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

в низшую, а низшая — в высшую с сохранением центральной ча­ стоты неизменной (импульс 4). Инверсия .необходима для того, чтобы один и тот же фильтр РСФ, служивший раньше для растя­ гивания импульса, использовать теперь для сжатия. Заметим, что использование одного и того же фильтра для растягивания и сжатия импульса является удачным способом замены двух раз­ ных фильтров, изготовить строго сопряженными которые невоз­ можно. Инвертированный импульс 4 сжимается фильтром, что обеспечивает укорочение отраженного сигнала до нормальных раз­ меров, увеличение мощности в импульсе (в силу закона сохране­ ния энергии) и восстановление нормальной разрешающей способ­ ности по дальности. Средняя частота при прохождении через фильтр получает задержку то. В итоге мы получаем короткий отра­ женный импульс 5, запаздывающий относительно пускового 1 на время прохождения радиоволны до цели и обратно At и на двой­ ное время прохождения по фильтру 2то. При измерении дально­ сти последнее необходимо исключить из рассмотрения.

Рассмотрим теперь работу системы по подвижной цели. В пер­ вом такте все переключатели стоят в положении /, и работа про­ исходит так, как описано выше, за исключением того, что наличие допплеровского эффекта сдвигает спектр отраженного сигнала 3 на величину FD (импульс 3' на рис. 29, в, цель приближается).

Инвертор, оставляя неизменной среднюю частоту f0, превращает спектр отраженного импульса 3' в спектр 4, который после за­ держки на то и сжатия в фильтре превращается в короткий им­ пульс 5, возникающий на выходе фильтра несколько позже, чем

Во втором такте все переключатели стоят в положении 2. Ко­ роткий импульс 1 (рис. 29, г) растягивается фильтром в импульс 2 и теперь перед поступлением в передатчик инвертируется (2'), так что в пространство уходит импульс с обратным законом ча­ стотной модуляции внутри импульса (сравни с отрезками А я В ломаной на рис. 27). Отраженный импульс 3 в силу того, что цель приближается, имеет тот же положительный допплеровский сдвиг FD (импульс 3'). Отраженный импульс теперь подается на сжи­

мающий фильтр без инвертирования (он уже был инвертирован до:

60

излучения) и превращается в импульс 5, несколько опережающий импульс, отраженный от неподвижной цели.

На экране индикатора с линейной разверткой мы увидим по­ очередно то запаздывающий, то опережающий импульсы (рис. 29, д), расстояние между которыми пропорционально ско­ рости:

Средняя точка между импульсами отстоит от нуля дальности (исправленного на 2то) на величину k2r, пропорциональную даль­ ности цели.

Следует отметить, что метод сжатия импульсов и инвертирова­ ния спектра разрабатывался для увеличения дальности действия станции, а возможность измерения скорости выявилась как побоч­ ный результат операций .над импульсами. Поэтому точность изме­ рения скорости этим методом пока еще невысока. Из формулы (56) следует, что для повышения точности измерения скорости следует увеличивать т и уменьшать А/. Последнее противоречит главной задаче, которую решают сжатием импульсов, так как ко­ эффициент сжатия равен

\x = z \ f ,

и при уменьшении Af мы будем терять в разрешающей способ­ ности по дальности. Например, при т= 1000 мксек, Af=l Мгц, а —10 см; п= 300 м/сек мы будем иметь

и. = Ю00; твых = 1 мксек;

Д0 = 6000 г ц ; &,п = 12 мксек,

что удовлетворительно со всех точек зрения, кроме трудностей реализации фильтра.

§ 11. Измерение путевой скорости с помощью эффекта Допплера

Путевой скоростью называют горизонтальную составляющую скорости летательного аппарата относительно земной поверхности. Если известна ее величина и направление, а также начальное ме­ стоположение летательного аппарата, то, интегрируя путевую ско­ рость во времени, мы можем определять его текущее местополо­ жение, а также расстояние, оставшееся до места назначения, и направление к нему.

При наличии на борту измерителя путевой скорости обеспечи­ вается автономная навигация, т. е. объект для достижения места назначения не нуждается в наземных радиосредствах.

Для непрерывной прокладки курса при автономной навигации необходимо непрерывно иметь сведения о величине и направлении путевой скорости, т. е. о величине вектора vn и угле 0 между

61

где ф — курс самолета — угол между меридианом и вектором воз­ душной скорости vB (обычно совпадающим с продольной осью самолета);

Ф— угол сноса — угол между векторами воздушной и путевой скорости; ф^О, если линия вектора ветра овт не совпадает с линией вектора воздушной -скорости ив.

