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

мощности показан на рис. 38, б с учетом боковых лепестков. Из рис. 38, а следует, что

и не зависит от скорости. Следовательно, абсолютная ширина ДЕф пропорциональна скорости, так как ей пропорциональна центральная частота спектра FD .

Относительная ширина спектра довольно велика: при 7 = 70°

И е= 4°

0,2.

Для ее уменьшения необходимо сужать диаграмму направлен­ ности.

Немонохроматичность сигнала осложняет измерения частоты. Задача теперь состоит в том, чтобы измерить центральную частоту сплошного допплеровского спектра. Заметим, что при измерении скорости точечного объекта отраженный сигнал был монохромати­ ческим независимо от ширины диаграммы направленности. Если объект не является точечным, то даже, если его угловые размеры малы по сравнению с шириной диаграммы направленности, моно­ хроматичность допплеровского спектра теряется, так как отдель­ ные точки объекта имеют различные радиальные скорости. Это осо­ бенно сильно выражено, если объект имеет собственное вращение. Например, скорость вращения Венеры вокруг своей оси была из­ мерена по расширению допплеровского спектра, пропорциональ­ ному разнице в радиальных скоростях набегающего на наблюда­ теля и убегающего от него краев шара.

Некоторое влияние на форму допплеровского спектра оказы­ вает характер отражающей поверхности. На рис. 39, а показаны зависимости коэффициента обратного рассеяния rj (в дб) от угла

кальные свойства. Последние проявляются тем сильнее, чем спо­ койнее море и чем больше угол падения: при его увеличении все большая часть энергии отражается зеркально и не возвращается

71

в приемник. В результате, поскольку ширина диаграммы направ­ ленности конечна, в пределах диаграммы направленности коэф­ фициент обратного рассеяния от моря заметно меняется: он больше для больших углов ? (ответственных за низкочастотный край допплеровского спектра). Рис. 39 иллюстрирует это явление (масштаб оси допплеровских частост нелинеен: он связан с масш­ табом оси 90°— т формулой (59)). Для наглядности выбран угол

суши и моря (1 балл вол­ нения) равны. В преде­

полете над морем ниже, чем при полете над су­ шей, несмотря на то, что путевая скорость не из­ менилась

F’o0 < Fn

Это приводит к систематической ошибке, тем большей, чем спокойнее море. Ошибку обычно исправляют путем введения по­ правочного коэффициента в вычислительное устройство в момент перехода от суши к морю.

Кроме этой основной погрешности, полет над морем по доппле­ ровской системе связан еще с двумя источниками ошибок.

1. Поскольку путевая скорость измеряется относительно отра­ жающей поверхности, то полет над участками моря, имеющими собственную скорость (морские течения), будет сопровождаться систематической ошибкой: встречные течения увеличивают пока­ зания измерителя путевой скорости, попутные уменьшают.

2. Хаотическое собственное движение отдельных отражателей (брызг и др.) расширяет допплеровский спектр, а упорядоченная составляющая этого движения (ориентированная по ветру) сме­ щает центральную частоту спектра (тем больше, чем больше ско­ рость ветра). На суше ветер не вызывает упорядоченного дви-

72

жения отражателей, а лишь хаотическое (качание деревьев

и ДР-) - Относительная величина этих погрешностей и их влияние на

точность счисления пути тем меньше, чем больше скорость объекта по сравнению со скоростью ветра и морских течений.

Отметим, что систематическое движение морских волн не вы­ зывает систематической ошибки, так как оно не приводит к си­ стематическому (а только к колебательному) перемещению отра­ жателей.

§ 12. Свойства допплеровских систем с различными видами излучения

По типу излучения допплеровские системы измерения путевой скорости делятся на системы с непрерывным, импульсным и им­ пульсно-непрерывным излучением.

Системы с непрерывным излучением отличаются простотой схемы (не нужен модулятор и когерентный гетеродин, так как роль гетеродина может выполнять сам передатчик), а также узкополосностью: отраженный сигнал требует от приемника полосы пропускания всего лишь в несколько килогерц. Вся энергия доп­ плеровского спектра сосредоточена в одной (хотя и размытой) спектральной линии. Это обеспечивает высокую чувствительность,, возможность работы на малых передаваемых мощностях (доли, ватта) и простоту приемника.

