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

этого выражения частоту Допплера можно записать в следующем виде:

Системы, работающие по отраженному сигналу, по мнению иностранных специалистов, могут использовать­ ся для обнаружения и слежения за искусственными спут­ никами Земли. Например, одна из зарубежных допплеровски.х систем позволяет по одному витку спутника об­ наружить объект и определить параметры его орбиты. Она состоит из одной наземной передающей станции и нескольких наземных приемных станций. Передающая станция имеет веерообразную диаграмму направленно­ сти антенны, состоящую из трех лучей. Приемные стан­ ции имеют аналогичные диаграммы направленности ан­ тенн. Попадание спутника в каждый луч передающей станции сразу же фиксируется приемными станциями, которые определяют допплеровский сдвиг частоты.

Одним из важных элементов всех допплеровских си­ стем является приемо-измерительный тракт, осуществ­ ляющий выделение и обработку сигнала, несущего ин­ формацию. В зависимости от вида применяемого приемоизмерительного тракта допплеровскне системы можно разделить на две группы: системы, в которых к измери­ телю частоты одновременно пропускается сигнал с лю­ бым значением частоты Допплера, и системы, в которых одновременно пропускается только небольшой спектр частот.

Системы первой группы могут быть одноканальными и многоканальными. Одноканальные требуют большой полосы пропускания приемника, что может снизить его чувствительность и помехоустойчивость. Во многоканаль­ ных устройствах, представляющих собой набор узко­ полосных фильтров, перекрывающих весь допплеров­ ский диапазон частот, помехоустойчивость системы в целом выше.

Приемо-измерительный тракт второй группы доппле­ ровских систем должен представлять собой цепочку, в которой после высокочастотных каскадов приемника включается следящий фильтр с узкой полосой пропус­ кания. Частота настройки этого фильтра может изме-

50

Мяться в соответствии с изменением частоты сигнала. Кроме того, схема содержит систему поиска, необходи­ мую для обнаружения сигнала и первоначальной на­ стройки на частоту сигнала следящего фильтра. Систе­ мы со следящим фильтром рассматриваются ниже.

4. МЕТОДЫ АНАЛИЗА СПЕКТРА СЛОЖНОГО СИГНАЛА

В отличие от импульсных радиолокационных систем, где цели различаются по времени поступления отражен­ ных от них импульсов, в ЧМ радиолокаторе сигналы от нескольких целей поступают на вход приемника одно­ временно и непрерывно. В результате на выходе прием­ ника формируется спектр дальномерных частот. Чтобы

ного сигнала в гармонический спектр и позволяет опре­ делять частоты и амплитуды составляющих спектра. Основой анализатора спектра является гармонический резонатор, в качестве которого могут использоваться электрический резонансный или полосовой фильтр с по­ стоянными параметрами, пьезоэлектрический или иной

осуществляться одновременно и последовательно. Для одновременного анализа необходим набор гармониче­ ских резонаторов, на которые исследуемый сложный сигнал воздействует одновременно и непрерывно (рис. 21). В этом случае весь диапазон исследуемых час­ тот равномерно разбивается на участки; на частоту каж­ дого участка настроен свой резонатор. Таким образом, чем больше таких участков, тем больше потребуется ре­ зонаторов.

При одновременном анализе съем показаний с выхо­ дов резонаторов может осуществляться либо на несколь-

ко индикаторов одновременно . (у каждого резонатора свой индикатор), либо на один общий индикатор (по­ очередным подключением индикатора к выходам резо­ наторов).

Последовательный анализ спектра сложных колеба­ ний осуществляется с помощью одного резонатора, для

Резонатор Индикатор

Входной Разделительный] сигнал каскад

Резонатор Индикатор „п "

Рис. 21. Структурная схема одновременного анализа спектра

чего необходимо обеспечить взаимное перемещение ча­ стоты настройки резонатора и анализируемого спектра. Это можно осуществить двумя методами: последователь­ ной перестройкой самого резонатора в пределах обсле­ дуемого диапазона частот и перемещением исследуемого спектра относительно частоты резонатора с фиксирован­ ной настройкой. При обследовании широкого диапазона частот более применим второй метод. Сущность его за­ ключается в следующем.

Широкополосный исследуемый сигнал и сигнал гете­ родина подаются на смеситель. С выхода смесителя сиг­ налы комбинационных частот (fc±fr) подводятся к ре­ зонатору с постоянными параметрами и далее на инди­ катор (рис. 22).

