ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ
advertisement
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИНСТИТУТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ Учебно-методическое пособие к лабораторным работам по дисциплинам «Основы теории радиолокационных систем и комплексов», «Теория и техника радиолокации и радионавигации», и «Радиоэлектронные системы извлечения информации» для студентов очной и заочной форм обучения специальности 11.05.01 –– «Радиоэлектронные системы и комплексы», направлений 11.04.01 –– «Радиотехника» и 11.04.02 –– «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» Севастополь СевГУ 2020 УДК 621.396.96 И88 Р е ц е н з е н т: И. Л. Афонин – заведующий кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации», доктор техн. наук, профессор Ответственный за выпуск: И.Л. Афонин - д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Составители: А.Л. Поляков, В. Г. Слезкин И88 Исследование доплеровского метода измерения скорости объектов: учебно-методическое пособие для выполнения лабораторной работы по дисциплинам «Основы теории радиолокационных систем и комплексов», «Теория и техника радиолокации и радионавигации», «Радиоэлектронные системы извлечения информации» для студентов очной и заочной форм обучения / Сост. А. Л. Поляков, В. Г. Слезкин ; Министерство науки и высшего образования РФ, ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Институт радиоэлектроники и информационной безопасности. – Севастополь : СевГУ, 2020. – 35 с. – Текст : электронный. Учебно-методическое пособие преследует цель оказания помощи студентам в изучении доплеровского метода измерения скорости на примере измерителя скорости транспортных средств серии "Барьер" с непрерывным излучением СВЧ сигнала. Изложены принципы построения измерителей, приводятся функциональные схемы, временные диаграммы, назначение органов управления РЛС. Представлены методики расчета и экспериментального исследования погрешностей измерения скорости. УДК 621.396.96 Учебно-методическое пособие рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации», протокол № 8 от 25 февраля 2020 г. Рекомендовано к изданию на заседании ученого совета Института радиоэлектроники и информационной безопасности, протокол № 7 от 26 февраля 2020 г. © ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», 2020 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Применение эффекта Доплера для измерения скорости объектов 2. Принцип построения доплеровской РЛС с непрерывным излучением 3. Доплеровские измерители скорости и угла сноса воздушного судна 3.1. Физические принципы построения ДИСС 3.2. Погрешности измерения скорости и сноса 3.3. Спектр доплеровского сигнала в ДИСС 3.4. Классификация типов ДИСС 3.5. Самолетный ДИСС с автокогерентной обработкой сигнала 3.6. Вертолётный когерентный ДИСС 4. Лабораторная работа 4.1. Цель работы 4.2. Описание измерителя скорости «Барьер» 4.3. Описание лабораторной установки 4.4. Порядок выполнения лабораторной работы 5. Содержание отчёта 6. Контрольные вопросы Библиографический список Приложение А Приложение Б 4 5 7 11 11 13 16 18 20 22 25 25 25 29 30 32 32 33 34 35 4 ВВЕДЕНИЕ В 1842 году в Вене Доплер обратил внимание на то, что свечение звезды, движущейся в направлении на нас, отличается от свечения, которое она имеет, если движется в сторону от нас. Байс Баллот доказал экспериментально в 1845 г., что источник звука слышен на более высокой частоте, когда он приближается к наблюдателю, а не стоит на месте. Данный эффект получил название эффекта Доплера. Многие частотные радионавигационные устройства работают с использованием эффекта Доплера: гидроакустические (доплеровские) лаги, измерители скорости и угла сноса, спутниковые системы определения местоположения и т. д. Настоящее учебно-методическое пособие даёт возможность более глубоко усвоить теоритический материал, а также провести практические исследования доплеровского метода измерения скорости объектов на базе измерителя скорости «Барьер». Разделы 1-5 учебно-методического пособия посвящены вопросам применения эффекта Доплера для измерения скорости объектов, принципам построения доплеровских РЛС с непрерывным излучением, доплеровских измерителей скорости и угла сноса, а также доплеровским методам спутниковой навигации. Разделы 6-9 содержат описание лабораторной установки и методические рекомендации по выполнению лабораторной работы, а также требования по содержанию и структуре отчёта. В приложениях представлены конструктивные особенности доплеровских измерителей скорости «Барьер-2» и «Барьер-2М», которые используются для выполнения лабораторной работы. 5 1. ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ Эффект Доплера заключается, как известно, в изменении частоты наблюдаемых колебаний если источник их излучения и наблюдатель движутся относительно друг от друга (приближаются или удаляются). На рис. 1 показана неподвижная РЛС, облучающая объект, движущийся относительно РЛС со скоростью V. В полярной системе координат вектор скорости движения объекта V можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: – радиальную скорость VР V cos , направленную вдоль радиуса-вектора в полярной системе координат; – трансверсальную скорость VТ V sin , направление которой совпадает с касательной к окружности, описываемой радиусом-вектором. VР V Объект f0 fОТР V РЛС VТ Рисунок 1 – К определению радиальной составляющей скорости объекта При постоянной радиальной скорости VР объекта дальность D до него изменяется линейно во времени Dt D0 VР t . (1) Это изменение вызывает линейное изменение фазового запаздывания отраженного сигнала, которое выражается в смещении частоты принимаемого сигнала. Величина этого смещения называется доплеровской частотой. Доплеровская частота FД определяется величиной радиальной VР составляющей скорости объекта. Если РЛС облучает движущийся объект радиосигналом с частотой f0 , то частота радиосигнала fОТР, отраженного от объекта и поступающего на вход приемника РЛС, будет отличаться на величину: FД f 0 f ОТР 2 V 2 VР f0 cos , c (2) 6 где с – скорость распространения радиоволн, с = 3108 м/с; λ – рабочая длина волны РЛС, λ = с / f0 . Если цель удаляется от РЛС, то частота радиосигнала, отраженного от объекта и принимаемого РЛС, ниже, чем излученного. При приближении цели частота отраженного сигнала больше, чем частота излученного. Таким образом, при VР 0 (удаление объекта), при VР 0 (сближение с объектом). fОТР = f0 – FД fОТР = f0 + FД Зависимость доплеровской частоты от направления движения объекта относительно РЛС, характеризуется полярной диаграммой, показанной на рис. 2. На диаграмме направление радиуса-вектора соответствует направлению движения объекта, а его длина – значению доплеровской частоты. S0(f) – + РЛС FД2 2 1 FД1 f0 SОТР1(f) SОТР2(f) f f0 – FД1 f f0 + FД2 Рисунок 2 – Полярная диаграмма доплеровских частот при различных направлениях движения объекта f Рисунок 3 – Спектры сигналов, отраженных от движущихся объектов Эффект Доплера приводит к смещению частотного спектра отраженного сигнала относительно