Радиолокационная станция не мо­ жет измерить угол ф. Этот угол изме­ ряется с помощью компаса. Тогда на долю станции остается измерение угла сноса ф и величины вектора пу­ тевой скорости ип.

Принцип измерений путевой скоро­ сти с помощью эффекта Допплера со­ стоит в следующем. С летательного аппарата на земную поверхность на­ правлен радиолуч ОА (рис. 31, а), со­ ставляющий с горизонтальным на­ правлением угол ф. Пусть для про­ стоты вектор скорости аппарата на­ правлен горизонтально (v = vn) и ле­ жит в одной вертикальной плоскости

с радиолучом. Ьудем сначала полагать диаграмму направленно­ сти радиолуча бесконечно острой, а излучение передатчика f0 немодулированным.

Облучаемая в данный момент точка А приближается к объекту со скоростью

Поэтому принятый на объекте-сигнал будет отличаться -по ча­ стоте от посылаемого на допплеровский сдвиг, равный

Если fo и ф известны, то, измерив FD, мы можем определить

скорость и, которая является не радиальной, как это было в пре­ дыдущих параграфах, а путевой.

• Найдем на земной -поверхности геометрическое место точек, для которых при данных fo и v допплеровский сдвиг будет постоянным.. Очевидно, Fd = const, если

7 = const.

Поворачивая мысленно луч вокруг вектора v, как вокруг осиг мы выдерживаем 7 =const. Луч при этом описывает поверхность

62

конуса, а след, прочерчиваемый лучом на поверхности земли, как результат пересечения конической поверхности плоскостью, па­ раллельной оси конуса, будет гиперболой, все точки которой дают, одно и то же значение FD. Повторяя эту операцию для различных

значений 7, мы получим на земле семейство гипербол, каждая из. которых характеризуется своим допплеровским сдвигом (отметим,, что в данном случае гиперболы не являются софокусными). На рис. 31, б это семейство построено так, что допплеровский сдвиг

по величине и по знаку пропорционален номеру соответствующей гиперболы (например, для гиперболы № 5 FD = 5AFD) . Нулевая

гипербола соответствует 7 =90°, отрицательные — 7 >90°. Отрица­ тельный допплеровский сдвиг означает, что от соответствующих точек земли объект удаляется. Важно отметить, что центром се­ мейства гипербол является точка, над которой пролетает объект (семейство гипербол движется по земной поверхности вместе с объектом), а осью симметрии семейства является проекция век­ тора скорости на земную поверхность (путевая линия).

Если радиолуч ОА поворачивать вокруг вертикальной оси 00', выдерживая угол падения а постоянным, то он опишет на земле окружность ABCDEA. При этом допплеровский сдвиг будет

63-

меняться, так как отражающая точка смещается с одной гипер­ болы на другую. Максимальный положительный сдвиг имеет место в точке A (Fd =5&Fd ), максимальный отрицательный (—5AFD) —

в точке С. В произвольной точке Е его можно вычислить или не­

посредственно интерполяцией по графику рис. 31 (Fd ~ 2,4AFd), или с помощью формулы

Максимальный допплеровский сдвиг будет только тогда, когда радиолуч направлен в точку А, лежащую на путевой линии. По­ этому, поворачивая антенну во­ круг вертикальной оси до дости­ жения Fdшахи измеряя угол от­ клонения антенны от продольной оси самолета FO'A, мы опреде­

ляем угол сноса ф.

Метод определения угла сно­ са по максимуму допплеровско­ го сдвига неточен: при отклоне­ нии луча от точки А частота Допплера меняется медленно,так как окружность, по которой сме­ щается луч, и гипербола в точ­ ке А параллельны, а в окрестно­ стях точки А расходятся очень медленно, поэтому потребуется большое отклонение Дф от путе­

вой линии, чтобы изменение FD стало заметным. Кроме того, в обе стороны от точки А сдвиг FD убывает, и, следовательно, метод максимума не дает сведений о направлении отклонения антенны от путевой линии, что затрудняет автоматизацию определения угла сноса. Вспомним, что эти же два недостатка присущи методу максимума диаграммы направленности, используемому при опре­ делении угловых координат.

