммарный сигнал в прием­ нике имеет случайную, но постоянную величину. Отме­ тим, что эта величина будет точно такой же, если пере­ датчик и приемник поменять местами, так как длина всех путей останется той же.

Если объект несколько сместится, то все пути изме­ нятся, фазовые соотношения станут иными (причем, чем короче волна, тем сильнее изменяются фазовые соот­ ношения при данном смеще­ нии). В результате получаем новое соотношение фаз, тем меньше связанное с преды­ дущим, чем больше сме­ стился объект.

При непрерывном движении объекта амплитуда результирую­ щего сигнала будет непрерывно принимать все новые значения. Огибающая Ui (после детектора) будет некоторой случайной функцией, определяемой рельефом местности. Не нужно думать, однако,- что отдельные выбросы огибающей изображают собой от­ дельные детали местности: диаграмма направленности весьма ши­ рокая и отдельные детали не могут быть разрешены. Каждый вы­ брос есть результат случайного совпадения фаз сигналов от многих отражателей, находящихся в пределах диаграммы направленно­ сти, каждый провал — результат случайного вычитания многих противофазных сигналов.

Точно такая же огибающая была бы и в случае, если бы пере­ датчик и приемник поменялись местами. Именно это и произойдет

94

через отрезок времени тз, за который объект сместится вперед на путь I: тогда передатчик займет место ЛРМи а ПРМ2— место пе ­ редатчика. В этот момент на выходе ПРМ2 будет сигнал U2, мгно­ венное значение которого равно мгновенному значению сигнала Uu имевшему место т3 секунд назад на выходе ПРМХ. Это верно для любого момента, и таким образом форма сигнала U2 с запозда­ нием т3 в точности повторяет форму сигнала Их. Остается изме­ рить это запоздание и вычислить путевую скорость по формуле

релометром. Оно состоит из задерживающего элемента, умножаю­ щего и интегрирующего устройств (рис. 51).

Наблюдая за £?(т3) и поддерживая ее максимальной путем воздействия на величину т3, мы этим самым определяли бы т3.

.а следовательно, и &„• Однако метод максимума корреляции, как и любой метод мак­

симума, обладает одним существенным недостатком: при откло­ нении наблюдаемой величины от максимальной нам не известен

знак отклонения.

Очевидно, для автоматизации измерения т3 следует вместо ме­ тода максимума применить аналог равносигнального метода — метод «равнокорреляционный». На рис. 52 показана функциональ­ ная схема, способная автоматизировать измерение путевой скоро­ сти по этому методу. На вращающемся магнитном барабане МБ записывающая головка Го записывает сигнал Ux (t) с выхода пер­ вого приемника. С выхода читающих головок Л и Г2 сигнал сни­ мается с задержками t3i —Ат и т31+ Дт, определяемыми скоро­ стью вращения барабана и окружными расстояниями Г0Г1 и Г2Г2. Эти две схемы задержки входят в состав двух различных коррело­ метров. Верхний из них вычисляет функцию

95

нижний — функцию

т

^ 2 = 4 ^ j и \ \ t — ( Т31 + Дт)] u 2{t)dt.

о

Обе вычисленные величины поступают на схему вычитания, выделяющую сигнал ошибки. Если R i = R2, то сигнал ошибки ра­ вен нулю, на выходе интегратора И напряжение имеет постоян­ ную величину, и мотор М вращает барабан с постоянной скоро­ стью, соответствующей пра­ вильной средней задержке Тз1 между записью и чте­

нием, т. е. Тз1=тз. Следовательно, скорость

вращения барабана пропор­ циональна путевой скорости.

щаться быстрее, пока вновь не будет достигнуто равенство задер­ жек и сигнал ошибки не обратится в нуль. Если скорость объекта уменьшится, то сигнал ошибки будет иметь противоположный знак. Г3— стирающая головка, подготовляющая барабан к за­ писи продолжения кривой U\{t).

При выборе величины Ат следует помнить, что наибольшую чувствительность к рассогласованию имеет участок корреляцион­

корреляционной кривой определяется не только скоростью объекта» но и шириной диаграммы направленности, высотой полета, дли-

96

ной волны, а также зависит от характера местности, над которой пролетает объект.

Полная система измерения путевой скорости и угла сноса при корреляционном методе предполагает наличие четырех приемных антенн, расположенных на общей платформе. Две следящих си­ стемы обеспечивают регулировку задержки времени (измерение скорости) и ориентацию антенной платформы в азимутальной пло­ скости (измерение угла сноса).

Корреляционный метод обладает некоторыми преимуществами перед допплеровским.

1. Некритичность ширины диаграмм направленности позволяет уменьшить габариты антенн.

2. Метод не чувствителен к продольным и поперечным, кренам, поскольку угол наклона антенн не имеет значения.

3. Система одинаково хорошо работает над сушей и морем, не требуя изменения калибровки.

То, что поверхность моря неспокойна, не влияет на функцию взаимной корреляции, так как в течение времени Тз, измеряемого миллисекундами, поверхность моря можно считать неизменной, «застывшей».

Стоит отметить, что в основе корреляционного метода измерения скорости также по существу лежит эффект Допплера: флюктуации отраженного сигнала являются результатом биений друг с другом сигналов, отраженных от точек, расстояния которых от объекта меняются неодинаково. Это так называемый вторичный эффект Допплера.

§ 17. Акустические методы измерения скорости

Если объект, наблюдатель и вся трасса сигнала находятся в акустической среде, т. е. среде, способной переносить звуковые коле­ бания, то для измерения скорости могут быть использованы акусти­ ческие методы. Последние также основаны на эффекте Допплера. В принципе все рассмотренные выше методы могут быть перенесены и в акустику. Например, возможно создание импульсного звуко­ локатора, измерителя путевой скорости и т. д. Поэтому во избе­ жание повторений здесь мы рассмотрим только отличия акустиче­ ских методов от радиотехнических.

Первое, принципиальное отличие состоит в том, что в акустике допплеровский сдвиг определяется не относительной скоростью приемника и передатчика, а скоростью того и другого относительно акустической среды, причем зависимости для передатчика и прием­ ника различны. Если приемник неподвижен, а передатчик движется относительно среды (с радиальной скоростью vT относительно той точки среды, в которой находится приемник), то

V* (107>

I T T

Здесь знак минус соответствует приближению передатчика, плюс — удалению. Если же передатчик неподвижен, а приемник движется

•относительно среды, то

Здесь приближению соответствует знак плюс. Если скорость объ­ екта vr значительно меньше скорости звука с, то обе формулы практически совпадают. При скоростях, близких к звуковым, фор­ мулы различаются существенно.

Второе отличие заключается в том, что при использовании

.'акустических методов скорость объекта часто составляет большую величину от скорости распространения волн (иногда даже vr >c). Поэтому относительный допплеровский сдвиг в акустике суще­ ственно больше и может во много раз превосходить полосу пропу­ скания приемника, что следует учитывать при настройке и выборе полосы. Е1апример, при удалении приемника от передатчика со

•скоростью vr — c\ FD=f0± f npri = 0, а при vr >спринимаемая частота становится даже «отрицательной», так как допплеровский сдвиг превосходит несущую. В радиотехнике этот случай невозможен, так как vr не может превзойти скорость радиоволн.

Третье отличие состоит в том, что скорость распространения ко-

.лебаний существенным образом зависит от температуры среды.

при Т=300°К она возрастает на 5%, с чем нельзя не считаться. Измерения осложняются, если температура вдоль трассы непо­ стоянна.

Важной особенностью является также влияние турбулентностей среды вдоль трассы на точность. Порывистый ветер уменьшает точность измерений.

Затухание звука в газах растет с частотой (приблизительно пропорционально квадрату частоты). Затухание звука в воздухе на частоте 100 кгц составляет величину 4 дб/м, поэтому более высокие частоты в воздухе применяются редко. В воде^такое зату­ хание наступает при частоте порядка 5 Мгц. ,

В акустике имеется практическая возможность автономного измерения скорости объекта относительно среды с помощью бор­ товых взаимно неподвижных передатчика и приемника, разнесен­ ных на расстояние L. Можно показать, что в этом случае фазо­ вый сдвиг между передаваемым и принимаемым сигналами, помимо величины, пропорциональной расстоянию L, получает дополнительное приращение, пропорциональное скорости приемо­ передатчика относительно среды.

Пусть приемо-передатчик неподвижен. Фаза колебания в пере­ датчике

и в приемнике

тде At -— время запаздывания сигнала в пути. Разность фаз

можно измерить, если между передатчиком и приемником, помимо акустической связи, имеется электрическая (например, проводная). Для этого колебания, принимаемые по обоим каналам, необходимо подать на фазометр. Запаздыванием сигнала в электрическом ка­ нале по сравнению с запаздыванием в акустическом можно прене­

бречь.

Пусть теперь приемо-передатчик движется, причем вектор ско­ рости ориентирован вдоль прямой передатчик—приемник. Путь сигнала в акустическом канале будет L + S>L, где S ■—путь, прой­ денный приемником за время распространения сигнала. Фазометр покажет

Поскольку

L + S = c A t ; S ^ v A t ,

то, исключая из этих формул At и решая относительно S, имеем

или

(109

”с (с — V)

Для .малых скоростей (г/ С с)

Если передатчик и приемник поменять местами, то знак раз­ ности фаз Лф, вызванной скоростью, изменится на противополож­ ный (знак фi останется тем же). Величину Дф на фоне Фх можно выделить либо путем начальной компенсации ф£ (благодаря зара­ нее известному значению L), либо путем установки двух приемо­ передатчиков, ориентированных встречно. Второй путь предпочти­ тельнее, так как позволяет компенсировать уход фазы ф/., вызван­ ный изменением с. Чувствительность метода оказывается весьма высокой: при /о == 105 гц, L=\ м, с=330 м/сек и точности фазо­ метра 0,1 рад точность измерения скорости составляет 0,02 м/сек.