излученного. При гармоническом сигнале бесконечной длительности частотный спектр представляется одной спектральной линией (рис. 3). Удаление или приближение точечного объекта вызывает соответствующий сдвиг спектральной линии. Таким образом, задача определения скорости объекта сводится к измерению частоты доплеровского сдвига. При неограниченном времени анализа теоретически за счет накопления энергии отраженного сигнала можно обеспечить сколь угодно малую потенциальную среднеквадратическую погрешность измерения частоты. При ограниченных времени измерения ТИЗМ или времени облучения объекта ТОБЛ смещение спектральных линий отраженного сигнала не изменяется, но происходит расширение спектра, которое показано на рис. 3 пунктирными линиями. При этом ширина спектра сигнала ΔFC может быть приблизительно оценена как 7 FС 1 TИЗМ 1 TОБЛ . (3) Другой причиной расширения спектра доплеровских частот является наличие ускорения объекта. Если цель движется с радиальным ускорением а Р , то дальность уже не является линейной функцией времени подобно (1), а изменяется по закону а Dt D0 VР t Р t 2 . (4) 2 По этой причине радиальная скорость за время облучения изменятся на величину ΔVP = 2 aP TОБЛ, а расширение спектра отраженного сигнала за счет ускорения цели можно принять равным изменению (девиации) доплеровской частоты за время облучения объекта 2a Р (5) FС TОБЛ . Оценка ширины спектра отраженного сигнала в доплеровских РЛС с непрерывным немодулированным излучением сигнала необходима потому что потенциальная среднеквадратическая погрешность измерения радиальной скорости объекта определяется шириной спектра сигнала доплеровской частоты и отношением сигнал-шум [4, 5, 6] : FС ПОТ VP , (6) 2 2 EC N 0 где ΔFС – ширина спектра сигнала доплеровской частоты; 2 EC N 0 – отношение сигнал-шум по напряжению (параметр обнаружения). 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС С НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Доплеровские РЛС с непрерывным (немодулированным) излучением применяются для измерения скорости движения автомобильного транспорта, путевой скорости и скорости подъема самолета, скорости ветра и т.д. Структура простейшей доплеровской РЛС показана на рис. 4. Передатчик вырабатывает немодулированные непрерывные колебания с частотой f0 , которые через прямой канал развязывающего устройства поступают в антенну и излучаются в направлении объекта. Кроме того, ослабленный сигнал передатчика отводится на вход смесителя приемника. Отраженный сигнал с частотой fОТР = f0 – FД поступает через антенну на вход смесителя, где смешивается с ослабленным сигналом передатчика. При этом на выходе смесителя возникают биения с доплеровской частотой FД амплитуды высокочастотного сигнала. Процесс смешения двух непрерывных колебаний и выделения сигнала доплеровской частоты наглядно иллюстрируется с помощью векторной и временных диаграмм, изображенных на рис. 5. 8 Развязывающее устройство Генератор непрерывных колебаний f0 Частотомер Усилитель доплеровских частот Объект f0 f0 ± FД Смеситель Рисунок 4 – Структурная схема доплеровской РЛС с непрерывным излучением Сдвиг фаз φ(t) между излучаемым сигналом U0 и отраженным сигналом UОТР определяется дальностью до объекта и если объект неподвижен (D0 = const), то и φ0(t) – не изменяется во времени. При движении объекта из-за изменения дальности D фазовый сдвиг φ(t) между излученным U0 и отраженным UОТР сигналами изменяется во времени. Это соответствует вращению вектора U ОТР и приводит к изменению величины результирующего вектора U РЕЗ . Например, в моменты времени t1 и t3 сигналы U0 и UОТР синфазны и амплитуда UРЕЗ максимальна, а в моменты времени t2 и t4 сигналы U0 и UОТР противофазны, что вызывает уменьшение амплитуды сигнала на выходе смесителя. Изменение результирующей амплитуды сигнала доплеровской частоты: 2 U U ОТР cos t U ОТР cos 2 FД t 2 D0 . (6) При этом результирующий вектор U РЕЗ испытывает "покачивания" с доплеровской частотой, обусловленные изменением φРЕЗ(t), что приводит к дополнительной частотной модуляции выходного сигнала смесителя. Однако на практике уровень прямого сигнала U0 значительно превышает уровень отраженного сигнала UОТР и влиянием паразитной ЧМ можно пренебречь. После выделения огибающей в усилителе доплеровских частот при коэффициенте передачи kУ , получаем выходные колебания доплеровской частоты: u ВЫХ k У U ОТР cos 2 FД t 0 , (7) позволяющие измерить радиальную скорость цели. Усилитель доплеровских частот (УДЧ) является фактически усилителем низкой частоты. Частотная характеристика УДЧ должна иметь спад в области низких частот для подавления отражения от неподвижных и малоподвижных целей. Граница спада АЧХ УДЧ в области высоких частот выбирается из условия 9 измерения максимальной скорости движения объекта. Индикатором может служить частотомер, проградуированный в значениях скорости объекта. u 0(t) t u ОТР(t) t u РЕЗ(t) . UОТР φ(t) ΔU . U0 . UРЕЗ φРЕЗ(t) t u ВЫХ (t) t1 t2 t3 Рисунок 5 – Временные и векторные диаграммы, поясняющие процесс выделения сигнала доплеровской частоты t4 t 10 Разрешающая способность по скорости это минимальное отличие в скорости одновременно облучаемых объектов, при котором сигналы, отраженные от них, могут быть выделены раздельно. Если по техническим условиям разрешения по скорости не требуется (то есть облучается только одна цель), то на выходе УДЧ (см. рис. 5) устанавливается простой частотомер и оценка скорости производится по измеренному значению FД на основании выражения (2). При этом УДЧ должен иметь широкую полосу пропускания, обеспечивающую одинаковое усиление во всем диапазоне ожидаемых доплеровских частот. При наличии нескольких целей, движущихся с разными скоростями, в частотном спектре колебаний на выходе УДЧ присутствует соответствующее число составляющих с разными доплеровскими частотами. Для их разделения, то есть разрешения объектов по скорости, необходимо произвести спектральный анализ принимаемого сигнала. Параллельный спектральный анализ осуществляется с помощью набора из нескольких полосовых фильтров (рис. 6). Для обеспечения наилучшей разрешающей способности и максимального отношения сигнал-шум полоса пропускания каждого из фильтров ΔFФ должна быть согласована с шириной спектра сигнала, отраженного от одиночной цели. При этом количество фильтров n, требуемых для параллельного анализа, n = Δf /ΔFФ , (8) где Δf – общая полоса ожидаемых доплеровских частот; ΔFФ – полоса пропускания отдельного фильтра. При таком параллельном анализе за счет одновременного "просмотра" всего диапазона возможных доплеровских частот обеспечивается минимальное время измерения без потерь энергии сигнала ТПАР. ИЗМ ≈ ТОБЛ ≈ 1/ΔFФ . К(f) Фильтр 1 Фильтр 2 Фильтр 3 Фильтр n-1 Фильтр Детекто р Детекто Детекто р р Детекто р Детекто р Индикатор а) n 0 ΔFФ1 ΔFФ2 ΔFФ3 ΔFФп-1 ΔFФп f б) Рисунок 6 – Структурная схема (а) и АЧХ (б) параллельного спектрального анализа При последовательном спектральном анализе используется один фильтр, перестраиваемый с определенной скоростью в диапазоне ожидаемых доплеровских частот. Время воздействия сигнала на такой фильтр гораздо меньше, чем его общая 11 длительность, что равносильно потерям полезной энергии в n раз (8). Для обеспечения энергетических соотношений, свойственных параллельному анализу, необходимо уменьшать скорость перестройки частоты фильтра, что приводит к увеличению в n раз времени измерения. 3. ДОПЛЕРОВСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА ВОЗДУШНОГО СУДНА 3.1. Физические принципы построения ДИСС Доплеровские измерители скорости и угла сноса (ДИСС) предназначены для определения составляющих вектора скорости ЛА относительно земной поверхности. Проекция вектора полной путевой скорости на земную поверхность называется путевой скоростью ЛА. Она представляет собой геометрическую сумму векторов воздушной скорости и скорости ветра. VПУТ VВОЗД VВЕТРА В навигации представленная сумма носит название навигационного треугольника скоростей. Угол (рис. 7) между векторами воздушной и путевой скорости носит название угла сноса. С продольная ось ЛА VВОЗД VВЕТРА VÂÅÒÐÀ VПУТ В Ю Рисунок 7 – Навигационный треугольник скоростей В настоящее время ДИСС играют большую роль при определении местоположения самолета методом счисления пути. Счислением пути называется метод определения местоположения ЛА, основанный на вычислении пройденного пути относительно известного начального положения ЛА. При этом пройденный путь ЛА вычисляется однократным интегрированием скорости. При этом ДИСС используется совместно с курсовой системой, измеряющей курс ЛА, датчиком вертикали и бортовой ЭВМ. Кроме того, ДИСС, установленные на вертолетах, применяются в режимах висения и посадки. 12 Доплеровские измерители находят широкое применение в составе аппаратуры, предназначенной для осуществления мягкой посадки космических аппаратов. В основу работы доплеровского измерителя скорости и угла сноса самолета положен эффект Доплера – изменение частоты волн принимаемых электромагнитных колебаний относительно частоты колебаний излучаемых, которые возникает при относительном перемещении источника излучения (передатчика) и приемника, или относительно отражающей площадки. Представим передатчик наземной РЛС который излучает в направлении объекта радиосигналы с несущей частотой f0 = с/. После отражения от объекта эти сигналы поступают на вход приемника РЛС. Если объект при этом приближается к РЛС с радиальной скоростью VP , то несущая частота отраженного сигнала на входе приемника равна fПР = f0 + FД .где FД = 2VР /. При этом частота принимаемых колебаний оказывается выше частоты первично излученных. Если РЛС размещена на самолете (рис. 8) и перемещается навстречу отражающему объекту со скоростью VПУТ = VР , то частота принятых после отражения колебаний так же будет равна fПР = f0 + 2VПУТ/. |FД|= f(γ) продольная ось ЛА VПУТ УТ |FД|= f(β) γ | F Д| = f( β ) S УТ У Т VПУТ β S Рисунок 8 – Диаграммы доплеровских частот FД = f(γ) и FД = f(β) 13 Если отражающая поверхность расположена на земле под углом относительно горизонтальной плоскости полета и в стороне под углом γ относительно направления полета (рис. 8), то доплеровская частота зависит от радиальной составляющей скорости VР сближения с отражающей областью S. FД 2VР 2VПУТ cos cos , (10.1) где VР – радиальная составляющая скорости сближения с отражающей площадкой S. Рассмотрим принцип работы однолучевого ДИСС, у которого ось диаграммы направленности антенны ДИСС наклонена относительно строительной оси самолёта на постоянный угол в вертикальной плоскости и может поворачиваться на произвольный угол в горизонтальной плоскости (рис. 8). Методика измерения путевой скорости и угла сноса самолёта с помощью однолучевого ДИСС сводится к следующим операциям: –– при фиксированном угле наклона антенны поворачивают диаграмму направленности по азимуту добиваясь γ = 0, и совмещая ось ДН с проекцией вектора путевой скорости, добиваясь максимального значения доплеровской частоты: 2V (10.2) FД МАКС ПУТ cos . Угол сноса α при этом условии оценивают по углу поворота антенны относительно оси самолета; –– по измеренному значению максимальной доплеровской частоты FД МАКС определяют путевую скорость самолёта: VП FД МАКС / 2 cos . Однолучевая система не находит применения из-за низкой точности измерений. 3.2. Погрешности измерения скорости и сноса Ошибка измерения угла сноса Δγ в однолучевом ДИСС из-за низкой пеленгационной чувствительности в направлении максимума доплеровской частоты (из-за погрешности измерения FД МАКС) FД МАКС ИЗМ FД МАКС FД 2VПУТ 2V cos ПУТ cos cos 2VПУТ 2V 2 cos 1 cos ПУТ cos 2 sin 2 FД МАКС 2 2 В результате ошибка измерения угла сноса: 2FД МАКС FД FД МАКС При относительной ошибке измерения FД МАКС = 1% ошибка измерения угла сноса Δγ = Δα ≈ 8о. Кроме того необходимо рыскание луча антенны. 14 Ошибка измерения однолучевого ДИСС путевой скорости из-за наличия крена или тангажа ЛА, при наличии которых пропорционально изменяется угол облучения подстилающей поверхности β. Продифференцируем по β значение максимальной доплеровской частоты: FД МАКС 2VПУТ cos dFД МАКС d 2VПУТ sin и перейдем к конечным приращениям: FД МАКС 2VПУТ sin . Тогда относительная погрешность измерения максимальной доплеровской частоты, следовательно, и путевой скорости –– составит: FД МАКС FД МАКС sin tg . cos При наклоне ДН антенны β = 70о наличие крена или тангажа Δβ = 1о относительная ошибка измерения доплеровской частоты, а следовательно и путевой скорости составит 4,7 %. Ошибка измерения угла сноса в двухлучевом односороннем ДИСС. Для повышения точности измерения угла сноса α применяют двухлучевой односторонний ДИСС (рис. 9). В таком ДИСС вперед направлены две ДН антенны, разведенные относительно биссектрисы на одинаковые фиксированные углы ψ. продольная ось ЛА А1 FД= f(γ) α ψ VПУТ γ ψ А2 Рисунок 9 – Двухлучевой односторонний ДИСС 15 При повороте антенны по азимуту стремятся совместить биссектрису антенной системы с проекцией вектора путевой скорости и добиться равенства FД . Угол сноса α измеряется при этом по углу поворота биссектрисы антенной системы относительно оси ЛА. 2VПУТ 2V cos cos ; FД 2 ПУТ cos cos . 2V 4V FД РАЗН ПУТ cos cos cos ПУТ cos sin sin FД 1 При относительной погрешности измерения разностной частоты FД РАЗН = 1 % погрешность измерения угла сноса α составит 0,28о т.е. уменьшится в 30 раз. Ошибка измерения путевой скорости двухлучевого двухстороннего ДИСС. Для устранения погрешности измерения путевой скорости применяется двухсторонняя система с лучами направленными вперед и назад (рис. 10). При отсутствии крена лучи направлены к подстилающей поверхности под одинаковыми углами β. При наличии крена или тангажа ВС угол наклона одного из лучей увеличивается, а второго луча –– уменьшается. Это в соответствии с рис. 10 приводит к противоположным по модулю изменениям доплеровских частот FД 1 2VПУТ cos cos FД 3 2VПУТ cos cos Δβ Δβ β А1 А3 Рисунок 10 – Двухлучевой двухсторонний ДИСС Сложение по модулю измеренных значений FД 1 и FД 3 FД СУММ 2VПУТ cos cos cos 4V cos 2 cos cos ПУТ cos cos cos . FД 1 FД 2VПУТ 3 16 Отклонение FД СУММ от её максимального значения при Δβ = 0 составит 4VПУТ cos cos 1 cos , а относительная ошибка измерения доплеровской частоты, пропорциональная относительной ошибке измерения скорости FД FД FД СУММ СУММ СУММ VПУТ 2 2 1 cos 2 sin VПУТ 2 2 Таким образом, в двухлучевом двухстороннем ДИСС при ошибке крена и тангажа в 1о относительная погрешность измерения путевой скорости ВС составляет 0,015 % . Очевидно, что одновременное повышение точности измерения и путевой скорости и угла сноса можно добиться использованием в ДИСС 3 или 4 лучей. 