Исследование доплеровской РТС

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ РУКОВОДСТВО
к лабораторной работе ИССЛЕДОВАНИЕ ДОПЛЕРОВСКОЙ РТС ИЗМЕРЕНИЯ
ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА (ДИСС) по курсу "Радиотехнические
системы” для специальности "Радиотехника"
Минск 2013г
УДК 621. 396. 96
Предназначены для практического освоения раздела "Радиоизмерители
скорости летательных аппаратов" курса "Радиотехнические системы".
Изучаются принцип действия и построение доплеровского измерителя скорости
и угла сноса летательного аппарата с частотной модуляцией на основе
лабораторной установки, реализующей принцип действия многолучевого
ДИСС со следящим измерителем средней частоты доплеровского спектра.
Приводятся краткие теоретические сведения о физических основах метода
измерения путевой скорости и угла сноса с использованием эффекта Доплера.
Ил. - 8, список лит. - 3 назв.
Составитель В.Г. Устименко
Минск 2013
1
СОДЕРЖАНИЕ
1................................................................................................................................... Ц
ЕЛЬ РАБОТЫ.......................................................................................................................3
2................................................................................................................................... Ф
ИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПУТЕВОЙ
СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА.........................................................................................3
2.1 ........................................................................................................................
Структура доплеровского спектра..........................................................................7
2.2 ........................................................................................................................
Измерители средней частоты (ИСЧ) доплеровского спектра .........................7
2.3 ........................................................................................................................
Режим «память» в ДИСС .......................................................................................10
3................................................................................................................................... О
ПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ .........................................................10
4 .................................................................................................................. П
ОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ............................................................ 11
5 .................................................................................................................. С
ОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ................................................................................. 14
6 .................................................................................................................. К
ОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ........................................................................... 14
7 .................................................................................................................. С
ПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................ 14
2
1ЦЕЛЬ РАБОТЫ
В настоящей лабораторной работе студенты должны изучить:
1. Физические основы доплеровского измерения путевой скорости и угла сноса
летательных аппаратов.
2. Способы измерения средней частоты доплеровского спектра.
3. Структурную схему ДИСС со следящим измерителем средней частоты
доплеровского спектра.
4. Функциональную схему лабораторной установки.
После проведения эксперимента выполнить заданные расчеты, оценить
погрешность измерений параметров следящим измерителем. Сделать выводы по
работе.
2ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ
ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ И УГЛА СНОСА
Радиальную скорость Vr цели или летательного аппарата с помощью РТС можно
измерить двумя способами: используя эффект Доплера на несущей частоте или
выражение Vr  dR / dt (где R - расстояние между измерительной системой и целью),
т.е. Vr определяется дифференцированием показаний радиодальномера либо оценкой
конечной разности дальностей на границах фиксированного интервала времени.
Обычно используется первый способ, обладающий более высокой точностью
измерения.
Разность частот изученного и принятого колебаний называют доплеровским
приращением частоты f  и для запросно-ответного или радиолокационного канала
(не связного) f   2Vr (t ) /  , где Vr (t ) - радиальная составляющая скорости;  - длина
волны излучаемых колебаний. В практических расчетах удобнее использовать
выражение
f   200(V (t ) / )cos (t ) ,
(1)
где f  - выражается в герцах, скорость - в метрах в секунду,  - длина волны - в
сантиметрах , (t ) - угол между направлением излучения и вектором скорости V (t ) .
Путевой скоростью V летательного аппарата (ЛА) называют его горизонтальную
составляющую, состоящую из скорости движения ЛА относительно воздушной среды
Vв и скорости движения воздушной среды относительно Земли - скорости ветра U .
На рисунке 1 перечисленные векторы скоростей образуют так называемый
навигационный треугольник, а угол  получил название угла сноса.
Измерению обычно подвергаются модуль вектора путевой скорости и угол сноса,
однозначно определяющие величину и направление V в связанной системе координат
ЛА.
3
Для первоначального рассмотрения возьмем однолучевой ДИСС и введем ряд
идеализаций: полагаем полет ЛA строго горизонтальным, скорость постоянной, а
радиолуч ДИСС бесконечно тонким, игольчатым. Геометрические соотношения в
вертикальной и горизонтальной плоскостях показаны на рисунке 2, где 0 - угол
отклонения луча ДИСС в вертикальной плоскости от продольной оси ЛА, а    - в
горизонтальной (может изменяться в пределах 2  0 ).
Доплеровское приращение частоты f  определяется проекцией вектора скорости
V на радиолуч:
f   (2V / )cos 0 cos  - косинусная полярная диаграмма на рисунке 2.
При   0 , т.е. при совмещении горизонтальной проекции луча с вектором
скорости на выходе бортового приемника получим максимальное значение f  , а
V  f   / 2cos 0 . Угол сноса  измеряется как угол между осью ЛА и осью антенны.
Система однолучевого ДИСС имеет следующие характерные недостатки:
- в районе f  max годограф f (  ) имеет самую малую крутизну df  / d  , что
приводит к низкой точности совмещения оси антенны с направлением вектора
скорости и соответственно к грубому определению угла сноса  ;
- наличие угла тангажа ЛА  вносит большую погрешность в измерение
скорости;
- требуется высокая кратковременная стабильность f 0 частоты передатчика
ДИСС:
f0
f 2V 2  101