При перестройке гетеродина спектр боковых частот смещается и в полосу пропускания резонатора последо-

52

вательно попадают различные участки преобразованного исследуемого спектра.

Если на горизонтально отклоняющие пластины элек­ тронно-лучевой трубки подать пилообразное напряже­ ние, которое управляет также частотой гетеродина, а на

Рис. 22. Структурная схема последовательного обзора способом перемещения исследуемого спектра относительно частоты резо­ натора

вертикально отклоняющие пластины — напряжение с вы­ хода резонатора, то на экране трубки можно наблюдать амплитудно-частотный спектр входного сложного сиг­ нала.

Кроме описанных в радиолокационных системах мо­ гут применяться также и другие схемы спектрального анализа.

Ранее было показано, что дальномерное приращение частоты связано с дальностью следующей зависимостью:

с

Из соотношения (83) видно, что для обеспечения по­ стоянства / р при изменении расстояния Д необходимо выполнение следующего условия:

Отсюда вытекает возможность создания двух основных схем спектрального анализа: схемы последовательного анализа с переменной частотой модуляции F^ и схемы

53

последовательного анализа с переменным' размахом ча­ стотной модуляции ДДГ.

На рис. 23 приведена упрощенная структурная схема ЧМ радиолокатора с переменным размахом частотной модуляции передатчика. Здесь размах частотной моду­ ляции передатчика изменяется синфазно с отклонением

Генератор

развертки

I — л

Рис. 23. Структурная схема ЧМ радиолокационной станции с пере­ менным размахом частоты модуляции

пятна на экране электронно-лучевой трубки в горизон­ тальной плоскости (вдоль шкалы дальностей). Это обес­ печивается использованием напряжения генератора развертки для управления частотным модулятором. Резо­ нансный же усилитель дальномерных частот имеет по­ стоянную настройку. Поэтому при изменении Д/м в по­ лосу пропускания усилителя последовательно попадают дальномерные частоты (сигналы целей), расстояния до которых для текущих значений Д/м соответствуют дальномерной частоте, равной резонансной частоте фильтра.

54

Эти сигналы создают на экране электронно-лучевой трубки метки в соответствующих местах шкалы даль­ ности.

Схема ЧМ радиолокатора с переменной частотой мо­ дуляции отличается от описанной тем, что в ней генера­ тор развертки управляет не размахом частотной моду­ ляции, а частотой модуляции.

В принципе в ЧМ радиолокационных станциях могут применяться и другие схемы, являющиеся комбинация­ ми из рассмотренных. Например, весь исследуемый спектр может делиться для одновременного анализа на ряд участков (каналов), в каждом из которых анализ дальномерных частот осуществляется последовательным методом (одним из описанных) и т. д.

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА

Основные характеристики анализатора спектра —раз­ решающая способность и период анализа.

Разрешающая способность анализатора спектра ха­ рактеризуется минимальным интервалом между часто­ тами равных по амплитуде соседних спектральных со­ ставляющих сигнала, при котором они еще разрешаются анализатором [2].

Период анализа — это время, необходимое для одно­ кратного обследования спектра сигнала в заданном диа­ пазоне частот.

Разрешающая способность и период анализа взаи­ мосвязаны. Чем больше период анализа, тем выше раз­ решающая способность. Но безгранично увеличивать время обследования спектра нельзя, так как спектраль­ ный анализ имеет смысл в том случае, если за период анализа сам исследуемый спектр существенно не успе­ вает измениться.

Рассмотрим вначале, как разрешающая способность зависит от периода анализа при последовательном ана­ лизе.

При воздействии на резонатор гармонической э. д. с. с бесконечно медленным изменением частоты напряже­ ние на выходе резонатора определяется его статической частотной характеристикой. Если же анализ спектра осуществляется с какой-то конечной скоростью, то вы-

55

ходмое напряжение резонатора содержит установившую­ ся и переходную составляющие. При этом частотная ха­ рактеристика резонатора, получившая название динами­ ческой, уклоняется от статической тем больше, чем боль­ ше скорость изменения частоты уа и чем меньше полоса пропускания резонатора АД определяющая ее инерцион­ ность. Поэтому спектральные «линии» на экране элек­ тронно-лучевой трубки будут иметь форму динамической частотной характеристики резонатора.

