Лабораторные / Лаб-работа_ДИСС

11

танавливают на поворачивающейся платформе со следящим приводом, совмещающим биссектрису угла между лучами с вектором Wп. На практике возможности

сужения луча ограничены допустимыми размерами антенны.

Теперь рассмотрим, как влияет характер отражающей поверхности на

спектр допплеровских частот. Способность поверхности отражать электромагнитную энергию в обратном направлении характеризуют удельной эффективной поверхностью рассеяния σ0 (удельной ЭПР). σ0 равна отношению ЭПР облучаемой поверхности Sэ к её геометрической площади S

σ0 = Sэ / S

и является безразмерной величиной, численно равной ЭПР 1 м2 данной поверхности. В общем случае σ0 зависит от угла падения волны ε = 90° - β , где β - угол скольжения (рис.11).

Из рис. 11 видно, что зависимость σ0(ε) для суши выражена сравнительно

слабо, а для моря σ0 быстро убывает при увеличении ε [1]. Особенно быстро σ0 уменьшается с ростом ε при спокойном море (волнение 1 балл и меньше). Ха-

рактер зависимости σ0(ε) легко объяснить: с увеличением угла падения начинает

преобладать эффект зеркального отражения, при котором энергия падающей волны отражается в сторону от РЛС. Отражающим элементом поверхности, рас-

положенным под разными углами βi , соответствуют разные частоты Допплера

FДi = 2(Wп λ)cos( α −αi )cosβi = K sin εi .

Следовательно, между ε и FД есть непосредственная связь: большим ε соответствуют большие значения FД. Поэтому параллельно оси ε можно провести ось FД, на которой откладывать частоты по закону FД = Ksinε и строить спектр допплеровских частот отражённых колебаний. Если σ0 не зависит от ε (лес), то в этом случае

отражающая поверхность не влияет на спектр. Если σ0 убывает при увеличении ε

(море), то это приведет к тому, что сигналы, содержащие высокие допплеровские частоты, будут отражаться хуже, чем сигналы, содержащие низкие частоты Допплера. При этом происходит деформация спектра и смещение средней допплеровской частоты в сторону меньших частот (рис.11),

Смещение средней частоты вызывает ошибку в показаниях ДИСС, завися-

щую от характера подстилающей поверхности. Исследования показывают [1] , что при полёте над сушей измеренные частоты Допплера в зависимости от типа поверхности смещаются в пределах от 0,08 до 0,65%. Обычно при полёте над сушей вводят среднюю поправку 0,З7%. При полёте над морем смещение частоты в зависимости от интенсивности волнения может меняться от 0,87 до 2,1%. Средняя поправка соответствует волнению 2,3 балла и составляет 1,65%. Указанные смещения частот характерны для симметричных диаграмм карандашного типа шириной α0 = β0 = 4 … 6о. В большинстве существующих ДИСС предусматривается ручное изменение величины поправки переключателем ‘’суша –море’’ .

Следует отметить, что деформация спектра и смещение средней частоты

при прочих одинаковых условиях меньше для диаграммы, имеющей меньшую ширину в направлении нормали к изодопплеровским линиям. Это связано с тем, что

изменение σ0 при малых изменениях ε (в пределах узкой диаграммы) тоже мало.

Поэтому изочастотные диаграммы являются выгодными также и для уменьшения

ошибок из-за изменения типа отражающей поверхности.

Можно более точно установить характер отражающей поверхности и авто-

матически вводить поправку, если сравнивать мощности отражённых сигналов для двух лучей, имеющих разные углы наклона β (или ε = 90° - β). Очевидно, что разность уровней сигнала при разных ε характеризует крутизну кривой σ0(ε)

(рис.11). При использовании этого способа обычно делают дополнительный луч,

направленный прямо вниз (β = 90о). Точность показаний ДИСС при этом повыша

12

ется, но усложняется аппаратура.

