Файл: Маковецкий П.В. Радиотехнические методы измерения скорости учебное пособие.pdf

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'

импульсов, в то время как эталонному измерительному интервалу Тэ может соответствовать нецелое число полупериодов (перио­ дов) частоты Допплера. В результате максимальная ошибка мо­

жет оказаться равной единице счета, что составляет — часть от

числа п.

К длительности измерительного интервала Тэ предъявляются противоречивые требования. С одной стороны, он должен быть как можно больше, чтобы число п было достаточно большим, а ошибка измерения малой. С.другой стороны, мгновенную скорость можно измерить только с помощью импульса, у которого Тэ-^0. Импульс же конечной длительности выдает среднее за время Т э значение скорости и, кроме того, чем длиннее импульс, тем реже снимаются показания скорости. Все это особенно важно, когда скорость ме­ няется быстро.

Выходом из положения является схема, в которой длитель­ ность измерительного интервала управляется измеряемой часто­ той, а счету подвергаются импульсы эталонного генератора срав­ нительно высокой частоты. Такая схема упрощенно показана на рис. 44. Здесь по-прежнему колебания 1 частоты Допплера FD превращаются в импульсы 2 той же частоты. Затем они посту­ пают на счетчик № 1, состоящий из нескольких двоичных ячеек. Каждое опрокидывание ячейки происходит только от отрицатель­ ного перепада в предыдущей ячейке, и поэтому на выходе каждой следующей ячейки частота повторения вдвое ниже, чем на выходе предыдущей (3, 4, 5, 6). Импульсы 5 подаются на схему совпаде­ ний СС. Туда же поступают импульсы 7, сформированные из си­ нусоидального колебания эталонной частоты / э генератора, стаби­ лизированного кварцем (КГ). На выходе схемы совпадений появ­ ляются серии импульсов высокой частоты повторения /э. Число импульсов в серии считается счетчиком № 2, и результат счета выдается в вычислительное устройство, после чего импульс 9 воз­ вращает счетчик № 2 в исходное состояние.

При показанном на схеме положении переключателя М дли­ тельность пакета считаемых импульсов определяется длитель­ ностью импульса 5, которая является измерительным интерва­ лом Ги. Величина Тп однозначно связана с измеряемой доппле­ ровской частотой Fd

т. е. показания счетчика № 2 обратно пропорциональны скорости цели. Погрешность измерения, как и в предыдущей схеме, не пре­ во