Для одиночного колебательного контура при линей­ ном нарастании частоты в случае увеличения у а или уменьшения Д/ относительная динамическая полоса про­ пускания контура расширяется, а максимум напряжения уменьшается и смещается в направлении изменения ча­ стоты. При очень больших значениях уй появляются до­ полнительные максимумы, вызванные биениями между собственными колебаниями контура и подводимыми к нему колебаниями. Практически в радиолокационных системах используются анализаторы с характеристика­ ми, которые мало отклоняются от статических и не име­ ют дополнительных максимумов [2].

Нетрудно понять, что если смещение максимума ча­ стотной характеристики анализатора не вносит ошибки в измерения, то расширение полосы пропускания непо­ средственно влияет на точность отсчета по шкале частот и разрешающую способность анализатора. В этой связи различают статическую и динамическую разрешающие способности, определяемые соответственно шириной мак­ симума статической и динамической частотных харак­ теристик анализатора. Поскольку статическая характе­ ристика уже динамической, то динамическая разрешаю­ щая способность всегда хуже статической. На рис. 24 сплошными линиями показаны статические кривые (со­ ответствуют весьма медленному анализу) и пунктиром — динамические (соответствуют быстрому анализу). Кри­ терием разрешения двух соседних спектральных линий является относительная глубина «провала» между ними

дов индикации и режимов работы анализатора различ­

56

ное и устанавливается чаще всего на основе эксперимен­ тальных данных. Например, при визуальном отсчете по

экрану электроино-лучевой трубки ( — ] 1 ф п т ~ 0,14-0,3.

\ е м /

Из приведенного анализа видно, что основным кри­ терием качества анализатора является его статическая

Рис. 24. Частотные характеристики анализатора спектра

полоса пропускания, так как она определяет его дина­ мическую разрешающую способность при заданных диа­

Таким образом, исходя из требуемой скорости анализа выбирают статическую полосу пропускания анализатора Af. При этом исходят из того, что при очень большой статической полосе пропускания разрешающая способ­ ность плохая, но и при очень узкой Д/разрешающая спо­ собность ухудшается за счет резкого расширения дина­ мической частотной характеристики резонатора. Поэтому выбирают некоторое оптимальное значение полосы про­ пускания.

В работе [8] В. Кробель рассчитал и построил кри­ вые, по которым в зависимости от скорости анализа и

57

количества каскадов резонансного усилителя (я) можно определить оптимальную полосу пропускания, а также рассчитать динамическую полосу пропускания и разре­ шающую способность анализатора. На основании этих кривых для однокаскадного усилителя оптимальные со­ отношения будут:

х — время, в течение которого частота резона­ тора в схеме анализа изменится на А/.

Из кривых, построенных Кробелем, также видно, что наибольшую скорость анализа при оптимальных соот­

мы. Поэтому на практике чаще всего в качестве анали­ затора применяются однокаскадные резонансные усили­ тели.

В схемах одновременного анализа анализатор спек­ тра представляет собой набор резонаторов, на выходах которых включен индикатор. В таком анализаторе от­ счет частоты возможен только дискретный. Причем, если полосы пропускания фильтров не перекрываются на ис­ следуемом участке, то отсчет возможен с интервалами, равными интервалу между средними частотами настрой­ ки соседних фильтров. Если же полосы пропускания фильтров перекрываются, то отсчет возможен с интер­ валами, большими полосы пропускания фильтра. Эти интервалы в данном случае и определят статическую разрешающую способность анализатора спектра.

58

На практике в анализаторах спектра одновременного анализа используется набор фильтров с перекрывающи­ мися полосами пропускания и период анализа всегда конечен. Поэтому здесь, как и при последовательном ана­ лизе, для определения динамической разрешающей спо­ собности следует ввести понятие динамической частот­ ной характеристики.

резонансные свойства проявляются полностью и описы­ ваются статической резонансной кривой. Если же время включения очень мало, то его резонансные свойства не успевают проявиться и он ведет себя как апериодическая цепь. В рассматриваемом случае имеет место нечто сред­ нее. Чем больше Га, тем острее максимум динамической характеристики и, следовательно, тем лучше разрешаю­ щая способность анализатора спектра.

В работе [9] произведен расчет динамических харак­ теристик для одиночного колебательного контура и по­

59