Если морская поверхность является совершенно гладкой, то отражённый

сигнал может практически отсутствовать (по наклонным лучам). В этом случае ДИСС переходит в режим «память» – выдаёт измеренные ранее Wп и αс. При про-

должительном полёте над гладкой поверхностью могут возникать большие ошиб-

ки в показаниях ДИСС и АНУ. Заметим, что зависимость σ0(ε) существенно влияет

на выбор угла наклона луча β; при относительно малых β сигнал плохо отражает-

ся (σ0 мало), а при больших β слабо выражен эффект Допплера ( FД = О при β =

90о). Обычно выбирают β = 65 о.

Движение элементарных отражателей приводит к расширению спектра и смещению средней частоты. Это движение может происходить под действием

ветра и вследствие морских течений. Ветер вызывает движение ветвей деревьев, орбитальное и дрейфовое движение частиц при волнении моря. Флоктуации сиг-

нала из-эа случайной смены отражателей при перемещении самолета также вызывают расширение спектра. Любое расширение спектра и смещение средней частоты увеличивает ошибки ДИСС.

2.4Основные типы ДИСС

Спомощью одного луча можно определять проекцию составляющей вектора скорости ЛА на направление этого луча. В общем случае вектор скорости ЛА

характеризуется тремя проекциями на три некомпланарных (не лежащих в одной

плоскости) направления. Поэтому для определения полного вектора скорости необходимо излучать и принимать сигналы минимум по трем некомпланарным лучам, образующим трёхмерную систему координат. При горизонтальном полёте вектор скорости лежит в горизонтальной плоскости и характеризуется только дву-

мя составляющими (или путевой скоростью и углом сноса). В этом случае доста-

точно двух лучей.

Следовательно, ДИСС вертолётного типа должен иметь не менее трех лучей, самолётного – не менее двух. На практике обычно используют число лучей больше минимально необходимого. «Лишние» лучи позволяют улучшить опреде-

лённые свойства ДИСС. Наибольшее применение находят 3-лучевые и 4-лучевые

системы, приведённые на рис.12.

На рис.12,а изображена самолётная 4-лучевая Х-система. Заметим, что пары лучсей 1-3 и 2-4 а этом случае дают тождественные уравнения для определения путевой скорости и угла сноса. Проектируя Wп на направления луей, получим

Лучи 3 и 4 не несут дополнительной информации о скорости; так как знак частоты Допплера известен заранее, поскольку он связан с направлением луча (вперед или назад). Поэтому 4-лучевая X-система эквивалентна 2-лучевой по

числу определяемых составляющих вектора скорости. Дополнительные лучи позволяют уменьшить ошибки ДИСС при крене и тангаже самолёта и упростить спо-

соб построения алпаратуры.

На рис.12.б приведена самолётная 3-лучевая λ-система. В этом случае третий луч также является ‘’лишним’’ и предназначен дня уменьшения ошибок при крене

и тангаже. На рис. 12.в изображена самолётная 4-лучевая λ-система, у которой

четвёртый луч предназначен для определения зависимости σ0(β) и внесения поправок на характер отражающей поверхности. На рис.12.г показана 3-лучевая вертолётная У-система. Три луча в этом случае позволяют получить систему из трех независимых уравнений и определить величину и направление полного век

13

тора скорости с учётом вертикальной составляющей.

ДИСС, имеющие симметрично расположенные лучи, направленные вперёд и назад, часто называют янусовыми по имени древнеримского бога Януса, имеющего два лица, одно из которых обращено вперёд, а другое – назад.

По принципу выделения частоты Допплера различают ДИСС с внутренней и

внешней когерентностью. В случае внутренней когерентности информация о час-

тоте и фазе излучаемых колебаний запоминается в аппаратуре ДИСС. В ДИCС с внешней когерентностью (автокогерентных) частота Допплерл выделяется как

частота биений отраженных сигналов, принятых по двум симметричным лучам в янусовой системе. Например, для лучей 1 и 3 в Х-системе в соответствии с выражением (4) частоты принимаемых колебаний будут равны

fпр1 = f0 + FД1 , fпр3 = f0 + FД3 = f0 − FД1

где f0 – частота излучаемых колебаний.

Частота биений равна удвоенной частоте Допнлера

Fδ1 = fпр1 − fпр3 = 2FД1 .

Аналогично может быть получена частота биений Fδ2 =2FД2 для пары лучей 2-4.