 109 .
8
f0
f0
C
3  10
Для устранения перечисленных недостатков используют многолучевые ДИСС В
соответствии с рисунком 3. X - и Y - образные конфигурации используются на
самолетах и космических аппаратах, T - образная - на вертолетах.
В трехлучевой ДИСС доплеровские частоты по направлениям лучей антенны
будут следующими:

2
(Vx cos  cos   Vz cos  cos   V y sin ); 
0


2
f  2  (Vx cos  cos   Vz cos  cos   Vy sin );
0


2
f  3  (Vx cos  cos   Vz cos  cos   Vy sin ). 
0

f 1 
(2)
Здесь Vx , Vy и Vz - соответственно продольная, вертикальная и поперечная
составляющие скорости ЛА. Следовательно, из уравнения (2) получим:
4
Vx 
| f1 |  | f3 |
| f |  | f1 |
| f |  | f 2 |
0 ; Vz   2
 0 ; Vy   3
0 .
4cos  cos 
4sin  cos 
4sin 
5
VB

U
V
Рисунок 1 - Навигационный треугольник
V
0
Луч
A
f ()  const  cos 
2 0
2

Луч
f
A
Рисунок 2 - Геометрические соотношения в горизонтальной и вертикальной
плоскостях однолучевой доплеровской системы
6
2
1
2


