книги из ГПНТБ / Инженерные изыскания в строительстве. Инженерно-геологические, геофизические и геодезические исследования [сборник]

Коррелометры

Одна из особенностей спектрально-гармонических разложений модулированных колебаний — сохранение в них полной информации о фазовых соотношениях и дру­ гих характеристиках колебаний, а также принципиаль­

Однако во многих случаях такое детальное описание сигнала невозможно. Например, анализируя флюктуационные шумы, указывают только, с какой вероятностью они могут принять то или иное значение в данный мо­ мент времени. Во многих случаях и полезный сигнал рассматривается как случайная функция. В связи с этим современная теория приема сигналов при наличии шумов строится на основе статистических методов.

При модуляции колебаний флюктуационными шума­ ми сигнал приходится описывать некоторыми усреднен­ ными характеристиками, которые не позволяют точно его восстановить, но определяют наиболее важные чер­ ты этого сигнала.

Простейшие из таких характеристик — среднее значе­ ние, средний квадрат (полная средняя мощность), дис­ персия (средняя мощность переменной составляющей сигнала).

Эффективным средством получения информации о временном изменении функции может быть метод корре­ ляционного анализа, в основе которого лежит использо­ вание усредненной характеристики процессов, получив­

тельно другого по шкале времени на величину /3 , то их

это имеет место в радиолокации непрерывного излуче­ ния), то функция

100

при каких значениях ^3 оно не может быть превышено. Это упрощает нормировку функции автокорреляции. Ча­

циента автокорреляции.

Измерив значение корреляционной функции, находят интервал времени и определяют расстояние, скорость или другой параметр. Возможно непосредственное из­ мерение значений функции корреляции, для чего необ­ ходимо два сравниваемых сигнала подать на индикатор, напряжение на выходе которого проградуировано в со­ ответствии с измеряемым параметром (например, в ки­ лометрах). Но при этом сильное влияние на точность измерений оказывают изменения напряжений питания, коэффициентов усилений каскадов, неохваченных АРУ и т. д.

Более перспективными, по мнению иностранных спе­

возможность регулируемой задержки одного из срав­

ручки, изменяющей время задержки, определяют t3 и, следовательно, параметр.

Сущность этого метода видна из рис. 51. Как пока­ зано в работе [2], в случае, когда входной сигнал под­ вержен синусоидальной частотной модуляции, его функ­ ция автокорреляции имеет форму амплитудно-модули- рованных колебаний и зависит от т также по синусои­ дальному закону. Поэтому если время задержки to выбрать равным четверти периода средней частоты вход­ ного сигнала (точка / на рис. 51), то при небольшом

101

уменьшении частоты входного сигнала относительно ее среднего значения задержка окажется несколько мень­ ше четверти периода колебаний (точка 2) и величина выходного напряжения изменится (точка 2'). При увели­ чении же частоты задержка станет несколько больше четверти периода колебаний и выходное напряжение изменится в другую сторону (точка 3').

USWJfi

Рис. 51. Зависимость выходного напряжения кор­ релометра от времени задержки сигнала

Таким образом, выходное напряжение коррелометра своей величиной и знаком определяет уклонение частоты входного сигнала от ее среднего значения. Если в ходе такого изменения частоты вручную пли автоматически изменять время задержки т, то можно добиться, что вы­ ходное напряжение коррелометра будет поддерживаться постоянным (минимальным или максимальным). На этом принципе и построены коррелометры.

Компенсационный метод позволяет получить мини­ мальные аппаратурные ошибки, так как в этом случае показания не зависят от амплитуды сигнала и масштаб

и гетеродина. С его выхода сравниваемый сигнал после усиления в первом усилителе промежуточной частоты

102

подается на корреляционный детектор (каскад умножь ния). Сюда же подается второй сравниваемый сигнал, полученный в результате смешения сигнала передатчика и гетеродина, усиления во втором усилителе промежуточ­ ной частоты и задержки на время tn.

Рис. 52. Структурная схема коррелометра типа Н

С выхода корреляционного детектора напряжение по­ дается на узкополосный фильтр и далее на индикатор.

Измерение осуществляется следующим образом. Опе­ ратор вращает ручку регулировки времени задержки до тех пор, пока напряжение на выходе коррелометра не станет максимальным (определяет по максимальному отклонению стрелки индикатора). Положение ручки ре­ гулировки времени задержки в этот момент определит величину измеряемого параметра.

Если приведенную схему дополнить схемой выделе­ ния сигнала ошибки, который после усиления подается на электромеханический привод вращения ручки регули­ ровки задержки, то отсчет параметра будет осуществ­ ляться автоматически.

Коррелометры типа М. В коррелометре типа М интер­ вал времени определяется по измерениям значений кор-

103

реляционной функции огибающих сигналов высокой ча­ стоты. В отличие от коррелометров типа Н, в которых напряжение на выходе каскада умножения пропорцио­ нально значению корреляционной функции, в этих кор­ релометрах происходит преобразование сигналов.

Рис. 53. Структурная схема коррелометра с вычитанием сигналов

На рис. 53 представлена структурная схема коррело­ метра с вычитанием сигналов. Здесь сигналы после уси­ ления в усилителях промежуточной частоты детектиру­ ются амплитудными или частотными детекторами (в за­ висимости от примененного вида модуляции несущей), затем усиливаются усилителями нижних частот и посту­ пают на каскад вычитания. При этом из канала отражен­ ных сигналов они поступают непосредственно, а из ка­ нала прямого сигнала — через каскад регулируемой за­ держки.