По характеру излучаемых колебаний различают ДИСС с непрерывным и

импульсным излучением. При импульсном излучении обычно используется прин-

цип внешней когерентности. Применяются также ДИСС с непрерывным излучени

14

ем и частотной модуляцией излучаемых колебаний. Антенна ДИСС может быть неподвижно закреплена на самолёте или установлена на стабилизированной по

крену и тангажу платформе. Применяются и поворачивающиеся антенны со следящим приводом, отслеживающие направление вектора путевой скорости.

2.5 Влияние крена и тангажа на точность ДИСС

Самолётные ДИСС строятся в предположении горизонтального полёта са-

молёта. Но при этом крен или тангаж самолёта приводят к ошибкам. Угол тангажа

Θс измеряется в вертикальной плоскости между продольной осью самолёта и горизонтальной плоскостью, угол крена γс - это угол поворота самолёта вокруг продольной оси (рис.13).

Рассмотрим влияние крена и тангжа на примере четырёхлучевой самолётной Х-системы с неподвижным закреплением антенн (рис.12.а). Из формул (4)

видно, что абсолютные значения частот Допплера при горизонтальном полёте для симметричных лучей 1,3 и 2,4 в этом случае одинаковы. Поэтому в приёмнике, с

Определение αс и Wп по формулам (6) производится в вычислителе ДИСС, Из формул (6) видно, что точность ДИСС при крене и тангаже зависит от устойчи-

вости значений FД13 - FД24 и FД13 +FД24.

На рис.14 показаны смещения лучей относительно исходных положений

при крене и тангаже в случае, когда угол сноса равен нулю. При крене (рис.14.а, крен вправо) ось вращения самолёта совпадает с вектором Wп, лучи перемещаются по изодопплеровским линиям, значения FД13 и FД24 не изменяются и ошибок не возникает. При положительном тангаже все лучи сместятся вперёд (рис. 14.б).

Частоты FД1 и FД2 увеличатся, а FД3 и FД4 уменьшатся. Однако средние частоты

FД13 и FД24 изменятся мало, поскольку приращения частот отдельных лучей взаимно компенсируются. Ошибки возникают лишь при больших углах тангажа, когда

приращения частот для передних и задних лучей начинают сильно различаться. На рис.15 показано смещение лучей вследствие крена и тангажа при угле

сноса, отличном от нуля. В этом случае при крене ось вращения самолёта не совпадает с вектором путевой скорости, лучи будут перемещаться по гиперболам,

которые пересекают изодопплеровские гиперболы (рис. 15,а). При положительном тангаже все лучи сместятся вперёд параллельно продольной оси самолёта (рис. 15,б}.В обоих случаях смещения лучей с изодопплеровсккх линий будут приводить к ошибкам в определении допплеровских частот. Однако средние частоты FД13 и

FД24 будут изменяться в меньшей мере, чем частоты отдельных лучей, поскольку

15

приращения частот для передних и задних лучей будут противоположны по знаку.

Поэтому говорят, что четырёхлучевая Х-система является устойчивой к крену и

тангажу самолёта. Сходными свойствами обладает трехлучевая λ-система. При

больших углах крена и тангажа, когда ошибки становятся недопустимо большими,

по сигналам, поступающим от датчиков крена и тангажа, ДИСС переводится а режим "память". При этом он выдает измеренные ранее скорость и угол сноса, когда углы крена и тангажа не превышали допустимые значения. При необходимости высокой точности в прецизионных ДИСС осуществляют стабилизацию антенной платформы по крену и тангажу или вводят поправки от датчиков крена и тангажа в вычислительное устройство, определяющее Wп и αс по формулам.

16

2.6 Составляющие ошибок ДИСС

Основной характеристикой любой измерительной системы является точ-

ность измерений. Рассмотрим факторы, влияющие на точность ДИСС, и способы уменьшения погрешностей измерения.

Первая группа - это методические погрешности, присущие используемому методу измерений. Сюда относятся:

1.Погрешности, вызванные изменением характера подстилающей поверх-

ности. Причины возникновения и способы уменьшения этих ошибок были рассмотрены в подразделе 2.3.