Основным недостатком систем с неперывным излучением яв­ ляется трудность развязки передатчика и приемника. Даже при работе на раздельные приемную и передающую антенны мощность, проникающая из передатчика в приемник напрямик, слишком ве­ лика. При работе же на одну антенну для развязки требуются весьма сложные направленные ответвители, которые в настоящеевремя еще не дают требуемой развязки. Иногда для развязки при­ бегают к излучению частотно-модулированных колебаний. Схема передатчика и измерителя при этом усложняется.

Сложной проблемой являются также шумы передатчика. Источниками их являются как флюктуации тока, которые пропор­ циональны корню квадратному из тока сигнала (в данном случае огромного), так и различные виды паразитной амплитудной мо­ дуляции (вызванной, например, вибрацией обтекателя передающей антенны). Мощность помех от паразитной модуляции, просачи­ вающихся из передатчика в приемник, пропорциональна мощности передатчика, и, следовательно, при отсутствии надлежащей раз­ вязки невозможно увеличить дальность действия путем увеличения мощности передатчика.

Впрочем, во всех допплеровских системах не требуется боль­ шой мощности передатчика, так как мощность принимаемого сиг­ нала обратно пропорциональна не четвертой, а всего лишь второй степени высоты полета, поскольку эффективная отражающая

73,

поверхность «радиопятна» не постоянна, а меняется пропорцио­ нально квадрату высоты полета. Заметим, однако, что в импульс­ ных системах при работе на больших высотах’эффективная отра­ жающая поверхность земли растет пропорционально первой степени высоты, так как дальнейшее расширение «радиопятна» в радиальном измерении приводит к такому удлинению отраженного сигнала, при котором уже не происходит суммирования мощностей от всех отражателей. Поэтому на больших высотах отношение сиг­ нала к шуму изменяется обратно пропорционально кубу высоты.

Импульсными допплеровскими системами называют системы,

работающие по принципу излучения коротких по сравнению с пау­ зой импульсов (скважность v>20). Главным достоинством им­ пульсной системы является полная развязка передатчика и прием­ ника за счет разделения передачи и приема во времени. Однако при этом для выделения допплеровской частоты методами внут­ ренней когерентности требуется наличие когерентного гетеродина, запоминающего фазу передатчика на все время приема. Метод внешней когерентности (янусовы системы) освобождает нас от не­ обходимости иметь когерентный гетеродин, но амплитуда сигнала разностной частоты при этом оказывается существенно меньшей (амплитуда, как известно, пропорциональна произведению ампли­ туд смешиваемых сигналов и очень мала, если оба сомножителя малы).

К числу недостатков импульсного метода можно отнести широкополосность- и связанную с ней пониженную чувствительность

.74

приемника, а также меньшую эффективность использования доп­ плеровских составляющих спектра, связанную с тем, что доппле­ ровским спектром модулирована каждая из гармоник частоты повторения импульсов, а используется только первая допплеров­ ская спектральная линия.

Малая длительность импульсов может помешать реализации принципа внешней когерентности. Пока объект с янусовой систе­ мой находится над ровной местностью (рис. 40, а), ОАх= ОА2 и отраженные импульсы А х и А2 из переднего и заднего лучей при­ ходят одновременно и могут служить друг для друга опорными колебаниями. Однако при неровном рельефе или нестабильности местной вертикали объекта (рис. 40, б) ОАх^=ОА2, и отраженные

Рис, 41

импульсы, возвращаясь неодновременно, не могут вступить в бие­ ния. Этот недостаток можно преодолеть расширением диаграммы направленности (рис. 40, в). В этом случае отраженные импульсы оказываются заметно длиннее зондирующего (ОЛ|^=ОЛ") и, не­

смотря на разновременное возвращение, частично перекрываются (в течение интервала At) . Однако расширение диаграммы направ­ ленности следует осуществить так, чтобы, удлиняя отраженный импульс, по возможности не расширить допплеровский спектр. Простое расширение сечения диаграммы направленности от Gx до G2 (рис. 41) привело бы наряду с расширением спектра дально­ стей с AR до AR' к расширению спектра радиальных скоростей с ДЕддо AF'd. Если же растянуть сечение диаграммы направлен­

ности (G3) вдоль гиперболы, то мы получим расширенный спектр дальностей AR' при том же спектре скоростей AFD. Если система

имеет слежение за путевой линией, то ориентация «радиопятна» вдоль гиперболы в полете сохраняется.

