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

Эти неравенства, если учесть формулу (34а), приводят к ограниче­ нию рабочей частоты неравенством

Вторым недостатком метода является большое время на обзор: в каждом направлении радиолуч должен находиться в течение вре­ мени, пока не будет нарисовано все изображение дальность— скорость, на что требуется несколько сотен периодов повторения.

Рис. 22

Очевидно, имеет смысл использовать индикатор дальность—ско­ рость как дополнение к обычным станциям с тем, чтобы включать его в случае особой необходимости (соответственно замедляя об­

зор).

Существенной трудностью является создание весьма тонкой ча­ стотной модуляции гетеродина: при /7=1000 имп/сек девиация должна быть всего лишь Af=±500 гц, что очень трудно осущест­ вить, если несущая частота равна, например, fo=108 гц. Такую прецизионную частотную модуляцию можно осуществить на зву­ ковой поднесущей, а затем путем многократных смешений со все более высокими стабилизированными частотами переложить ее на высокую частоту. Частота передатчика /о также должна зада­ ваться из этой схемы смешения.

§ 10. Измерение скорости допплеровскими методами при частотно-модулированном сигнале

Возможность применения допплеровских методов для измере­ ния скорости объекта в системах, измеряющих дальность мето­ дами частотно-модулированного сигнала, можно пояснить с по-

мощью рис. 23. Передатчик излучает непрерывные колебания, ча­ стота которых меняется вокруг центральной частоты / 0 в пре­ делах от / н до f B по линейно-ломаному закону А. Сигнал, отражен­ ный от неподвижной цели, имеет тот же закон частотной модуля­ ции В, но запаздывающий

на время At, определяемое дальностью

Строго говоря, допплеровский сдвиг, поскольку он пропорцио­ нален несущей частоте, не одинаков для всех моментов времени: он минимален, когда несущая минимальна (точка D), и максима­ лен, когда несущая максимальна (Е). Однако поскольку fe — f H= = 2Afm<^fo, то этим можно пренебречь и считать, что ломаная С, изображающая сигнал, отраженный от приближающейся цели, тождественна сдвинутой вверх на Fv ломаной В. Разностная частота для этого случая показана сплошной ломаной С'. Макси­ мальные ее значения в обоих полупериодах F\ и F2 теперь неоди­ наковы и соответственно равны [8]

F , = F r — F„

F2 = Fr + Fv.

Из этих равенств непосредственно следует, что

нальные скорости и дальности. Измерить Fx и Fs можно с помощью счетчиков С1 и С2, считающих чи­

определяется тем, у какого из двух счетчиков показания выше. Приме­ няя двоичные счетчики и подавая результаты их работы на простей­ шие вычислительные устройства, выполняющие соответственно опе­ рации вычитания и суммирования, мы получаем данные о скорости и дальности в двоичной форме, удоб­

ной для подачи в вычислительную машину.

Одним из недостатков метода является трудность создания точного линейно-ломаного закона модуляции. Простейший же си­ нусоидальный закон модуляции здесь очень неудобен: как видно из рис. 23, разностная частота F'v в этом случае будет переменной в пределах интервала работы счетчика Т0.

обратном неравенстве (близкая быстрая цель) показания дально­ сти и скорости будут ложными.

Из рис. 24 следует, что если Fv > Fr, то

F1= FV- F r

F-i — Fv -f- Fr,

52

Сравнение этих формул с формулами (47) показывает, что те­ перь измеритель скорости начинает показывать дальность, а из­ меритель дальности — скорость. Поскольку же масштабы обоих измерителей, определяемые формулами (46) и (46а), различны, то пользоваться этими показаниями затруднительно. Недостаток вы­

тельная.

.Легко видеть (рис. 23, Fр) , что если бы синусоида разностной частоты F' не искажалась, то скорость цели всегда однозначно определялась бы «постоянной составляющей» Fv разностной ча-

Рис. 25

стоты, а дальность — «амплитудой переменной составляющей» Fr'. Но для этого разностную кривую F' необходимо сместить вверх

по оси частот так, чтобы она нигде не касалась оси абсцисс. Нечто подобное произошло с.Fp на рис. 24, когда FV> F г.

Сместить кривую разностной частоты можно методами гетеро­ динирования. Правда, при этом возникает новая проблема: вели­ чина смещения частоты должна быть очень стабильной и точно известной, чтобы мы могли ее учесть и этим самым выявить и из­ мерить наложенную на нее величину Fv.