2.Погрешности, вызванные морскими течениями и движением отражателей под действием ветра. Для уменьшения этих погрешностей надо знать скорость и направление течений, учитывать величину и направление ветра и вносить соот-

ветствующие поправки. На практике учёт влияющих факторов затруднителен.

3.Погрешности из-за влияния крена и тангажа самолета (см. подраздел

2.5).

4.Погрешности из-за перехода в режим "память" (подраздел 2.3). Как показывают экспериментальные исследования [1] , в среднем время полёта в режиме

"память" не превышает 1% от общего времени полёта и ошибки относительно невелики.

5.Флюктуационная погрешность. Вызывается флюктуациями отражённого

сигнала (см.подраздел 2.3) и влиянием шумов приёмника. Основные пути умень-

шения - сужение спектра отражённого сигнала за счет применения изочастотных антенн и использования в приёмном устройстве узкополосных перестраиваемых фильтров, согласованных со спектром сигнала.

Вторая группа погрешностей - инструментальные погрешности. Сюда отно-

сятся погрешности, обусловленные неидеальностью характеристик блоков ДИСС, антенны, приёмопередатчика, измерителя допплеровской частоты, вычислителя.

1.Источниками погрешностей антенного устройства являются: несимметрия

расположения лучей и неточность определения углов визирования лучей, зависи-

мость этих углов от частоты передатчика, от обтекателя и температуры окружающей среды; неточность установки антенны на самолёте и влияние боковых лепестков антенны. В ДИСС с непрерывным излучением к погрешностям приводит недостаточная развязка между приёмной и передающей антеннами, что вызывает

ухудшение чувствительности приёмника за счёт шумов передатчика, поступающих

по каналам паразитной связи.

2.Источниками погрешностей, обусловленных передатчиком, являются отклонение частоты излучаемых колебаний от номинального значения (особенно кратковременная нестабильность), амплитудная и частотная паразитная модуляция сигнала передатчика. Модуляция может происходить вследствие вибраций,

пульсаций питающего напряжения и под действием щумов. Наибольшие ошибки вызывает модуляция в диапазоне допплеровских частот. Вследствие модуляции

возникают шумы передатчика, которые проникают в приёмник вместе с "просочившимся” сигналом передатчика. Для уменьшения влияния этих шумов увеличивают развяэку между передающей и приёмной антеннами или применяют ДИСС с

частотно-модулированным сигналом, что позволяет выделять полезный сигнал на одной из гармоник частоты модуляции, где шумы просочившегося сигнала относительно малы (см.подраздел 2.7.4 ).

Источниками погрешностей приёмного устройства являются неравномер-

ность частотной характеристики, шумы приёмника и их неравномерность в диапа-

зоне допплеровских частот, влияние паразитных узкополосных сигналов вследст

17

вие наводок, вибраций и т.д.

3. Погрешности устройства измерения средних допплеровсккх частот в зна-

чительной мере определяются его типом. В устройстве измерения частоты по методу счёта нулей погрешность возникает из-за потери нулей вследствие неиде-

альности ограничения. После преобразования информации в частоту следования импульсов можно использовать цифровое счётно-решающее устройство, погрешности которого могут быть пренебрежимо малыми.

В табл.1 приведены составляющие ошибок современных самолётных ДИСС от различных факторов [1] . В таблице даны удвоенные значения среднеквадратяческих ошибок 2σ для существующих серийно изготавливаемых ДИСС ГА и прецизионных, в которых ошибки минимальны при современной технике.

Таблица 1

2.7Принципы построения ДИСС с непрерывным зондирующим сигналом

Известно несколько структурных схем построения ДИСС с излучением непрерывных колебаний. Общим для всех структурных схем является использова-

ние для излучения и приёма раздельных антенн. Это необходимо для того, чтобы

уменьшить влияние на работу приёмника просочившегося паразитного сигнала

передатчика, поскольку излучение и приём сигналов происходят одновременно.

