книги из ГПНТБ / Маковецкий П.В. Радиотехнические методы измерения скорости учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Продаже не подлежит

П. В. МАКОВЕЦКИЙ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ЛЕНИНГРАД

1964

ПРЕДИСЛОВИЕ

Для начальных этапов развития радиолокации характерным было усиленное развитие методов определения текущих коорди­ нат объекта: дальности и угловых координат. Скорость объекта, как правило, не измерялась или же измерялась простейшими ме­ тодами, сводящимися к численному дифференцированию текущей координаты по времени.

С увеличением скоростей летательных, аппаратов возрастает значение сведений о скорости. Измерение текущих координат по­ зволяет установить местоположение объекта, но не позволяет предсказать его последующие положения. Такое предсказание можно делать только на основе сведений о скорости изменения каждой из координат.

В основе точных методов измерения скорости лежит эффект Допплера — эффект, который в радиотехнике в силу огромной ско­ рости распространения радиоволн оказывается значительно более тонким и трудноуловимым, чем в акустике. Для его выявления требуется определенная техническая база: создание генераторов с высокой стабильностью частоты и разработка когерентной тех­ ники. За последнее десятилетие эта техника достигла больших успехов, что дало толчок существенному развитию методов изме­ рения скорости. Успешно решены, например, такие типичные за­ дачи, как автоматическое измерение путевой скорости самолета с помощью бортовых радиолокаторов, точное измерение скорости быстродвижущихся объектов и т. д.

В существующих учебниках по радиолокации методы измере­ ния скорости еще не получили систематического освещения. Однако изложение этих вопросов в курсе лекций по «Основам радиолокации» давно уже стало настоятельной необходимостью.

Радиолокационные методы измерения скорости имеют -свою специфику, число разработанных методов уже достаточно велико. Все это дает основание излагать их в курсе «Основ радиолокации» в виде отдельной главы. Настоящую книгу автор рассматривает как новую главу курса, дополняющую существующую учебную ли­ тературу. Она написана по материалам лекций, прочитанных авто­ ром в 1958—1963 гг. в Ленинградском институте авиационного приборостроения.

Разумеется, проблемы, возникающие при измерении скорости, этой книгой далеко не исчерпываются. Здесь лишь в самой

3

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

§ 1. Общие сведения

Измерений трех независимых координат достаточно для опре­ деления текущего местоположения объекта, но недостаточно для предсказания его последующих положений. Для такого предска­ зания необходимы еще сведения и о производных от координат по времени. Идеальным было бы наличие сведений о производных всех порядков.

Первая производная от текущей координаты объекта — ско­ рость. Производная дальности есть радиальная скорость:

Производная от угловой координаты есть угловая скорость

Линейную скорость в направлении координаты а можно полу­ чить умножением угловой скорости на дальность:

Не всегда производная от измеренной координаты имеет такой простой физический смысл. В разностно-дальномерной системе, где измеряемой координатой является разность расстояний до двух пунктов гА— гв, производная от этой функции будет скоростью изменения текущего номера гиперболы во времени. Но всегда именно производная от измеряемой координаты имеет наибольшее практическое значение: при пользовании разностно-дальномерной системой, например, сведения о радиальной скорости объекта было бы намного труднее использовать, чем сведения о скорости изме­ нения номера гиперболы. Наоборот, в дальномерной системе цен­ ность сведений о радиальной скорости максимальна.

Радиолокатор чаще всего использует сферическую систему координат: дальность, азимут, угол места. Поэтому при измерении скоростей чаще всего измеряются радиальная и угловые состав­ ляющие скорости, являющиеся производными от упомянутых коор­ динат. Исключением является случай радиолокационной станции, предназначенной для измерения путевой скорости. Эта станция

5

измеряет обычно продольную, поперечную и вертикальную компо­ ненты скорости, т. е. использует декартову систему осей.

Вторая производная от текущей координаты является ускоре­ нием: радиальным, угловым и т. д.

Скорости и ускорения можно определять путем дифференциро­ вания текущей координаты, которая выдается радиолокатором в виде функции времени. Возможен и обратный случай, когда не­ посредственно измеряется какая-либо производная, а сама коорди­ ната получается из нее интегрированием. Разумеется, при этом должны быть известны некоторые начальные условия, позволяю­ щие определить постоянную интегрирования.

Примером непосредственного измерения производной является измерение путевой скорости с помощью эф ф е к т а Допплера. В этом случае пройденный .путь определяется посредством интегри­ рования измеренной скорости.

