Файл: Маковецкий П.В. Радиотехнические методы измерения скорости учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 88
Скачиваний: 0
объекте известно. Положение вертикали может быть задано или с помощью устройства, стабилизирующего горизонтальное положе ние платформы с антеннами, или путем ввода сведений о текущем положении платформы относительно вертикали в вычислительное
устройство, если платформа жестко связана с летательным аппа ратом.
До сих пор мы предполагали радиолуч бесконечно тонким, а отраженный сигнал монохроматическим. На самом деле сечение диаграммы направленности от лично от нуля, в результате радиолуч в пересечении с зем ной поверхностью дает не точ ку, а «радиопятно». На рис.
38, а показана реальная диаг рамма направленности с шири ной е по половинной мощно сти. «Радиопятном» является заштрихованная площадка (по нулевой мощности — площад ка, обведенная пунктирной кри вой). Если бы луч был беско нечно острым, то он облучал бы точку А, лежащую на ги перболе FDo. Сейчас же в пре
делах радиопятна по половин ной мощности находятся гипероолы от Ддшазс Д о Fдгшп (со ответствующие радиальным скоростям vrmax и Угшт> с кото рыми самолет приближается к точкам А' и А"). Следова тельно, отраженный доппле ровский сигнал не является мо нохроматическим.
Энергия каждой спектраль ной составляющей определя ется протяженностью соответ
ствующей гиперболы в преде лах радиопятна и распределением плотности мощности зондирую
щего сигнала вдоль гиперболы. В первом приближении можно
полагать, что эффективная ширина допплеровского спектра по по ловинной спектральной плотности мощности равна
— FDшах Fd mlH,
где Fd шах и FDma определяются через vrimx и vrma, направле
ния которых соответствуют ючкам половинной мощности диаграммы направленности. Характер допплеровского спектра плотности
70
мощности показан на рис. 38, б с учетом боковых лепестков. Из рис. 38, а следует, что
|
__ г |
2v |
|
|
|
|
|
FD„= |
/о ~с~cos ТI |
|
|
||
|
w ax — fo |
с |
COS (у |
2 ) ’ |
|
|
|
F D min = = f о ~~T" COS ^p |
+ y ) - |
|
|
||
откуда относительная ширина допплеровского спектра равна |
|
|||||
Д/V cos 1 7 |
) - c o s ( 7 |
+ |
у ) |
2 tg 7 sin |
s tg 7 |
(74) |
Do |
cos 7 |
|
= |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
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
падения |
а = 90°— 7 на волне 3 см [12]. Матовые поверхности |
(суша) |
дают равномерное рассеяние во все стороны, и поэтому |
у «их rj |
не зависит от угла падения. Море имеет и матовые, и зер |
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
90° —у =17°, |
или т =73°, |
при котором коэффициен |
|
ты обратного |
рассеяния |
суши и моря (1 балл вол нения) равны. В преде
лах |
диаграммы |
направ |
|||
ленности (е=5°) имеет |
|||||
место изменение ц на 7 до |
|||||
(от —13 до —20), |
что |
||||
вносит |
соответствующую |
||||
деформацию |
в |
доппле |
|||
ровский спектр. |
Перерас |
||||
пределение |
мощности |
в |
|||
сторону более низких ча |
|||||
стот |
приводит |
к тому, |
|||
что |
центральная |
доппле |
|||
ровская |
частота |
F'D при |
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