3.3. Спектр доплеровского сигнала в ДИСС Антенная система ДИСС имеет лучи конечной ширины, и поэтому отражение радиоволн происходит от достаточно большого участка земной поверхности. Этот участок включает в себя множество элементарных отражателей, независимых один от другого и расположенных произвольно в пределах облучаемого участка (рис. 11). Элементарные отражатели отличаются размерами, формой, электрическими параметрами, поэтому элементарные сигналы, отраженные от них, имеют различные и случайные начальные фазы и амплитуды. Поскольку в пределах ширины луча облучение участка земной поверхности происходит под различными углами в вертикальной плоскости, то отраженные элементарные сигналы имеют различные доплеровские сдвиги частоты относительно излученного сигнала, так как FД i 2VПУТ cos i λ где i - номер элементарного отражателя, βi - угол, под которым он облучается. Таким образом, при излучении монохроматического сигнала ввиду конечной ширины луча на выходе смесителя образуется немонохроматический (имеющий спектр конечной ширины) сигнал, представляющий сумму элементарных сигналов со случайными начальными фазами и амплитудами. 17 V Е (Fд) β1 β0 1 VПУТ Суша Море β2 H D2 D0 0,5 5 D1 0 FД 0 FД FД ЭФ а б Рисунок 11 – Принцип формирования (а) спектра доплеровских частот (б) Следует отметить, что под одинаковым углом βi в пределах ширины луча облучается не один, а несколько элементарных отражателей, образующих семейство гипербол на земной поверхности (см. рис.11, а). Распределение энергии сумм элементарных сигналов с одинаковыми доплеровскими частотами, усредненное по множеству случайных отражателей, называется доплеровским спектром отраженного от земной поверхности сигнала. Форма огибающей доплеровского спектра для ДИСС с излучением непрерывных немодулированных колебаний показана на рис. 11,б. Если коэффициент отражения земной поверхности постоянен в пределах ширины диаграммы направленности антенны ДИСС, то FД СР совпадает с частотой FД 0 доплеровского сигнала элементарного отражателя, облучаемого под углом β0. Ширина спектра FД ЭФ определяется выражением FД ЭФ 0 ,5 4V 4VПУТ cos 0 ,5 ПУТ cos 2 2 0,5 , sin 0 sin 2 где 0,5 – ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 мощности. Учитывая, что в современных ДИСС используются антенны с узкой диаграммой направленности 0,5 = (4…5), и β0 = (65...70) относительная ширина доплеровского спектра определяется выражением: FД ЭФ FД СР tg 0 sin 0,5 , 2 18 и зависит от ширины диаграммы направленности и угла наклона луча в вертикальной плоскости. Тогда при горизонтальном полете ВС с углом сноса = 0 получим ΔFД ЭФ / FД СР = 0,02…0,03. Следовательно, доплеровский сигнал является узкополосным. При увеличении путевой скорости спектр доплеровского сигнала расширяется и сдвигается в область более высоких частот (рис.12). Е(FД) VПУТ 1 VПУТ 2 VПУТ 3 VПУТ 3 VПУТ 2 VПУТ 1 W3 0 FДср1 F FДср3 FДср2 Рисунок 12 – Эволюции спектра доплеровского сигнала при изменении скорости ВС Рассмотрим влияние изменения характера подстилающей поверхности на спектр доплеровского сигнала. Для всех видов земной поверхности удельная ЭПР и коэффициент обратного отражения в большей или меньшей степени зависит от угла облучения β и возрастает при увеличении β. Очевидно, что элементарные отражатели, облучаемые под углом β β0 , регулярно отражают большую мощность сигнала, чем отражатели, облучаемые под углом β β 0. Это приводит к смещению средней частоты доплеровского спектра в область низких частот и несимметричности спектра. Поскольку изменение коэффициента обратного отражения в пределах ширины луча при отражении от морской поверхности проявляется сильнее, чем при отражении от суши, то и смещение средней частоты спектра также будет большим (Рис. 11,б). Для уменьшения этих погрешностей в вычислителе ДИСС вводятся поправки на среднее смещение частоты при полете над сушей и при полете над морем. При этом в современных ДИСС предусмотрены режимы работы “СУША” и “МОРЕ”, включаемые летчиком. 3.4. Классификация типов ДИСС В зависимости от особенностей технической реализации различают следующие основные типы ДИСС: – самолетные и вертолетные; – с непрерывным и импульсным излучением; – с излучением модулированных и немодулированных колебаний; – с раздельной и попарной обработкой сигналов, принимаемых по лучам антенной системы. Стандартные диапазоны рабочих частот ДИСС — (8,8…9,8) ГГц и (13,25…13,4) ГГц 19 Самолетные ДИСС предназначены для определения только путевой скорости и угла сноса. Поскольку вектор путевой скорости самолета всегда направлен вперед и отклонен от продольной оси самолета на угол не более 20о…25о, то знак доплеровского смещения частоты по каждому из лучей известен заранее и его определение в полете не требуется. Вертолетные ДИСС должны определять три составляющие вектора полной скорости (продольную, поперечную и вертикальную). Перемещение вертолета в пространстве может быть произвольным, включая зависание. Поэтому в вертолетных ДИСС необходимо измерять доплеровские частоты вплоть до значений, близких к нулю, а также определять их знак. Поэтому вертолетные измерители сложнее самолетных и характеризуются большим объемом выходных данных, поскольку наряду с измерением трех составляющих вектора скорости в полете по маршруту измеряются путевая скорость и угол сноса. В настоящее время наиболее широко используются трех- и четырехлучевые самолетные и трехлучевые вертолетные ДИСС. Принцип построения ДИСС существенно зависит от режима излучения и вида модуляции излучаемых колебаний. Различают когерентный (автокогерентный) и некогерентный способы выделения в ДИСС доплеровской частоты из отраженного сигнала. При когерентном приеме частота отраженного сигнала сравнивается с частотой колебания передатчика. При этом возможно определение знака доплеровского смещения частоты. Когерентный прием имеет место при излучении непрерывных (немодулированных или частотно-модулированных) колебаний. Основным достоинством ДИСС с непрерывным немодулированным излучением является сосредоточенность спектра доплеровского сигнала в пределах одной, достаточно узкой, полосы частот, что обеспечивает наиболее полное использование энергии сигнала. Недостатком ДИСС с непрерывным излучением является трудность устранения просачивающегося на вход приемника сигнала передатчика. Этот сигнал попадает на вход приемника как вследствие связи между приемной и передающей антеннами, как правило, расположенными рядом, так и вследствие отражения прямого сигнала от элементов конструкции ВС. Просочившийся сигнал обычно модулирован по амплитуде и фазе по случайному закону и при полете ВС на достаточно большой высоте может во много раз превышать не только собственные шумы приемника, но и принимаемый сигнал, что ведет к снижению чувствительности приемника. Для уменьшения влияния просочившихся сигналов в ДИСС с непрерывным излучением используются частотная модуляция. ДИСС с частотной модуляцией, сохраняя преимущества непрерывного излучения, позволяют существенно снизить влияние шумовой составляющей просачивающегося на вход приемника излучаемого сигнала, т.