Схема рис. 25, предложенная профессором Мухаммедом Абд Аль-Вахаб Исмаилом (ОАР) [8], позволяет реализовать эти идеи. Покажем принцип ее работы на численном примере.

Модулятор М вырабатывает синусоидальное колебание ча­ стоты /гм = 100 гц. Передатчик модулируется этим колебанием и питает антенну A t частотно-модулированным колебанием с цент­ ральной частотой /о= 1500 Мгц и девиацией Afm = ± l Мгц. Мгно­ венное значение частоты передатчика равно

/прД= /о + A/ m sin 2-FJ.

53

Это же колебание поступает на смеситель См 1, где оно смеши­ вается с частотой fr] = 120 Мгц гетеродина Г\. Фильтр Ф{ выделяет разностную частоту

точно высокой, чтобы фильтр Ф1 надежно подавил все частоты, кроме разностной / . С другой стороны, частота fr] должна быть как можно ниже, чтобы обойтись меньшим числом преобразо­ ваний.

Мгновенная частота /прм принимаемого сигнала, отраженного

от подвижной цели, будет отличаться от мгновенной частоты пе­ редатчика, во-первых, допплеровским сдвигом Fv и, во-вторых, временным сдвигом, пропорциональным дальности,

Ограничиваясь для простоты случаем малых дальностей, когда

мы можем полагать

2г

тогда

Приняв для безразмерного множителя, пропорционального дальности, обозначение D

(5 1 )

имеем окончательно

Л. =/п — - - Af n F > c o s 2 ^ F j .

54

Итак, на выходе УПЧ1 мы имеем частотно-модулированное ко­ лебание с центральной частотой f n — Fv, несущей в себе инфор­ мацию о скорости Fv, и модуляцией частоты по косинусоидаль­ ному закону с девиацией, пропорциональной дальности.

Поскольку, однако, центральная частота очень высока по срав­ нению с полезным допплеровским сдвигом Fv и, кроме того, она нестабильна (гетеродин / г1 дестабилизирован), то предстоит еще понизить центральную частоту и устранить ее нестабильности. Дальнейшая часть схемы служит для решения этих задач.

С помощью гетеродинов Гг и Г2, смесителя См3 и фильтра Ф2 вырабатывается частота f2

/ г = / п —/г2= 120 — 4 = 116 Мгц.

С помощью смесителя См4 и фильтрующих свойств УПЧ2 ча­ стота /п1 преобразуется во вторую промежуточную / п2

/п 2 = /п1 — /г = /г2 — Fv — 4 m D C O S 2~Fj.

С помощью гетеродинов Г2 и Г3, смесителя См5 и фильтра Ф3 вырабатывается частота f3

/ з = / г 2 — /гз = 4 — 0,1 = 3 ,9 Мгц.

С помощью смесителя Смб и фильтрующих свойств УПЧЗ ча­ стота /„2 преобразуется в третью промежуточную fn3

Угз= 0,1 Мгц = 105 гц.

Частота / п3 равна

/пз = 105 — 3000 — 12600 cos 2тт1001 гц.

Ограничитель снимает паразитную амплитудную модуляцию, и частота /пз поступает на частотный дискриминатор, настроенный на частоту / г3= 100 кг^. Выходное напряжение дискриминатора повторяет по форме закон изменения входной частоты. Как видно из рис. 26,

(Jr = SkfmD — амплитуда переменного напряжения частоты FM— = 100 гц, пропорциональная дальности;

S — крутизна характеристики дискриминатора.

55

Напряжение скорости подается на стрелочный прибор постоян­ ного тока, градуированный в м/сек. Переменное напряжение даль­ ности проходит через узкополосный усилитель УУ и поступает на стрелочный прибор переменного тока, -градуированный в км.

Из формулы (52) видно, что в выражение частоты fпз* пода­ ваемой на дискриминатор, не входят ни fo, ни fri, ни fr2, и, следо­ вательно, медленные уходы этих частот никак не сказываются на показаниях приборов. От гетеродина Г3, частота которого f r3=

= 100 кгц входит в формулу (52), требуется сравнительно невысо­ кая стабильность: если требуется измерять скорость с точностью

ивых

Рис. 26

до 0,1 м/сек (измерять Fv с точностью до 3 гц), то допустимая не­ стабильность

что легко достигается с помощью кварцевой стабилизации. Точ­ ность измерения скорости зависит также от точности настройки дискриминатора.