В каскаде вычитания напряжения огибающих сигна­ лов вычитаются и поступают на квадратор, представляю­ щий собой амплитудный детектор с квадратичной харак­ теристикой. С выхода квадратора напряжение подается на фильтр нижних частот и далее на индикатор.

104

значению корреляционной функции соответствует мини­ мум напряжения на выходе, т. е. чем больше рассогла­ сование сигналов по времени на входе каскада вычита­ ния, тем больше значение выходного напряжения. Ми­

1

Рис. 54. Зависимость выходного напряжения вычитающего коррелометра от рассогласования сигналов по времени на входе каскада вычи­ тания

Одним из недостатков описанного коррелометра яв­ ляется то, что он не позволяет осуществлять автомати­ ческий отсчет. Но такой коррелометр достаточно прост по устройству, так как в нем отсутствует каскад умно­ жения.

На рис. 55 приведена структурная схема дифферен­ циального коррелометра, позволяющего производить ав­ томатический отсчет параметра. Здесь сигнал после кас­ када регулируемой задержки проходит по двум каналам. В одном канале предусмотрена фиксированная задерж­ ка. После каскадов умножения сигналы проходят филь­ тры нижних частот и поступают на каскад вычитания, выходное напряжение которого является сигналом ошиб­ ки. Этот сигнал и управляет двигателем, устанавливаю­ щим ручку времени задержки в такое положение, чтобы

105

Генератор

опорного

напряжения

106

(с одним каскадом умножения). Вследствие наличия генератора опорного напряжения, колебания которого подводятся на вход каскада регулируемой задержки, выходное напряжение каскада умножения оказывается промодулированным по амплитуде с частотой, равной частоте этого генератора. С выхода каскада умножения напряжение подается на фазовый детектор, куда также

У,

Каскад \задержки f0\

Рис. 57. Структурная схема частотомера с коррелометром

подводятся колебания опорного генератора. С выхода фазового детектора снимается напряжение сигнала ошиб­ ки, управляющее двигателем установки ручки регули­ ровки задержки. Фаза огибающей относительно опор­ ного напряжения определит сторону отклонения задерж­ ки, а амплитуда — величину этого отклонения от поло­ жения, при котором глубина модуляции равна нулю.

Частотомер с коррелометром. В компенсационных ча­

стотомерах измерителей скорости можно использовать

риантов частотомеров с коррелометром.

На смеситель подаются напряжения исследуемого сигнала и управляемого гетеродина. Фильтр пропускает только напряжение суммарной частоты ( / д + / г = / о ) - С вы-

107

хода фильтра сигнал подается на вход коррелометра непосредственно и через каскад задержки. Далее в филь­ тре нижних частот происходит сглаживание напряжения.

Если роль умножающего каскада коррелометра вы­ полняет фазовый детектор, а каскада задержки — фазосдвигающая цепочка, то при сдвиге фаз на заданной частоте f0, равном 90°, на выходе фазового детектора на­ пряжение будет равно нулю. Это положение фазосдвигающей цепочки соответствует ее настройке. Если же частота напряжения на выходе коррелометра не равна f0 (что может иметь место при изменении допплеровского сдвига частоты), то появляется сигнал ошибки, который

Во многих случаях для повышения помехоустойчиво­ сти системы может использоваться автоматическое сле­ жение за целью по дальности или скорости. В радио­ локационных системах непрерывного излучения авто­ матическое сопровождение цели сводится к селектив­ ному сопровождению по частоте.

Если расстояние до цели изменяется медленно, что чаще всего имеет место в радиовысотомерах, то удобно применить схему сопровождения по расстоянию с авто­ матической регулировкой параметров модуляции.

Ранее было установлено, что дальномерное прираще­ ние частоты /р связано с дальностью следующей зави­

где /г и k\ — постоянные величины.

108

Таким образом, для поддержания fp постоянным не­ обходимо, чтобы Af или FM (если то и другое, то их про­ изведение) изменялось в процессе регулирования обрат­ но пропорционально дальности D. Для этого необходимо напряжение частотой / р (допустим, с выхода счетчика частоты) подать на специальный блок управления, ко­ торый должен вырабатывать напряжение управления частотой и амплитудой модуляции передатчика.

В случае механической модуляции передатчика вы­ ходное напряжение блока управления может управлять скоростью вращения электродвигателя, определяющего частоту модуляции FM.

Основной элемент схемы автосопровождения — узко­ полосный фильтр низкой частоты, в пределах полосы ко­ торого удерживается измеряемая частота fp. Наличие та­ кого фильтра повышает помехоустойчивость и избира­ тельность системы.

На малых высотах, когда отраженный сигнал велик, схема автосопровождения по расстоянию не включается и усилитель низкой частоты работает в режиме широко­ полосного усиления. Как только расстояние (высота) до­ стигнет заранее заданного Д ; р , включается схема авто­ сопровождения.

На рис. 58 показаны зависимости выходных напря­ жений счетчика Uc4 и блока управления 1/ъу от fv. Как видно из рисунка, выходное напряжение блока управле­

после достижения fp критического значения.

Схема с автоподстройкой низкочастотного следящего гетеродина. Эта схема может применяться в допплеровских измерителях скорости для автосопровождения

дящего гетеродина, промодулированное низкой частотой. С выхода смесителя сигнал подается на фильтр, на­ строенный на фиксированную частоту /ф0 , близкую к раз­ ности между средней частотой гетеродина fr c и замеряе­ мой частотой /д . Поэтому выходное напряжение фильтра может содержать либо только постоянную составляю­ щую, если эта разность частот равна резонансной ча­ стоте фильтра /фо, либо переменную составляющую (ча-

109