1
1
2
3
3
4
3
Рисунок 3 - Расположение лучей в многолучевом ДИСС
G / GM
1
f
0,5
0
f0
f
Рисунок 4 - Структура доплеровского спектра
7
Из приведенных соотношений видно, что при измерении продольной
составляющей Vx скорости ЛА (сложение сигналов переднего и заднего лучей)
компенсируется вертикальная составляющая, это приводит к уменьшению
погрешности измерения с 5% f  (в однолучевой ДИСС) до 0.02% f  на каждый
градус крена ЛА.
Кроме того, в многолучевой ДИСС выделяется частота биений между сигналами
лучей антиподов, т.е. важна стабильность частоты передатчика за время разности хода
лучей, а при отсутствии крена требования к кратковременной стабильности частоты
передатчика вообще снимаются.
2.1 Структура доплеровского спектра
Ширина луча антенны ДИСС имеет конечные размеры, а характер отражения от
земной поверхности является случайным, следовательно, информация, содержащаяся
в отраженных сигналах, выделяется не в виде одной частоты f  0 , а в виде спектра с
шириной f  (2V / )sin 00,5 . Здесь 0,5 - ширина двусторонней (на передачу
и прием) диаграммы направленности антенны ДИСС на уровне половинной
мощности.
Огибающая доплеровского спектра воспроизводит огибающую двусторонней
диаграммы направленности антенны ДИСС, а так как доплеровский спектр
формируется в результате суммирования сигналов от большого количества
независимых случайных отражателей, он является случайным с нормальным
распределением в соответствии с рисунком 4. Его центральная частота
f  0  (2V / )cos 0 , следовательно, относительная ширина доплеровского спектра
0
f / f 0  0,5t g0 и для типовых значений 0  70 , 0,5  4...50 ,
f  / f  0  0,1...0,15 - доплеровский спектр узкополосен.
Измерение путевой скорости сводится к измерению средней частоты
сформированного на выходе приемника ДИСС узкополосного доплеровского спектра.
2.2 Измерители средней частоты (ИСЧ) доплеровского спектра
По способу измерения средней частоты доплеровского спектра на выходе
приемника ДИСС ИСЧ делят на две основные группы: широкополосные и следящие.
Типичным широкополосным ИСЧ является частотомер-счетчик, который
подсчитывает число пересечений нуля напряжением доплеровского сигнала U  (t ) на
мерном интервале усреднения TH . Структурная схема устройства и сигналы в ее
характерных точках показаны на рисунке 5. Формирователь импульсов «0» формирует
стандартные импульсы при каждом прохождении U  (t ) снизу вверх через нулевое
значение. Схема совпадения пропускает на счетчик только те импульсы, которые
совпадают по времени с мерным импульсом, поступающим с формирователя мерного
интервала. Подсчитанное счетчиком число импульсов N пропорционально оценке
средней доплеровской частоты, которая тем ближе к истинному значению, чем
8
больше период усреднения и чем меньше относительная ширина доплеровского
спектра f  / f  0 .
Известны также аналоговые варианты ИСЧ и схемы, построенные по принципу
периодомера.
Все эти схемы должны быть широкополосны, их полоса пропускания должна
охватывать весь диапазон возможных значений f  0 , т.к. они решают задачу во
временной области. Всякий счетчик нулей определяет не среднее, а
среднеквадратическое значение доплеровской частоты. Эти величины достаточно
близки для типового узкополосного доплеровского спектра, однако в тех задачах, где
ширина доплеровского спектра соизмерима с его средней частотой, оценка f  будет
завышена и с этим следует считаться.
Следящий ИСЧ решает задачу оценки f  в частотной области с использованием
контура автоподстройки следящего гетеродина. Структурная схема устройства
представлена на рисунке 6.
На два входа смесителя подаются доплеровский сигнал с выхода приемника
ДИСС и сигнал следящего гетеродина. На выходе смесителя формируется
доплеровский сигнал, смещенный по частоте на f 2 . Этот сигнал проходит через
фильтр, детектируется амплитудным детектором и поступает на фазовый детектор, на
который в качестве опорного подано меандровое напряжение с генератора меандра.
Суммарное напряжение с выхода интегратора и генератора меандра U  поступает на
управитель частоты следящего гетеродина. В результате доплеровский спектр сигнала
скачкообразно смещается с периодом Tm относительно резонансной частоты фильтра
f фо . При совпадении средней частоты этого ЧМ-сигнала с fфо  f 0  f 20  f 0 ,
амплитуда напряжения U фо на выходе фильтра в обоих полупериодах меандра