Допплеровская система предъявляет особые требования к ча­ стоте повторения импульсов. На период допплеровского колебания должно приходиться не менее двух импульсов (следствие

75

известной теоремы Котельникова), иначе появляется неоднознач­ ность в измерении скорости.

Частота повторения импульсов должна быть Д>40 000 имп[сек, т. е. существенно большей, чем в дальномерном радиолокаторе.

Максимальная дальность, которую при такой частоте повторе­ ния можно измерить однозначно, равна

Таким образом, расширяя диапазон однозначно определяемых скоростей, мы вынуждены сужать диапазон однозначно определяе­ мых дальностей. Преодолеть указанное противоречие можно, если использовать частоту повторения достаточно низкую, обеспечи­ вающую однозначное измерение дальности, а возникающую при. этом неоднозначность в допплеровских измерениях скорости раз­ решать с помощью грубого измерения скорости методом диффе­ ренцирования дальности (или системой АСД с двумя интеграто­ рами). Точность дифференцирования дальности при этом должна быть достаточно большой, чтобы позволить определить, какой из участков ломаной рис. 15, ж в данный момент используется. Дру­ гой путь — использование двух передатчиков с различными часто­ тами повторения Fi и F2, находящимися в соотношении

где п — целое число. Каждая из этих частот достаточно высока, чтобы обеспечить однозначное измерение скорости .(рис. 14). Вы­ бирая достаточно большое п, можно обеспечить условие одно­ значного измерения дальности:

j2/~шах

^с '

Допплеровский измеритель скорости обычно не используется для измерения дальности. Но ограничения, вытекающие из фор­ мулы (76), оказывают свое влияние на измерение скорости. Они приводят к эффекту «слепых» высот. Существо этого эффекта со­ стоит в том, что на некоторых высотах полета отраженный им­ пульс возвращается в приемник в момент, когда излучается один из следующих зондирующих импульсов и приемник закрыт. На такой высоте измерение скорости невозможно. Слепую высоту можно определить из формулы (76), если учесть, что /г= г sin у,

где п = 1 , 2, 3 ...

76

«Слепой» высотой является также и h= 0 (или га=0), на ко­ торой отраженный импульс еще не может быть принят, так как еще не кончился зондирующий (соответствует «мертвой зоне»),

В рамках рассмотренного выше примера слепыми будут вы­ соты /гсл =0; 3,5; 7; 10,5; 14;... км.

Провалы чувствительности на слепых высотах высших поряд­ ков менее резко выражены: с ростом высоты растут размеры «ра­ диопятна», и протяженность отраженного сигнала начинает все больше превосходить длительность запертого состояния прием­ ника, определяемую длительностью зондирующего импульса.

Следует отметить, что, если на слепой высоте измерения ско­ рости невозможны, то в ее ближайших окрестностях они оши­ бочны. На рис. 42, б показан случай /г</гсд: отраженный сигнал успевает частично проникнуть в приемник прежде, чем последний будет закрыт очередным зондирующим импульсом. При этом в приемник пройдет энергия в основном от ближних точек радио­ пятна 1—2 (рис. 42, е), дающих более низкий допплеровский сдвиг. Спектр исказится так, что средняя допплеровская частота F'Da будет ниже истинной Ед (рис. 42, е). Если /г>/гсл (рис. 42, г,

д, ж), то F'o^ F q . Таким образом, при полете на высоте, не­

сколько меньшей слепой, показания измерителя скорости занижа­ ются, несколько большей — завышаются.

Вынести первую слепую высоту за пределы рабочего диапазона высот можно только увеличением длины волны (тогда Еотах и F понижаются). Можно применить смену частоты повторения или модуляцию ее по хаотическому закону в некоторых пределах и этим самым «размазать» слепую высоту в пространстве. Тот же эффект дает применение удлиненных сечений диаграммы направ­ ленности (см. рис. 41). Меры не являются радикальными, но

77

дают удовлетворительные результаты. При этом ослабляется эффект всех слепых высот, кроме нулевой, уменьшить зону влия­ ния которой.можно только укорочением зондирующего импульса.