Наибольшую чувствительность к углу сноса, очевидно, дали бы точки В и D, где окружность и гиперболы пересекаются под пря­ мым углом. Точки по своим свойствам напоминают известный ме­ тод минимума при измерении угловых координат. Недостатком метода минимума является превращение сигнала (FD) в этой точке в нуль. Таким образом, радиолуч, падающий на 90° в сторону от путевой линии, дает максимальную точность измерения угла сноса, но не позволяет измерять величину вектора путевой скорости.

Более подходящим для одновременного измерения v и ф яв­ ляется «равнодопплеровский» (по аналогии с равносигнальным) метод (рис. 32), при котором станция посылает вперед два радио-

64

.луча 0А\ и 0А2, разнесенные на угол б в горизонтальной плоско­ сти и падающие на землю по обе стороны от путевой линии. По­ стоянство угла б поддерживается тем, что обе антенны укреплены на общей платформе. Платформа может поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Если направление полета (вектор v) делит угол б на две рав­ ные части, то оба луча опираются на одну и ту же гиперболу F 0>t

и допплеровский сдвиг в обоих лучах одинаков

Если биссектриса угла б отклонилась от путевой линии влево на угол б], то луч Лi--попадает на гиперболу FDl<FDa,

вает величину отклонения биссектрисы угла между лучами от пу­

тевой линии, а знак этой разности — направление отклонения. Преобразуя эту разность допплеровских сдвигов в пропорциональ­ ное ей напряжение, мы можем использовать последнее в качестве сигнала ошибки для следящей системы, поворачивающей плат­ форму с антеннами до превращения сигнала ошибки в нуль. Так создается система автоматического сопровождения путевой ли­ нии. Угол сноса определяется как угол ВОС между продольными осями самолета и следящей платформы (рис. 32).

На рис. 33, а представлен закон изменения допплеровской ча­ стоты как функция угла рассогласования FD = f ($ — <р) для одно­ лучевого метода (метода максимума) и на рис. 33, б — для двух­ лучевого (равнодопплеровского). Из рисунка видно, в частности,

дольную и поперечную компо­ ненты V[ и v2 (рис. 34). В этом случае не ведется автоматиче­ ского сопровождения путевой линии, антенны А х и А2 жестко связаны с корпусом летатель­ ного аппарата и ориентирова­ ны симметрично относительно его продольной оси под угла­

Выражения в круглых скобках есть искомые компоненты век­ тора скорости

ц, = v cos ф,

С учетом этого формулы (64) и (65) можно переписать

66

сделать даже в случае импульсной передачи, так как в силу равен­ ства путей ОАх= ОА<2. оба отраженных сигнала возвращаются в приемник одновременно. Иными словами, в такой системе можно применить принцип внешней когерентности. Дополнительным

бильности взаимно уничтожаются. В случае однолучевой системы уход частоты передатчика за время распространения сигнала до земли и обратно должен быть мал по сравнению с измеряемым допплеровским сдвигом. '

2.Проекции вектора оп на оба луча равны по величине и про­

2Fd, и ошибка в измерении скорости из-за Ар ничтожно мала. На­ пример, при Ар =1° ит =70° погрешность Аоп достигает величины порядка 0,015%, в то время как однолучевая система дала бы по­ грешность в 5% [11].

4. Вертикальная составляющая скорости не вносит ошибки в определение путевой скорости. В самом деле, пусть полная ско­ рость самолета равна v (рис. 36). Разложим ее на путевую va и вертикальную vB и спроектируем каждую из них на оба луча. Допплеровский сдвиг в переднем луче будет положительным от радиальной компоненты игщ и отрицательным от vrBt

68

определяется только путевой скоростью и не зависит от вертикаль­ ной составляющей.

в себе достоинства обеих двухлучевых. Типичная геометрия лучей янусовых систем показана на рис. 37: трехлучевая (а) и четырех­ лучевая (б) для самолетов и трехлучевая для вертолетов (в) — летательных аппаратов, имеющих угол сноса от 0 до ±180°.

Рис. 37

Для определения всех трех компонент скорости достаточно трех лучей. Четвертый луч иногда добавляют для симметрии. Это поз­ воляет несколько упростить вычислительное устройство, опреде­ ляющее по данным FDi, FD2, FDs и FDi составляющие скорости.

Следует отметить, что все приведенные выше математические связи между отдельными компонентами скорости и допплеров­ скими сдвигами предполагают, что положение вертикали на

69