к. благодаря частотной модуляции спектр отраженного сигнала сдвигается пропорционально его задержке. Однако в таких ДИСС присутствует эффект “слепых высот”. 20 При излучении импульсных некогерентных колебаний выделение доплеровской частоты путем непосредственного сравнения по частоте излучаемых и отраженных колебаний невозможно, так как они смещены во времени. Поэтому измерения доплеровских частот в этом случае основываются на сравнении частот колебаний, одновременно принимаемых по различным лучам антенной системы. Однако при такой обработке знак доплеровского смещения частоты определить не удается. Поэтому режим работы с излучением импульсных некогерентных колебаний можно применять только в самолетных ДИСС. В импульсном режиме развязку приемного и передающего каналов производят путем запирания приемника на время излучения импульса. Однако при этом появляются "слепые высоты", т.е. ДИСС оказывается неработоспособным на высотах, где время задержки отраженных сигналов кратно периоду повторения импульсов. Основным недостатком ДИСС с импульсным излучением и автокогерентной обработкой является ухудшение качества работы при крене и тангаже ВС, а так же при полете над пересеченной местностью. При этом имеет место неодновременный приход сигналов по парам лучей, вплоть до отсутствия их перекрытия во времени, в результате чего разностные биения не образуются. Для устранения влияния крена и тангажа используют стабилизацию антенной системы ДИСС в горизонтальной плоскости. Следует отметить, что в ДИСС с автокогерентной обработкой сигналов могут использоваться генераторы с невысокой стабильностью частоты, так как для выделения доплеровской частоты сравниваются одновременно приходящие по лучам приемной антенны отраженные сигналы, на которых частотные и фазовые нестабильности сказываются в равной степени и при вычитании спектров компенсируются. 3.5. Самолетный ДИСС с автокогерентной обработкой сигнала Импульсный передатчик формирует зондирующие импульсы, которые через антенный переключатель поступают в антенну. Антенна (рис. 13.) представляет собой волноводно-щелевую решётку и формирует 4 луча, причём одновременно последовательность зондирующих импульсных радиосигналов излучается через 2 луча (например, А1 и А3). Отраженные от земли сигналы поступают по соответствующим двум лучам обратно в антенну. При этом частота сигналов, принятых передним лучом (А1), выше излученной частоты на величину доплеровского сдвига, а принятых задним лучом (А2) –– ниже на эту же величину. В результате сложения этих сигналов на вход приёмника поступают радиоимпульсы, модулированные по амплитуде удвоенной доплеровской частотой. В антенне последовательно под действием коммутатора полусистем переключается направление излучения (лучи А1 и А3 сменяются лучами А2 и А4). Диагональные пары лучей называются полусистемами. При этом на входе приемника импульсы испытывают аналогичную амплитудную модуляцию, как и при работе первой полусистемы. 21 Структурная схема такого ДИСС приведена на рис. 14. После усиления супергетеродинным приемником, амплитудного V А4 детектирования и низкочастотной фильтрации сигналы удвоенной А1 доплеровской частоты поступают на А3 частотомеры В разностном частотомере А2 сигналы преобразуются в два постоянных напряжения, одно из которых пропорционально средней Рисунок 13 – Диаграмма направленности 4-лучевого ДИСС доплеровской частоте одной полусистемы, а второе – другой полусистемы. Путём сравнения двух постоянных напряжений определяется с соответствующим знаком разница между ними, появляющаяся вследствие сноса самолёта. Это напряжение в качестве сигнала ошибки поступает на двигатель отработки угла сноса, который поворачивает антенну до тех пор, пока сигнал ошибки не станет равным нулю, т.е. частоты в полусистемах не уравниваются и ось антенной системы не совместится с вектором путевой скорости. Расположенный в антенном блоке сельсин-датчик передаёт данные об угле поворота антенны относительно оси самолета на индикатор угла сноса. Импульсный передатчик Гетеродин Амплитудный детектор УПЧ Фильтр доплеровских частот Усредняющий частотомер АП Антенна Коммутатор полусистем Разностный частотомер Индикатор путевой скорости Смеситель Индикатор угла сноса Усилитель Двигатель поворота антенны Датчик угла поворота Рисунок 14 – Упрощенная структурная схема 4-лучевой ДИСС с автокогерентной обработкой сигнала и поворотной антенной Во втором усредняющем частотомере производится измерение доплеровской частоты и подача результатов на индикатор путевой скорости. 22 Кроме режима «Работа» в ДИСС предусмотрен кратковременный режим «Память», который включается автоматически и сохраняет показания индикаторов на случай аварийных и особых ситуаций, а именно: 1) воздействие импульсной помехи; 2) снижение уровня отражённого сигнала, возможное при резком изменении рельефа подстилающей поверхности; 3) превышение допустимых крена и тангажа самолёта. Данные о крене и тангаже поступают от бортовых гирокомпаса и гировертикали. В ДИСС имеется переключатель «Суша-Море», что связано со смещением спектра доплеровских частот при отражении от моря в низкочастотную область. Смещение спектра происходит вследствие большой крутизны изменения коэффициента отражения от угла наклона диаграммы направленности для моря, чем для суши. Поэтому для компенсации этого смещения в индикаторе ДИСС изменяется масштаб калибровки путевой скорости с учётом среднегодового состояния морей. 3.6. Вертолетный когерентный ДИСС В качестве обобщенной рассмотрим структурную схему ДИСС с излучением непрерывных немодулированных колебаний и непосредственным преобразованием отраженных сигналов на низкую частоту (рис.15). Основными функциональными элементами ДИСС являются: – генератор высокой частоты , формирующий сигнал частоты f0; – передающая и приемная антенны, которые могут формировать до четырех лучей каждая; – смеситель, на выход которого поступают опорный сигнал передатчика с частотой f0 и сигнал, отраженный от земной поверхности с частотой f0 FДi; – усилитель низкой частоты, осуществляющий усиление, фильтрацию от помех и ограничение доплеровского сигнала, а в ряде случаев и определение знака доплеровского смещения частоты относительно излучаемой частоты передатчика f0. FДi ВЧ блок Генератор высокой частоты Усилитель низкой частоты Смеситель f0 FДi f0 Передающая антенна Приемная f0 антенна fПР Измеритель доплеровских частоты Вычислитель путевой скорости и угла сноса u FДi Данные о крене и тангаже Индикатор путевой скорости и угла сноса к НВ СМ Рисунок 15 – Обобщенная структурная схема когерентного ДИСС 23 В современных