При полете на высоте больше первой слепой в системах с на­ правлением фазирования от передатчика к когерентному гетеро­ дину имеет место потеря когерентности: к моменту прихода отра­ женного сигнала когерентный гетеродин успевает перестроиться под частоту и фазу второго зондирующего импульса, некогерент­ ного с первым. Системы с внешней когерентностью (янусовы) и си­ стемы с фазированием от гетеродина к передатчику этого недо­ статка не имеют.

Как видим, и непрерывные, и импульсные системы обладают серьезными недостатками. Компромиссным вариантом является импульсно-непрерывная система, под которой понимают импульс­ ную систему малой скважности (v = 2 h-5). Такие системы удачно сочетают достоинства обеих крайностей: они обеспечивают раз­ вязку между передатчиком и приемником, достаточно узкополосны и чувствительны, обеспечивают надежное применение принципа внешней когерентности. Правда, малая скважность ставит пере­ датчик в напряженный режим. Для разгрузки передатчика при­ меняется модуляция сериями импульсов: он может быть, напри­ мер, включен на 0,04 сек и излучить за это время 2000 импульсов по 5 мксек (v= 4), а затем выключен на 0,46 сек, после чего серия импульсов повторяется [13]. Эффективная скважность в этом слу­ чае тэф >40, что приемлемо. Показания скорости в данном при­ мере могут выдаваться в вычислительное устройство только два раза в секунду.

§13. Методы измерения допплеровской частоты

Впредыдущих параграфах было показано, что при измерениях скорости объекта задача обычно сводится к измерению частоты Допплера. Для измерения частоты можно, вообще говоря, приме­

нить любой из способов, известный из курса радиотехнических из­ мерений. Однако в радиолокаторах применяются только те спо­ собы, которые позволяют автоматизировать операцию измерения и выдать показания в виде аналогового напряжения или дискретного числа.

Задача измерения частоты сравнительно проста, если измере­ нию подлежит частота монохроматического колебания. Простей­ шим способом измерения в этом случае является способ частот­ ного дискриминатора и стрелочного прибора. Частотный дискри­ минатор настраивается так, что его центральная частота совпадает с поднесущей, не имеющей допплеровского сдвига. Тогда доппле­ ровский сдвиг приводит к появлению напряжения, по величине и знаку пропорционального скорости объекта. Пропорциональность имеет место в пределах линейного участка характеристики дискри­ минатора. Перед подачей колебаний на дискриминатор необходи­ мо ограничителем снять паразитную амплитудную модуляцию.

78

Точность метода невысокая и определяется погрешностью на­ стройки дискриминатора (погрешностью нуля) и погрешностью вольтметра. Общая погрешность — порядка 2 %. Для уменьшения погрешности нужно принимать меры по стабилизации центральной частоты Fо, на которую наложен допплеровский сдвиг, частоты на­ стройки контуров дискриминатора и напряжений, питающих изме­ рительную схему.

Дискриминатор выдает данные скорости в виде пропорциональ­ ного ей напряжения, что удобно для подачи этих данных в ана­ логовые счетно-решающие устройства.

дается также импульс 3 эталонной длительности Тэ от генератора эталонного импульса ГЭИ. Число импульсов 4, прошедших на вы­ ход схемы совпадений, пропорционально допплеровской частоте- (с точностью до одного импульса). Это число подсчитывается счет­ чиком (например, двоичным). Число ячеек счетчика должно быть достаточным, чтобы при самой высокой допплеровской частоте счет­ чик не был переполнен. По окончании счета включается генератор импульса регистрации Г'ИР, своим импульсом 5 приводящий в дей­ ствие регистрирующее устройство Р (например, кинокамеру, де­ лающую снимок состояний неоновых лампочек в каждой ячейке счетчика; этот снимок является записью числа в двоичной форме). Одновременно результат счета поступает в вычислительную ма­

левое положение (ячейки его очищены от предыдущей информации). Современные счетчики достаточно надежны и имеют абсолют­ ную точность счета. Источником ошибок является сам принцип дискретного счета, при котором регистрируется только целое число

79'