18

2.7.1. ДИСС с нулевой промежуточной частотой и немодулированным сигналом

На рис.16 приведена простейшая структурная схема самолётного ДИСС с непосредственным преобразованием отражённых сигналов в диапазон доппле-

ровских частот с помощью высокочастотного смесителя и их дальнейшим усилением на низкой частоте. Такая схема получила название "с нулевой промежуточ-

ной частотой". Передатчик вырабатывъет непрерывные немодулированные СВЧколебания, с частотой f0 , которые подаются на неподвижную передающую антенну и излучаются одновременно по трем лучам в направлении земли. Отражённые

от земной поверхности сигналы со средними частотами f0+FДi принимаются идентично расположенными лучами приёмной антенны ( i = 1,2,3 - номер луча). Каж-

дому лучу соответствует свой канал приёма и измерения, все каналы идентичны. Сигналы с антенны поступают на балансные смесители, на которые в качестве гетеродинных подаются опорные сигналы передатчика с частотой f0. Благодаря

использованию балансных схем смешения уменьшается влияние шумовой модуляции гетеродинного сигнала на чувствительность приёмного устройства.

С помощью УНЧ на выходе смесителя отфильтровывается сигнал допплеровской частоты FДi, который поступает на измеритель частоты. Значения средних допплеровской частот FДi с выходов каналов приёма и измерения поступают в вычислитель, который определяет Wп и αс путем решения системы уравнений. Зна-

чения Wп и αс поступают на индикатор и в навигационную систему самолёта. ДИСС с нулевой промежуточной частотой обладают низкой чувствительно-

стью приёмного устройства, которая ограничивается тепловыми шумами и шумами просочившегося сигнала передатчика. Собственные шумы приёмного тракта,

не содержащего усилителя СВЧ, определяются, как известно, шумами смесителя,

гетеродина и шумами первых каскадов усилителя преобразованного сигнала (УНЧ). В диапазоне частот от сотен Гц до сотен кГц энергетический спектр шумов полупроводниковых приборов и усилителей неравномерен. Спектральная плотность мощности шума Gш пр возрастает при уменьшении частоты (Рис.17,б). По-

этому чувствительность СВЧ-приёмника с нулевой промежуточной частотой, обу-

словленная собственными шумами приёмника, примерно на 10 дБ хуже, чем СВЧприёмника с высокой (порядка нескольких МГц) промежуточной частотой.

Основным паразитным сигналом, ограничивающим чувствительность ДИСС, является сигнал передатчика, просачивающийся на вход приёмника из-за

существующей электромагнитной связи между передающей и приёмной антенна-

ми, которая зависит от размещения и экранировки антенн. В ДИСС с непрерывным сигналом в сантиметровом диапазоне волн обычно развязка составляет около 30 дБ - для подвижных антенн и 60-70 дБ - для неподвижных. В то же время чувствительность приёмника может достигать 110-120 дБ/мВт. Поэтому влияние просочившегося сигнала на чувствительность может быть весьма значительным.

Просочившийся сигнал состоит из двух компонент, каждая из которых имеет

случайную модуляцию по амплитуде и фазе. Первая компонента представляет собой прямой сигнал передатчика, проникающий непосредственно из передаю-

щей в приёмную антенну. Вторая компонента - сигнал передатчика, отражённый от элементов конструкции ЛА. Параметры шумовой модуляции первой компоненты Gш1(f) определяются характеристиками генератора СВЧ (рис.17, б). Извест-

но, что любой автогенератор возбуждается и работает под действием собственных шумов. Среди множества спектральных компонент шума, выделяемых резонансной системой генератора, многократно усиливается лишь гармоника с частотой f0 , соответствующая максимуму коэффициента передачи резонансной системы. Наряду с этим, на частотах, близких к f0, существует спектр шумовых колебаний, спектральная плотность мощности которых убывает по закону

19

где α = 0,6-2 - параметр, зависящий от добротности резонансной системы, К - постоянный коэффициент.

Для клистронного генератора, а также полупроводниковых генераторов при

длине волны λ 3 см Gш пер на частоте, отстоящей от f0 на 1 кГц, на 130 -110 дБ ни-

же мощности несущей.

Примерный вид спектра шумов передатчика изображён на рис. 17, а), а спектры отдельных составляющих шума в приёмном устройстве - на рис. 17, б).