ДИСС перечисленные блоки конструктивно объединены в моноблок (ВЧ блок). Доплеровские сигналы с выхода ВЧ блока поступают на вход измерителя частоты. Напряжения, пропорциональные значениям доплеровских частот, с выхода измерителя частоты поступают в вычислитель, где с учетом данных о крене и тангаже ВС, а также данных об угловой ориентации лучей ДИСС вычисляются значения путевой скорости VПУТ и угла сноса α. Полученные данные о путевой скорости и угле сноса поступают на индикатор и в навигационный вычислитель (НВ) для реализации счисления пути и траектории полета. Структурная схема вертолетного ДИСС-32 представлена на рис. 16. В состав ДИСС входят: – высокочастотный блок (ВЧ); – блок вычислителей скорости (ВСС) включающий вычислитель составляющих вектора скорости в системе координат, связанной с вертолетом, и вычислитель в горизонтальной системе координат; – индикатор висения и малых скоростей; – два индикатора путевой скорости и угла сноса,; – блок вычисления координат (БВК); – два индикатора координат (географических ИГК и ортодромических ИОК). Картографический индикатор Блок функционального контроля Передающая антенна Датчик Индикатор географических координат Блок ВСС Блок ВЧ Радиопередатчик Датчик Устройство выделения доплеровских частот Приемная антенна Вычислитель составляющих вектора скорости Вычислитель горизонтальных составляющих вектора скорости Индикатор висения и малых скоростей Индикатор Индикатор путевой скорости путевой и угласкорости сноса и угла сноса Рисунок 16 – Структурная схема ДИСС-32 Блок вычисления координат Индикатор ортодромиче ских координат 24 В комплект аппаратуры также входят: блок вторичных напряжений питания, картографический индикатор и бортовой пульт контроля. Электромагнитные колебания, генерируемые передатчиком блока ВЧ на частоте f0, проходят щелевой мост, делятся на три равные части и подводятся к трем рупорным излучателям передающей антенны для излучения по узконаправленным лучам. Сигналы, отраженные от земной поверхности с частотами f0 FДi, где i = 1,2,3, принятые по трем узконаправленным лучам, поступают в приемную антенну и далее в приемное устройство – устройство выделения доплеровской частоты УВДЧ. Диаграммы передающей и приемной антенн совпадают и определяют общую диаграмму направленности антенной системы ДИСС От передатчика в приемник подается часть мощности сигнала на частоте f0, что позволяет выделить из отраженных сигналов доплеровские частоты FД1, F Д2 и FД3 с учетом их знака и преобразовать их в соответствующие импульсы с частотами следования F1, F2, F3, совпадающими с частотами доплеровских сигналов. Блок ВСС по входной информации о текущих значениях FДi и их знаке вычисляет составляющие скорости в системе координат, связанной с вертолетом (составляющие Vx, Vy, Vz). Вычисленные составляющие скорости в виде постоянных напряжений, пропорциональных этим составляющим, выдаются в соответствующие бортовые системы вертолета. При переходе ДИСС в режим «Контроль» (блока функционального контроля) в приемник вместо импульсов доплеровских частот F1, F2, F3 поступают определенные сочетания контрольных частот Fк1, Fк2, Fк3.Этим сочетаниям контрольных частот соответствуют контрольные значения выходных параметров блока ВСС. Индикатор путевой скорости и угла сноса предназначен для вычисления и индикации путевой скорости VПУТ и угла сноса . На обоих индикаторах имеется индикация режима «Память» (потеря слежения за сигналом) и переключатель калибровки СУША-МОРЕ. Индикатор висения и малых скоростей ИВиМС предназначен для индикации трех составляющих (продольной, поперечной и вертикальной) вектора скорости в режиме висения и малых скоростей (до 50 км/ч) по напряжениям, пропорциональным этим составляющим, которые поступают из блока ВСС. Блок вычисления координат БВК совместно с двумя блоками индикаторов координат предназначен для вычисления координат местоположения вертолета в ортодромической и географической системах координат по импульсам, поступающим из БВК. При этом обеспечивается непрерывное счисление пути относительно земли и выдачи данных, пропорциональных величине и скорости бокового уклонения самолета от ортодромии. Картографический индикатор КИ предназначен для визуальной индикации местоположения вертолета на географической карте, расположенной на лицевой панели блока. 25 4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ» 4.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучить принципы построения доплеровских измерителей скорости объектов с непрерывным излучением. Рассчитать и теоретически исследовать погрешности измерения скорости. Экспериментально исследовать погрешности измерения скорости в различных режимах. 4.2. ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ "БАРЬЕР" Измеритель скорости "Барьер-2" предназначен для дистанционного измерения скорости движения транспортных средств. При контроле скоростного режима группы транспортных средств измеритель скорости измеряет значение скорости транспортного средства, движущегося с наибольшей скоростью в группе. Технические характеристики измерителя "Барьер 2": – диапазон рабочих частот ............................................. Х-диапазон (~10 ГГц); – диапазон измеряемых скоростей .......................................... от 20 до 199 км/ч; – основная погрешность измерения скорости ........................ ± 1км/ч; – время измерения не более ...................................................... 2 с; – дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры от –30 ºС до +50 ºС ......................................... не более ±1км/ч; – дополнительная погрешность, вызванная изменением напряжения питания от 11 В до 15 В .................................. не более ±1км/ч; – дальность действия по легковому автомобилю ................. не менее 300 м ; – напряжение питания ............................................................... 13 ± 2 В. Источником питания прибора является батарея аккумуляторов автомобиля. Структурная схема измерителя представлена на рис. 17. Конструктивно измеритель "Барьер-2" выполнен в виде двух блоков: измерительного блока и блока обработки информации. Конструктивное расположение элементов измерительного блока приводится в приложении на рис. А1. Измерительный блок предназначен для генерирования и направленного излучения СВЧ колебаний в сторону движущегося объекта, приема отраженных сигналов, а также для визуализации измеренного значения скорости на цифровом табло. Непрерывные немодулированные гармонические СВЧ колебания трехсантиметрового диапазона создаются в измерительном блоке генератором, выполненном на диоде Ганна типа АФ 00ІА. 26 Дополнительный стабилизатор напряжения +8,5 В предназначен для питания СВЧ генератора, а также содержит схему индикации разряда источника питания. Кроме того, на плате стабилизатора установлена кнопка включения генератора СВЧ колебаний. Гармонические СВЧ колебания излучаются в направлении транспортного средства с помощью рупорной антенны с круглым раскрывом диаметром 9 см. Ширина диаграммы направленности антенны составляет около 20 