одинакова и на фазовый детектор поступает постоянное напряжение. При f  0  fфо
напряжение U фо изменяется по закону меандра одной фазы, а при f  0  fфо
противоположной фазы, причем амплитуда меандра U фо тем больше, чем больше
расстройка | f  0  fфо | . Знак и значения постоянного напряжения на выходе фазового
детектора и соответственно на выходе интегратора характеризуют расстройку
( f 0  fфо ) . Управитель частоты будет отрабатывать расстройку до значения
f 0  f 20  f 0  fфо , где частота f фо заранее известна и тогда fо  f 20  fфо
однозначно определяется f 20 , которая в свою очередь однозначно определяется
напряжением с выхода интегратора. Следовательно, напряжение на выходе
интегратора однозначно определяет оценку и может подаваться на индикатор.
Сравнение характеристик широкополосного и следящего ИСЧ показывает, что
для надежной работы частотомера-счетчика необходимо отношение сигнал/помеха
 20 дБ, а для следящего ИСЧ - 0 дБ и даже меньше, что для радиолиний с
напряженной энергетикой имеет решающее значение. Имеются различные
модификации следящих ИСЧ, но исходный принцип работы у них общий.
9
U  (t )
Формирователь
импульсов «0»
U2
Схема
совпадения
U4
N
Счетчик
U3
Формирователь
мерного интервала
U  (t )
0
U2
t
0
t
0
t
U3
N
U4
0
Рисунок 5 - Структурная схема и временные диаграммы работы
широкополосного ИСЧ
f фо
G
Смеситель
t
U фо
Детектор
амплитудный
Фильтр
Детектор
фазовый
f 2 (t )
Гетеродин
следящий
U
U инт  U m
Генератор
меандра
U инт
Uт
Tт
t
Управитель
частоты
U инт
Сумматор
Интегратор
U
*
f 0
Рисунок 6 - Структурная схема следящего ИСЧ
10
2.3 Режим «память» в ДИСС
При полете ЛА над морской поверхностью происходит резкое уменьшение
обратного отражения радиоволн при наклонном ее облучении. Рассеивающая
способность морской поверхности в значительной степени зависит от состояния
(волнения). С увеличением волнения моря рассеивающая способность увеличивается.
Это вынуждает выбирать угол наклона облучения близким к 70° для получения достаточного уровня сигнала на входе ДИСС над большей частью мирового океана.
Однако при волнении ниже одного балла этого уровня для работы ДИСС
недостаточно. Поэтому при полетах над спокойными участками морской поверхности
ДИСС переключается в режим «память», когда запоминается последнее правильно
измеренное ДИСС значение скорости ЛА до появления входного сигнала
достаточного уровня.
При полетах ЛА над морем (песчаной пустыней) возникает нежелательный так
называемый «морской эффект», заключающийся в том, что коэффициент
переотражения для ближайших к ДИСС участков отражающей площадки выше, чем
для отдаленных. Это приводит к неучитываемому смешению максимума огибающей
доплеровского спектра в сторону более низких частот на величину, достигающую
единиц процентов от f  0 . Величина смещения существенно зависит от степени
волнения моря и плохо поддается компенсации.
Простейшим способом избавления от нежелательных эффектов является
вертикальное облучение отражающей поверхности, но при этом отсутствует эффект
Доплера. В таких ситуациях работающим является корреляционный способ измерения
путевой скорости и угла сноса, но устройство на его основе является значительно
сложнее ДИСС. Усложняется и задача компенсации ошибок измерений при наличии
крена ЛА. Поэтому корреляционные измерители не нашли широкого применения.
3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Макет лабораторной установки выполнен на базе современного измерителя
ДИСС-013, имеющего следующие характеристики: диапазон измеряемых путевых
скоростей 180-1300 км/ч; диапазон измеряемых углов сноса  30°; диапазон рабочих
высот 10-15000 м; погрешность измерения путевой скорости 0,5% и угла сноса
20' при горизонтальном полете; рабочая длина волны 3 см; вид излучения непрерывный ЧМ-сигнал; число лучей 3 (  - расположение); время излучения
(приема) по одному лучу 0,33 с; время поиска сигнала 60 с; минимально
необходимое для слежения отношение сигнал-шум 0 дБ; режимы работы
«Суша» и «Море» (в индикаторе скорости вводится поправка, увеличивающая
показания); осуществляется автоматический переход в режим памяти (сигнал
«Память» поступает в навигационный вычислитель).
Использование сигналов с непрерывным излучением связано с появлением
помех при отражении просочившегося сигнала передатчика от вибрирующих
11
элементов конструкций ЛА. Помехи после преобразования попадают в ту же
спектральную область частот, что и доплеровский спектр отраженного сигнала.
В результате выделение происходит с большей ошибкой. Поэтому применяют
ЧМ-сигнал и выделяют f  0 при обработке n-й гармоники частоты модуляции в
области достаточно высоких частот. В ДИСС-013 используют третью
гармонику частоты модуляции FM = 1 МГц и девиацию частоты f = 2,4 МГц.
Выбор параметров модуляции осуществляется исходя из требований
уменьшения влияния просочившегося сигнала на чувствительность приемника
и минимизации энергетических потерь для отраженного сигнала из-за
использования при обработке только одной гармоники.
Для уменьшения влияния слепых высот (при которых мощность
выделяемого доплеровского спектра может равняться нулю) используется
вобуляция частоты модуляции FM по пилообразному закону.
Структурная схема ДИСС-013 представлена на рисунке 7, а лабораторной
установки на рисунке 8.
Выделенный в синхронном детекторе доплеровский сигнал поступает в
УНЧ, имеющий высокую равномерность амплитудно-частотной
характеристики (условие неискажения спектра доплеровского сигнала).
Устройство слежения ДИСС-013 выполняет функцию поиска, захвата и
слежения за спектром сигнала. Работа устройства, аналогичная работе
следящего ИСЧ, рассмотрена в 2.2.
Схема встроенного контроля обеспечивает проверку работоспособности
ДИСС путем отработки контрольных задач, а также контроль параметров
блоков. Выдача контрольных задач в схему измерения и отработки информации
осуществляется путем введения с кварцевых генераторов напряжений,
имитирующих доплеровские частоты соответствующих лучей. По одной задаче
на индикаторе отрабатываются значения путевой скорости 700 км/ч,  = 0, по
другой - скорость 100 км/ч,  = 20°.
В лабораторной установке используется только низкочастотный блок
ДИСС-013, поэтому для нормальной работы введен имитатор доплеровских
сигналов и осциллограф для наблюдения эпюр напряжений в контрольных
точках. Структурная схема лабораторной установки приведена на рисунке 8.
4 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включить осциллограф и установку.
2. Для контроля правильности работы установки включить одну из задач
на пульте управления.
3. Просмотреть и зарисовать осциллограммы на контрольных гнездах.
4. Снять зависимость путевой скорости ЛА от средних частот
доплеровских спектров, задаваемых имитатором в точках 1,2,4,8 и 10 кГц.
5. Снять зависимость угла сноса ЛА в тех же точках.
6. Рассчитать диапазон измеряемых доплеровских частот ДИСС-013.
12
7. Рассчитать значения путевой скорости в тех же точках, что и в
эксперименте.
8. Построить графики соответствующих зависимостей и оценить ошибки
определения
f 2 (t )путевой скорости следящим
измерителем.
Антенна
передающая
Генератор
СВЧ
Генератор
FM
Антенна
приемная
Смеситель
балансный
Формирватель
3 FM
Управитель
частоты
УПЧ (3FM)
Схема
вобуляции
Детектор
синхронный
В бортовые
системы
УНЧ
В бортовые
системы
Устройсвто
слежения
Вычислитель
Индикатор
скорости и
угла сноса
Устройсвто
управления
Схема
втроенного
контроля
13
Рисунок 7 - Структурная схема ДИСС-013
14
15
U упр1
Индикатор
доплеровских
частот
Блок питания
f1
f 2
f3
U упр 2 U упр 3
Коммутатор
ДИСС-013
Осциллограф
Рисунок 8 - Структурная схема лабораторной установки
Индикатор
13
5СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
1. Формулировку цели работы.
2. Функциональную схему лабораторной установки.
3. Эпюры напряжений в контрольных точках.
4. Графики экспериментальных и расчетных зависимостей.
5. Общие выводы и замечания по работе.
6КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Поясните способы измерения радиальной скорости цели с помощью
РТС.
2. Что такое навигационный треугольник?
3. Поясните принцип действия однолучевой ДИСС.
4. Почему используют многолучевые ДИСС?
5. Поясните структуру доплеровского спектра.
6. Поясните принцип действия широкополосного измерителя средней
частоты доплеровского спектра.
7. Поясните принцип действия следящего ИСЧ.
8. Поясните принцип работы ДИСС-013 по структурной его схеме.
9. Какова погрешность измерений путевой скорости и угла сноса в
ДИСС-013?
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Виницкий А.С. Автономные радиосистемы. - М.: Радио и связь,
2008. -336 с.
2. Власов О.В., Смокин И.В. Радиооборудование летательных
аппаратов. -М.: Воениздат, 2010. -360 с.
3. Радиолокационные системы летательных аппаратов/ Под ред. П.С.
Давыдова. -М.: Транспорт, 2010. -352 с.
17