Шумы передатчика, попадающие на вход приёмника вместе с прямым просочившимся сигналом, ослабляются вследствие имеющийся развязки между передаю-

щей и приёмной антеннами. Во время преобразования в диапазон низких частот мощности симметрично расположенных слева к справа относительно f0 состав-

ляющих шума складываются, при этом спектральная плотность мощности шума удваивается. Основную роль в образовании второй компоненты просочившегося сигнала играет несущая частота излучаемого сигнала, уровень которой на 130 - 140 дБ превышает уровень шумов передатчика. При отражении сигнала несущей f0 от вибрирующих со звуковыми частотами элементов конструкции ЛА возникает

20

модуляция отражённого сигнала по амплитуде и фазе. Эта модуляция зависит от конструкции ЛА и характера вибраций отражающих элементов (обтекателя антен-

ны, элементов экранирования и других). Спектральная плотность мощности шума второй компоненты просочившегося сигнала также сосредоточена в области низ-

ких частот и убывает с увеличением частоты (рис.17,б).

При длине волны λ 3 см и скорости самолета Wг =180-1500 км/ч частота

Допплера отражённых сигналов лежит в диапазоне 1-10 кГц, т.е.спектр полезного сигнала попадает на участок частот, где спектральная плотность мощности шума является весьма значительной. Поэтому ДИСС с нулевой промежуточной часто-

той находят ограниченное применение, а различные варианты конструкции и структурных схем определяются, в основном, стремлением устранить отдельные

компоненты шума.

2.7.2. ДИСС с двойным преобразованием частоты и немодулированным сигналом

Структурная схема ДИСС с двойным преобразованием частоты приведена на рис.18. Особенностью этой схемы является использование в качестве опорного

колебания первого смесителя не зондирующего сигнала с частотой f0 , а сигнала с частотой f0 + fпр, где fпр - промежуточная частота, на которую настроен приёмный тракт ДИСС. Опорный сигнал получают путем балансной модуляции сигнала передатчика напряжением с частотой fпр, которое вырабатывается гетеродином. Роль опорного сигнала выполняет спектральная составляющая балансно-модули- рованного колебания, которая выделяется с помощью фильтра СВЧ и имеет час-

тоту f0 + fпр.

Передающая и приемная антенны формируют по три идентичных луча. Передатчик иэлучает непрерывные немодулированные сигналы одновременно по трём лучам, Каждому лучу в приёмном устройстве соответствует свой канал приёма и измерения. Рассмотрим работу одного из них. Отражённый сигнал по-

ступает на балансный смеситель, в результате преобразования частоты спектр

сигнала переносится в диапазон высокой промежуточной частоты fпр (порядка 2030 МГц). После усиления в УПЧ сигнал поступает на когерентный детектор (КД), на который в качестве опорной подается частота гетеродина fпр.

С помощью КД осуществляется второе преобразование частоты - в область

допплеровских частот. Спектр допплеровских частот сигнала со средней частотой

FД i (i - номер луча) выделяется и усиливается низкочастотным усилителем допплеровских частот (УДЧ), после чего поступает на измеритель частоты. На основе трёх измеренных средних допплеровских частот, поступающих с выходов трёх приемных каналов, вычислитель определяет параметры Wп и αс.

Преимуществом данной структурной схемы по сравнению со схемой с ну-

левой промежуточной частотой (рис.16) является более высокая чувствительность, которая достигается благодаря тому, что коэффициент шума приёмного тракта в диапазоне высокой промежуточной частоты примерно на 10 дБ ниже, чем

в диапазоне низких частот (см. рис.17,б). Чувствительность приемника ДИСС с двойным преобразованием частоты ограничивается, в основном, влиянием про-

сочившегося сигнала передатчика. Для ослабления этого влияния требуется развяэка между передающим и приёмным трактами не менее 70-90 дБ.

Реализация двойного преобразования частоты с помощью когерентного ге-

теродина является типичной для ДИСС, так как это позволяет снизить требования к стабильности частоты гетеродина. Уход частоты гетеродина на величину ∆f приводит к такому же изменению промежуточной частоты сигнала. При втором пре-

образовании частоты это изменение компенсируется.