градусов по уровню половинной мощности. На вход смесителя приемника, собранного на диоде типа Д405АП, одновременно поступают два непрерывных гармонических СВЧ сигнала: – сигнал, поступающий непосредственно от передатчика; – сигнал, отраженный от движущегося объекта. Измерительный блок Стабилизатор напряжения питания +8,5В Генератор СВЧ (диод Ганна) Волноводный тройник Предварительный усилитель с АРУ Смеситель Рупорная антенна + 12 В Цифровой индикатор Блок обработки информации Устройство аналоговой обработки сигналов Дешифратор Устройство цифровой обработки сигналов Стабилизатор напряжения питания + 5В + 12 В Генератор импульсов синхронизации Рисунок 17 – Структурная схема измерителя скорости "Барьер-2" На выходе смесителя возникает ряд напряжений с комбинационными частотами, в том числе и напряжение с частотой FД, несущее информацию о скорости объекта. Это низкочастотное напряжение выделяется и усиливается в предварительном усилителе, в котором для расширения динамического диапазона применена автоматическая регулировка усиления (АРУ). В этом усилителе производится 27 предварительная селекция спектра доплеровских частот, соответствующих всему диапазону измеряемых скоростей. С выхода предварительного усилителя сигнал через соединительный кабель поступает на вход блока обработки информации. Блок обработки информации включает генератор импульсов синхронизации, устройства аналоговой и цифровой обработки сигнала. В процессе аналоговой обработки обеспечивается: – повышение отношения сигнал /шум и защита обрабатываемого сигнала от воздействия импульсных помех за счет дополнительной частотной фильтрации; – формирование из аналогового квазигармонического сигнала последовательности прямоугольных импульсов фиксированной длительности; – приоритет для выделения сигнала, отраженного от объекта, движущегося с наибольшей скоростью, в случае приема сигналов, отраженных от группы объектов, движущихся с различными скоростями. Для этого в соответствии с формулой (8) схема частотной селекции включает восемь идентичных каналов логической и цифровой обработки сигналов, отличающихся друг от друга частотами в пределах всего спектра доплеровских частот. Конструктивно эти восемь идентичных каналов отличаются только номиналами элементов селективных фильтров. Диапазоны частотных полос пропускания каждого канала приведены в табл. 2. Таблица 2 – Параметры селективных фильтров измерителя Номер канала Граничные частоты канала селекции по уровню 3 дБ 1 3200...4000 Гц 2 2500...3200 Гц 3 2000...2500 Гц 4 1600...2000 Гц 5 1250...1600 Гц 6 1000...1250 Гц 7 800...1000 Гц 8 400... 800 Гц После усиления и ограничения сигнал, представляющий последовательность прямоугольных импульсов с частотой FД поступает на платы цифровой обработки, где производится подсчет количества импульсов с частотой FД за фиксированный интервал времени, который задается генератором импульсов синхронизации. После подсчета количества импульсов производится запоминание 28 полученного числа в позиционном двоично-десятичном коде, который после дешифрирования высвечивается на цифровом индикаторе измерительного блока. На индикаторе измерительного блока отображается следующая информация: – о включении питания измерителя скорости (светится сегмент "запятая" младшего разряда индикатора); – о включении СВЧ генератора на излучение (светятся сегменты "запятая" всех трех разрядов индикатора); – о скорости движущихся объектов (светятся цифровые значения трех разрядов); – о разряде батареи аккумуляторов ниже допустимого уровня (светится буква "Р" в старшем разряде индикатора). Главным органом управления измерителя "Барьер-2" является кнопка "ВКЛ" на ручке измерительного блока. При нажатой кнопке "ВКЛ" осуществляется излучение высокочастотного сигнала, поэтому в процессе выполнения лабораторной работы в паузах между измерениями эта кнопка должна находиться в отжатом положении. Отличительной особенностью последующей модификации измерителя "Барьер 2-2М" является его конструктивное выполнение в виде одного блока с использованием современной элементной базы. Конструкция измерителя "Барьер 22М" представлена в приложении на рисунке А2. В измерителе "Барьер 2-2М" улучшена разрешающая способность по скорости, так скорость транспортного средства, движущегося с наибольшей скоростью в группе, фиксируется при разности их скоростей – 5 км/ч. Улучшение этого параметра достигается за счет использования схемы фильтрации с перестраиваемой полосой пропускания и микропроцессорных схем цифровой обработки. Кроме того, в измерителе "Барьер 2-2М" расширены функции управления. На рис. 18 изображены органы управления измерителем. После включения измерителя кнопкой 5 на индикаторе 1 с помощью кнопки 1 2 3 4 5 4 устанавливается значение порога скорости. Кнопки 3 и 5 предназначены для перемещения курсора. Затем ИЗЛ. ВЫКЛ. ИЗМЕН. ВКЛ. кнопкой 4 измеритель переводится в режим "Готовность". Рисунок 18 – Органы управления измерителя "Барьер 2-2М" 29 При нажатии кнопки на ручке измерителя включается излучение СВЧ сигнала, которое сопровождается вспышками сигнального светодиода 2. При направлении рупора на движущееся транспортное средство, скорость которого превышает установленный ранее порог, на индикаторе 1 высвечивается и запоминается измеренное значение скорости и срабатывает прерывистый звуковой сигнал. Для повторного измерения нажимается кнопка на ручке измерителя. Выключение измерителя производится нажатием на кнопку 3. 4.3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Лабораторная установка для исследования характеристик доплеровского измерителя скорости включает в себя следующее оборудование: комплект аппаратуры измерителя "Барьер"; безэховую камеру ТУ 25-06; источник питания Б5-47; генераторы низкочастотных колебаний Г3-110; частотомер Ч3-38; прибор универсальный В7-22А. Структурная схема установки изображена на рис.19. Безэховая СВЧ камера представляет собой экранированное закрытое пространство, внутренние стенки которого покрыты поглощающим материалом. "БАРЬЕР" 1 Измерительный блок Безэховая СВЧ камера Генератор НЧ Г3-110 Частотомер Ч3-38 Генератор НЧ Г3-110 Прибор В7-22 Блок обработки информации Источник питания Б5-47 Рисунок 19 – Схема лабораторной установки для проверки диапазона и погрешностей измерения скорости 30 С правой стороны камеры в специальный ложемент устанавливается измерительный блок исследуемого устройства. На противоположной стенке камеры установлены диффузоры 1 двух датчиков-имитаторов скорости движения, каждый из которых подключен к отдельному генератору низкой частоты Г3-110. При подаче сигнала от ГНЧ на датчики их металлизированные диффузоры колеблются, имитируя движение объекта, и создают частотную модуляцию СВЧ сигнала, отраженного от диффузоров. 4.4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ 4.4.1. Подготовка оборудования и приборов. Измеритель скорости установить в ложемент безэховой камеры и подать на него питающее напряжение от источника Б5-47 (13 В). Кнопка "ВКЛ" на ручке измерительного блока должна быть отжата. Включить генераторы Г3-110 и измерительные приборы для прогрева в течение 10 минут. 