К числу достоинств системы на рис. 25 можно отнести высо­ кую точность измерения дальности и скорости, отсутствие ложных показаний во всем диапазоне измеряемых дальностей и скоростей, зозможность точного измерения весьма малых дальностей, срав­ нительную простоту передатчика, стабильность работы прием­ ника, простоту и устойчивость его настройки, применимость в лю­ бом диапазоне волн.

В отличие от метода линейно-ломаной модуляции, выдававшего выходные данные в дискретной форме, здесь они выдаются в ана­ логовой форме, менее удобной для вычислительных машин дис­ кретного действия.

Проблема одновременного измерения дальности и скорости многих целей методом частотной модуляции очень сложна. Ли­

56

ней'но-ломаная модуляция, показанная на рис. 23, в случае на­ личия п целей дает два ряда показаний

FrU Fr2. . .Frn;

содержащих в себе сведения о дальности и скорости всех целей. Однако между членами двух рядов невозможно установить одно-

Рис. 27

зкачную связь (невозможно измеренной величине Fv приписать определенный индекс, т. е. установить, к какому из членов одного ряда относится тот или иной член другого ряда), и поэтому эти

F, эти три уравнения изо­

бражаются тремя прямыми. Точка пересечения этих трех прямых (рис. 28) определяет решение системы трех уравнений. Для оты­ скания решения для одной цели достаточно было бы любой пары уравнений, например Fм и FВ1, вполне однозначно определяющих точку г. Однако если целей две (г и k), то точек пересечения ока­ залось бы четыре: верные г и k и, неверные, 1 и 2. Для устранения

57

Заметим, что вовсе необязательно, чтобы крутизна третьего участка модулирующей ломаной равнялась нулю. Можно соста­ вить модулирующую ломаную из трех участков любой крутизны. Важно лишь, чтобы крутизна трех участков была различной. Тогда графическим решением системы трех уравнений будет точка пе­ ресечения трех наклонных прямых с различным наклоном.

Приведенный на рис. 28 процесс решения системы трех урав­ нений должен быть автоматизирован. Это можно сделать как с по­ мощью вычислительной машины, так и с помощью электронно-лу­ чевого индикатора (который в этом случае, конечно, также яв­ ляется своеобразной вычислительной машиной).

Интересные возможности для измерения скорости заложены в системах, использующих для повышения потенциала радиолока­ ционной станции принцип сжатия импульсов. Импульс такой стан­ ции имеет довольно глубокую внутриимпульеную частотную моду­ ляцию несущей.

Если нарастание частоты в одном зондирующем импульсе бу­ дет происходить от начала к концу, а во втором — от конца к на­ чалу, то на выходе сжимающего фильтра цель может быть пред­ ставлена на оси дальности парой импульсов, разнесенных друг относительно друга на величину, пропорциональную скорости цели, а центр пары будет отмечать дальность цели [10].

Рассмотрим коротко работу схемы, в которой реализуются принципы сжатия и расщепления импульсов (рис. 29, а).

Генератор короткого импульса ГКИ создает видеоимпульс, до­ статочно короткий, чтобы его спектр с избытком перекрывал по­ лосу пропускания А/ растягивающе-сжимающего фильтра РСФ. На рис. 29, б этот импульс упрощенно изображен вертикалью 1, перекрывающей полосу А/ по оси частот. Этот спектр частот за­ держивается растягивающим фильтром, обладающим тем свой­ ством, что время задержки максимально для нижней частоты и минимально для верхней (для средней оно равно* То). В резуль­ тате в передатчик поступает растянутый импульс 2 длительностью т, заполненный частотно-модулированным колебанием с девиа­ цией Af. В передатчике путем гетеродинирования центральная ча­ стота импульса повышается (с сохранением девиации), колеба­ ния усиливаются и излучаются в качестве зондирующего импульса. Большая длительность зондирующего импульса (т>100 мксек) позволяет при предельно допустимой для фидеров мощности по­ лучить большую энергию в импульсе по сравнению с коротким им­ пульсом при предельной мощности и этим самым увеличить даль­ ность действия станции.

Отраженный импульс 3 поступает в приемник и после усиле­ ния— в инвертор спектра ИС — устройство, в котором с помощью гетеродинирования высшая частота заполнения превращается

.58