§ 2. Методы измерения радиальных скоростей и ускорений

Радиолокатор, предназначенный для измерения дальности, мо­ жет быть использован для измерения радиальной скорости цели без каких-либо усложнений. Наблюдая за поведением отраженного импульса на экране и отмечая секундомером время At, за .которое импульс смещается по шкале дальности на отрезок Аг, мы можем вычислить радиальную скорость:

Этот метод называется методом конечных перемещений: за конечный интервал времени цель перемещается на конечный отре­ зок дальности. Метод может быть автоматизирован: операции включения, и выключения секундомера можно поручить схеме совпадений, отпирающейся для включения в момент совпадения отраженного сигнала с первым стробирующим импульсом, и для выключения со вторым, сдвинутым по дальности на Аг. Однако этот метод требует больших затрат времени и недостаточно точен.

радиолокатора, имеющего в своем составе систему автоматиче­ ского сопровождения цели по дальности. Система АСД выдает на своем выходе напряжение Ur(t), пропорциональное текущей дальности цели. Дифференцируя это напряжение с помощью диф­ ференцирующей цепи, мы можем .получить напряжение, пропор­ циональное радиальной скорости цели,

где ti — постоянная времени дифференцирующей цепи.

6

нуля. Измеритель сигнала ошибки в это время показал бы нуль, что не соответствовало бы истинной скорости цели. Измерение скорости путем дифференцирования напряжения дальности в си­ стеме с одним интегратором обладает тем же недостатком: про­ падание сигнала приводит к постоянству напряжения дальности (память по положению), отчего производная обращается в нуль.

Всистеме с двумя интеграторами, обладающей памятью по скорости,этого недостатка нет.

Вслучае системы с тремя интеграторами напряжение на вы­ ходе первого интегратора пропорционально радиальному ускоре­ нию (с ошибкой, пропорциональной производной от ускорения), на выходе второго —пропорционально радиальной скорости (без ошибки, если ускорение постоянно), на выходе третьего — пропор­ ционально дальности.-

Наиболее непосредственным методом измерения радиальной скорости является метод, основанный на эффекте Допплера. Пусть для простоты передатчик радиолокационной станции излучает не­ прерывное монохроматическое колебание. Тогда на пути передат­ чик—цель—приемник укладывается число волн

Кроме того, при отражении от цели имеет место некоторый постоянный сдвиг фазы Дф0.

Полный фазовый сдвиг между передаваемым и принимаемым сигналами равен

или, поскольку производная от фазы есть круговая частота, а про­ изводная от дальности — радиальная скорость,

2v

м прд ^прм — шпрд ^ • ( 1 1 )

Разделив это выражение на 2л, имеем

^ D / п р д Упрм ----/ п р д с , ( 12)

Таким образом, смешивая передаваемую и принимаемую ча­ стоты, мы получаем разностную частоту FD, пропорциональную радиальной скорости цели. Измеритель разностной (допплеров-

8

ской) частоты может быть проградуирован непосредственно в еди­ ницах скорости.

Дифференцируя по времени выходные данные измерителя ско­ рости, мы получаем радиальное ускорение, интегрируя их, — при­ ращение дальности (за время, заключенное между пределами интегрирования).

Впрочем, приращение дальности можно определить и непосред­ ственно из выражения (9), если измеряется полный фазовый сдвиг 0. Полное число циклов фазометра, очевидно, пропорцио­ нально пройденному пути, а скорость изменения показаний фазо­ метра, т. е. число циклов в секунду, пропорциональна радиальной скорости и является допплеровской частотой.

Можно показать, что, строго говоря, все рассмотренные в этом параграфе методы измерения скорости основаны на измерении допплеровского сдвига, только одни из них измеряют допплеров­ ский сдвиг несущей частоты, а другие —допплеровский сдвиг оги­ бающей. Для этого достаточно рассмотреть поведение огибающей импульсов при движении цели (рис. 2).

Если цель неподвижна, то неподвижен и отраженный импульс б относительно зондирующего а, так как все запаздыва­ ния to отраженного относительно зондирующего постоянны. В ре­ зультате период повторения отраженных импульсов равен периоду повторения зондирующих, т. е. у неподвижной цели допплеровский сдвиг частоты повторения равен нулю. Если же цель имеет ра­ диальную скорость (рис. 2,в), то период повторения ТХ отражен­ ных импульсов отличается от периода повторения Т зондирующих. Пусть цель удаляется. Тогда

to t3< t3

и поэтому Тх > Т, а, следовательно, Fx<F .

Найдем это изменение частоты повторения. Из рис. 2 видно,

что

9