4.4.2. Определение значения максимальной измеряемой скорости производится следующим образом: – подключить генератор Г3-110 к одному из датчиков-имитаторов скорости движения объекта; – установить на выходе генератора Г3-110 частоту сигнала 3,8 кГц при уровне выходного сигнала 60 мВ. При этом будет слышен характерный звук датчикаимитатора движения, установленного в безэховой камере. Контроль установки частоты производить частотомером Ч3-38 с погрешностью ± 1 Гц. – включить измеритель на излучение нажатием кнопки "ВКЛ" на ручке измерительного блока, зафиксировать показания измерителя и занести в таблицу; – плавно увеличивать частоту сигнала Г3-110 до момента срыва показаний доплеровского измерителя и зафиксировать максимальные значения. – выключить СВЧ излучение, отжав кнопку "ВКЛ" на ручке измерительного блока. 4.4.3. Определение значения минимальной измеряемой скорости производится следующим образом: – подключить генератор Г3-110 к одному из датчиков-имитаторов скорости движения объекта; – установить на выходе генератора Г3-110 частоту сигнала 450 Гц при уровне выходного сигнала 60 мВ; – включить измеритель на излучение нажатием кнопки "ВКЛ" на ручке измерительного блока, зафиксировать показания измерителя и занести в таблицу; – плавно уменьшать частоту сигнала Г3-110 до момента срыва показаний 31 доплеровского измерителя и зафиксировать полученные значения частоты и скорости. – выключить СВЧ излучение, отжав кнопку "ВКЛ" на ручке измерительного блока. На основании результатов, полученных при выполнении пп.5.2 и 5.3 по формуле (2), рассчитать рабочую частоту и длину волны излучения измерителя. 4.4.4. Определение основной погрешности измерения: – подключить генератор Г3-110 к одному из датчиков-имитаторов скорости движения объекта; – установить на выходе генератора Г3-110 уровень выходного сигнала 60 мВ; – включить измеритель на излучение нажатием кнопки "ВКЛ" на ручке измерительного блока; – осуществлять перестройку частоты генератора с шагом 200…400 Гц от минимального до максимального значений, полученных при выполнении пп. 6.2 и 6.3. – выключить СВЧ излучение, отжав кнопку "ВКЛ" на ручке измерительного блока; – результаты измерений занести в таблицу и представить в виде графика. Оценить максимальные отклонения графика от линейной зависимости и определить погрешность измерения; – сравнить полученные значения погрешностей с результатами расчета потенциальной погрешности по формулам (3, 5, 9) при следующих условиях: – время измерения 0,5…1 с; – максимальное ускорение объекта 4…6 м/с; – отношение сигнал-шум (3…5). 4.4.5. Оценка уровня приоритета выделения сигнала отраженного от объекта, движущегося с наибольшей скоростью: – подключить два генератора Г3-110 к двум датчикам-имитаторам скорости движения, – установить на выходе одного генератора Г3-110 частоту, соответствующую скорости движения 75 км/ч, и уровень выходного сигнала 60 мВ (соответствует дальности до объекта – 300 м); – установить на выходе второго генератора Г3-110 частоту, соответствующую скорости движения 55 км/ч, и уровень выходного сигнала 60 мВ; – включить измеритель на излучение нажатием кнопки "ВКЛ" зафиксировать показания измерителя (измеритель должен регистрировать наибольшую скорость – 75 км/ч); – плавно увеличивать уровень сигнала второго генератора Г3-110 до момента 32 нарушения правильных показаний измерителя скорости. – выключить СВЧ излучение, отжав кнопку "ВКЛ" на ручке измерительного блока; – определить отношение уровней сигналов генераторов и оценить отличие в дальностях до двух имитируемых объектов. Сделать выводы. 5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет о лабораторной работе должен включать: структурную схему доплеровского измерителя; основные характеристики измерителя; формулы и результаты теоретической оценки частоты излучения и потенциальной погрешности; результаты экспериментального исследования, таблицы, графики; выводы по работе. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Поясните принцип измерения радиальной скорости объекта на основе эффекта Доплера. 2. Влияет ли на несущую частоту отраженного радиосигнала наличие трансверсальной составляющей скорости движения объекта? 3. Изобразите полярную диаграмму доплеровских частот и поясните влияние величины угла α на значение FД. 4. Перечислите и поясните причины, вызывающие расширение спектра доплеровских частот. На какую характеристику РЛС влияет это расширение? 5. Изобразите структурную схему доплеровской РЛС с непрерывным излучением и поясните назначение отдельных узлов и блоков. 6. Оцените ширину диаграммы направленности измерителя "Барьер", если раскрыв круглого рупора составляет 9 см. 7. Объясните процедуру выделения и измерения доплеровской частоты в РЛС с непрерывным излучением СВЧ сигнала. 8. Какими параметрами сигнала определяются разрешающая способность по скорости и потенциальная ошибка измерения скорости? 9. Поясните назначение цепочки селективных фильтров в измерителе "Барьер-2". 10. Предложите и поясните принцип цифрового измерения доплеровской частоты. 11. Опишите процедуру экспериментального исследования характеристик доплеровского измерителя скорости "Барьер". 33 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Багдасарян С.И., Маляренко А.И., Ширман Я.Д. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория: Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана – М. "Радиотехника", 2007. – 512 с. 2. Радиотехнические системы: Учебник для вузов / Под ред. Ю.М. Казаринова.– М.: Высш. школа, 1990. – 496 с. 3. Чердынцев В.А. Радиотехнические системы: Учебное пособие для вузов, – Минск: Выш. школа, 1988. – 369 с. 4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебное пособие для вузов. – М: Радио и связь ,1983. – 536 с. 5. Васин В.В., Степанов Б.М. Справочник-задачник по радиолокации. – М.: Сов. радио, 1977. – 320 с. 6. Измеритель скорости движения транспортных средств дистанционный "Барьер-2": Техническое описание. – Запорожье, Токмак, 1996. – 34 с. 7. Измеритель скорости движения транспортных средств дистанционный "Барьер 2-2М": Техническое описание. – Запорожье, "Запорожприбор", 2005. – 29 с. ПРИЛОЖЕНИЕ Рисунок А1 – Конструкция измерительного блока прибора "Барьер-2" 1 – рупорная антенна; 2 – генератор СВЧ на диоде Ганна; 3 – плата индикации; 4 – смесительный диод; 5 – кнопка включения излучения; 6 – усилитель с АРУ; 7 – стабилизатор напряжения питания. 34 А ПРИЛОЖЕНИЕ Рисунок Б1 – Конструкция измерительного блока прибора "Барьер -2М" 1 – рупорная антенна; 2 – генератор СВЧ на диоде Ганна; 3 – плата управления и индикации; 4 – смесительный диод; 5 – кнопка включения излучения; 6 – усилитель с АРУ; 8 – плата обработки сигналов; 9 световой индикатор СВЧ излучения; 10 – звуковой индикатор превышения порога. 35 Б ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ОБЪЕКТОВ Учебно-методическое пособие Составители: Поляков Александр Леонидович, Слёзкин Виталий Геннадьевич В авторской редакции Изд. № 62/2020. Объем 2,25 п.л. РИИЦМ ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет»