Файл: Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие.pdf

§ 13. Ц И Ф Р О В О Й ( С Ч Е Т Н О - И М П У Л Ь С Н Ы Й ) МЕТОД И З М Е Р Е Н И Я

ВР Е М Е Н Н Ы Х И Н Т Е Р В А Л О В

Впоследнее время для измерения времени распространения сигна­ лов значительное применение получили цифровые устройства. На рис. 43, д показана блок-схема такого устройства, а на рис. 43, а—г— эпюры напряжений, поясняющие его работу. Зондирующий 1 и отра­

женный 2 импульсы (см. рис. 43, а) с выхода приемника поступают в схему управления, обычно представляющую собой триггер. Под

состояние (триггер «опрокидывается»). При смене состояний схемы управления скачком меняется напряжение на ее выходе и вырабаты­ вается прямоугольный импульс (см. рис. 43, б), начало которого совпадает с фронтом зондирующего, а конец — с фронтом отражен­ ного импульса, вызывающего обратное опрокидывание триггера. Следовательно, длительность прямоугольного импульса равна вре­ мени распространения сигнала в прямом и обратном направлениях.

Прямоугольный импульс подается на один из входов селектора, на другой вход которого непрерывно поступают сигналы с генера­ тора счетных импульсов (см. рис. 43, в). Импульсы генератора, по­ ступившие в селектор в течение длительности прямоугольного им­ пульса, поступают на счетчик импульсов, тогда как в остальное время они на него не проходят. Таким образом, время распростра­ нения сигнала определится формулой

103

где Тс и N — период повторения и число счетных импульсов генера­ тора, полученное со счетчика импульсов.

На рис. 44 показана схема полупроводникового триггера, пред­ ставляющего собой двухкаскадный усилитель с обратной связью, питаемый источниками постоянного напряжения—Ек и -\-Еб. Пара­ метры триггера обычно рассчитывают так, чтобы один транзистор (например, Т2 на рис. 44) находился в состоянии насыщения, а дру­ гой (в этом случае Т{) был бы закрыт. Под воздействием положитель­ ного импульса ііх базы обоих транзисторов оказываются под поло­ жительным напряжением, что приводит к запиранию транзисторов.

После прекращения импульса от­ крывается транзистор, в базовой цепи которого начнет протекать больший ток. Величина тока опре-

І0— Ri

1 С

О

UT

деляется зарядом соответствующего конденсатора С. Так как до бо­ лее низкого потенциала будет заряжен конденсатор, включенный между базой закрытого и коллектором открытого транзистора, то откроется ранее закрытый (в нашем случае Т^) и закроется другой транзистор 7*2. Установившееся новое состояние равновесия изме­ нится только с приходом следующего импульса.

На рис. 45 показана схема временного селектора (электронного ключа) полупроводникового типа для импульсов положительной полярности. В этой схеме напряжение постоянного источника Е будет прямым для диода Д2 и обратным для диода Дг. Поэтому импульсы положительной полярности с амплитудой, меньшей Е, поступившие на счетный вход (клеммы 1—1) от генератора счетных импульсов, будут проходить на нулевую шину через открытый диод Д 2 , резистор R2 и внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения. При поступлении на селекторный вход (клеммы 2—2) импульса со схемы управления, имеющего положительный потен­ циал U т ^> Е, диод Д2 запирается и счетные импульсы проходят на нулевую шину через диод Дѵ При этом на резисторе R3 будут выделяться импульсы напряжения, которые через зажимы 3—3

104

крытого транзистора предыдущей ячейки. Поступление положитель­ ного импульса вызовет опрокидывание первого триггера. При этом

стояние второго и всех последующих триггеров не изменится. После

105

менно индикаторами. В приборах этого типа вокруг круглого пло­

тельную роль. При включении декатрона под питающее напряжение между анодом и одним из катодов (нулевой катод) возникает пробой газового промежутка, сопровождаемый свечением пространства вбли­ зи нулевого катода. При подаче на вход декатрона импульса напря­ жения свечение с помощью подкатодов переносится с нулевого катода на первый, после второго импульса свечение переносится с первого катода на второй и т. д. Десятый импульс переносит свечение с де­ вятого катода на нулевой, а на выходе декатрона одновременно по­ является один импульс. Достоинством декатрона является совме­ щение функций пересчетной ячейки и индикатора в одном устройстве со сравнительно небольшим числом вспомогательных деталей. Вме­ сте с тем серийные декатроны имеют относительно низкую частоту счета (не более 100—200 кГц), обусловленную значительным време­ нем деионизации газового промежутка вокруг катода, с которого переносится свечение, сравнительно высокое напряжение питания и управляющих импульсов. Промышленностью осваиваются мало­ габаритные декатроны с предельной скоростью счета до 1 МГц.

Главная ошибка измерения времени цифровым устройством вызы­ вается погрешностью счета. Эта ошибка может достигать одного импульса в начале и конце измеряемого интервала. Полагая в среднем ошибку счета равной одному импульсу, получим следующую формулу для ошибки измерения времени счетно-импульсным методом

где Fc — частота следования счетных импульсов. Соответствующая ошибка в длине линии будет

Из формулы (149) можно найти, что для измерения линии с ошиб­ кой, меньшей 10 см, необходимо, чтобы Fc > 1,5 ГГц.

Точность измерения времени как электронно-цифровым, так и осциллографическим методами приблизительно одинакова и на­ ходится в пределах 30—100 не. Поэтому существующие импульсные радиодальномерные системы имеют сравнительно невысокую точ­ ность — порядка 5—10 м. Большое применение импульсный метод получил в ультракоротковолновых радиогеодезических системах среднего и дальнего действия, которые применяют при построении линейных радиогеодезических сетей, при плановом обосновании аэрофототопографических съемок, а также при выполнении геоде­ зических работ для геодезических и геологических съемок, для транспортных и водных изысканий и др. Импульсный метод с

107

пассивным ответом применяют в радиовысотомерах больших высот, используемых при радионавигации, а также при аэрофотосъемке для определения высот фотографирования. Импульсные системы с активным ответом применяют в радионавигации и в ряде других областей. Следует сказать, что попытки создания импульсных светодальномеров пока оказались безуспешными из-за сравнительно невысокой точности измерений.

Г л а в а V

ФАЗОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

§14. Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А МЕТОДА

Вфазовом методе измерение расстояний осуществляется с по­ мощью электромагнитных гармонических колебаний или с помощью колебаний, промодулированных гармоническим сигналом. При этом

определяют пропорциональный времени распространения фазовый

-D

Рис . 48

сдвиг отраженных колебаний относительно излучаемых. Современ­ ные средства измерения разности фаз обеспечивают более высокую точность измерения расстояний, чем это возможно импульсным мето­ дом, поэтому в точных дальномерных системах применяют в основном фазовый метод. Следует, однако, отметить, что фазовые системы требуют большей мощности, так как функционируют в непрерывном режиме.

Частоту колебаний, разность фаз которых подлежит измерению, называют масштабной. Как упоминалось, масштабной в радиодаль­ номерах может быть как несущая частота, так и частота ее модуляции. В светодальномерах масштабной частотой всегда является частота модуляции.

Пусть задающая станция А (рис. 48) излучает гармонические колебания, которые принимаются за масштабные.

где фі = соі^ + Vi — фаза колебания в точке А и ух — начальное значение ее в той же точке. В точке В, удаленной от точки А на расстояние D, все волновые процессы будут запаздывать на время

108

=— Дг.

Если время распространения волны àt выразить через скорость ее распространения ѵ и расстояние D между точками А и В, то фор­ мула для текущей фазы в точке В примет вид

Фб = Фі —®і 7".

При отражении от объекта колебания испытывают скачок фазы, который обозначим через у2 . Если учесть, что при распространении волны в обратном направлении ее фаза еще раз уменьшится на вели-

чину <х>і — , го для фазы ф2 отраженной волны в точке А получим

ф2 = Фі — 2а_ ^- + Ys + ô,

где 6 — изменение фазы колебаний, эквивалентное времени задержки

ции и светолокации с пассивным ответом, так и для случая активного ответчика, который под действием принятого сигнала излучает коле­ бания той же частоты. В последнем случае величина у2 характери­ зует изменение фазы в цепях ответчика.

Для того чтобы на станции А можно было отличить прямой и от­ раженный сигналы, принятые станцией В колебания после усиления трансформируются по частоте в некотором отношении

где тжп — обычно целые числа ^например, -^- =•— или—-^. Тогда

с учетом изменения фазы в цепях приемника задающей станции будет Аф = fi>i + « 2 V - (Vi + ô).

109