Вопросы для допуска к лабораторной работе

1. 
   Принципы построения радиомаячных систем посадки.
   
2. 
   Принцип определения местоположения ВС с помощью радиомаячной системы посадки.
   
3. 
   Методы построения и измерения координат ВС с помощью равносигнальных радиомаяков.
   
4. 
   Что такое разность глубин пространственной модуляции?
   
5. 
   5. Что такое равносигнальное направление?
   

Лабораторный эксперимент

1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 2.4. Она представляет собой модель глиссадного радиомаяка с равносигнальной зоной и бортового приемного устройства.

Сектор глиссады ГРМ проградуирован в РГМ, а в его пределах размещен контур самолета, перемещая который можно задавать различные значения РГМ.

На панели находятся тумблеры, имитирующие наличие снежного покрова различной толщины.

К выходу бортового приемного (КППМ) устройства может подключаться как командно-пилотажный прибор стенда, так и микроамперметр. Это позволяет, с одной стороны, демонстрировать режим отклонения ВС от линии глиссады, а с другой — измерять параметры глиссадного канала.

Характерные точки выведены на гнезда для наблюдения сигналов с помощью осциллографа.

Рис. 2.4
2. Порядок проведения лабораторного исследования

2.1. Построение градуировочной характеристики глиссадного канала РМСП

Включить макет и включить радиомаяк. К выходу бортового приемного устройства подключить КППМ-2. (обозначено цифрой 3 на рис.2.4)

Установить силуэт самолета в равносигнальной зоне и убедиться в том, что глиссадная стрелка КППМ-2 находится в пределах центрального круга. В противном случае по согласованию с преподавателем произвести балансировку канала (цифра 2 на рис.2.4)

Задавая различные значения РГМ, убедиться в соответствующих отклонениях глиссадной стрелки КППМ-2.

Задавая различные значения РГМ, зарисовать показания осциллографа.

Снять осциллограммы напряжений в основных точках для трех значений РГМ: РГМ = 0; РГМ = - 0,175; РГМ = + 0,175.

Внести значения в табл. 2.1.

Таблица 2.1

РГМ	0,175	0,0875	0	0,0875	0,175	_≥0,22
µA

Контрольные вопросы

1. 
   Оцените степень близости экспериментальной и идеальной градуировочных характеристик.
   
2. 
   Какими причинами обусловлена неидеальность градуировочной характеристики?
   
3. 
   Каково влияние неидентичности диаграмм направленности, коэффициентов усиления приемных каналов и на точность амплитудных РМСП?
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
«Исследование принципа работы импульсного дальномера»
Цель работы

1. 
   Изучение временного метода измерения дальности и особенностей построения импульсных дальномеров.
   

1. 
   Исследование точности и помехоустойчивости импульсного радиодальномера.
   

Подготовка к работе

1. Домашнее задание

1. 
   Изучить материалы по основам построения и принципу действия временных радиодальномеров [1, с. 93-96].
   
2. 
   Нарисовать эпюры напряжений в основных точках функциональной схемы импульсного радиодальномера.
   

2. Краткие теоретические сведения

Импульсный (временной) метод измерения дальности основан на измерении времени запаздывания отраженного импульса относительно зондирующего.

Импульсные дальномеры могут быть автономными и неавтономными. Автономный радиодальномер посылает зондирующий импульс и измеряет задержку отраженного. Неавтономный радиодальномер посылает запросный импульс и измеряет задержку ответного.

Структура автономного радиодальномера (рис.3.1) включает синхронизатор (С), передающее устройство (ПРД), антенный переключатель (АП), приемное устройство (ПРМ) и блок измерения дальности (БИД), который определяет временную задержку отраженного от объекта импульса относительно импульса синхронизатора. БИД — это визуальный индикатор на электронно-лучевой трубке или преобразователь временного интервала в цифровой код путем заполнения его счетными импульсами и определения их количества.

Основное уравнение автономного радиодальномера:

где R — измеряемая дальность;

t_R — временная задержка отраженного сигнала.

Автономный радиодальномер не может измерять малые дальности, меньше

где τ — длительность импульса, поскольку отраженный импульс не будет пропущен антенным переключателем на вход приемника раньше окончания зондирующего импульса.

Максимальная дальность действия R_max ограничена условием однозначного отсчета:

где Т_п — период повторения зондирующих импульсов.

Разрешающая способность радиодальномера — это возможность раздельного отчета дальности близко расположенных объектов. Она определяется минимальным расстоянием ΔR_min между объектами, при котором дальномер воспримет их по отдельности, а не как один объект:

Недостатком автономного радиодальномера является ограничение по R_min и необходимость использования мощных передатчиков при измерении больших расстояний.

Структура импульсного радиодальномера с ретрансляцией сигналов (неавтономного) приведена на рис. 3.2.

Для обеспечения экипажа информацией о дальности до радионавигационной точки на самолёте устанавливается запросчик. Наземный ретранслятор является ответчиком.

Генератор запросных импульсов (ГЗИ) формирует кодированные сигналы запроса дальности (ЗД), которые модулируют передатчик запроса (ПРД-3) и излучаются антенной A₁ на несущей частоте f₁. Они принимаются антенной A₂ ответчика. Формирователь сигнала ответа (ФСО) задерживает полученный с приемника ответчика (ПРМ-0) сигнал на определенное время t₃ и формирует код ответа дальности (ОД), который поступает на передатчик ответа (ПРД-0) и излучается на частоте f₂ через антенну А₃. Сигнал ОД попадает в приемник запросчика (ПРМ-3), детектируется и декодируется. БИД измеряет интервал t_и между моментами ЗД и ОД.

Интервал t_R отличается от времени t_R , определяемого дальностью, на задержку t₃:

где
Задержка t₃ специально вводится в ответчике на время, большее длительности импульса, что устраняет наложение сигналов запроса и ответа даже при нулевой дальности (рис.3.3). Этим снимается ограничение на минимальную измеряемую дальность.

В неавтономном дальномере условие однозначности отсчета имеет вид:

При постоянном периоде следования импульсов запросов частота ретранслируемых импульсов при работе ответчика с рядом самолетов увеличивается с ростом числа запросчиков. Эта частота не может быть выше определенной, т.к. иначе нарушается тепловой режим передатчика ретранслятора. Максимальное число запросчиков, которых надежно (с заданной вероятностью получения ответа) обслуживает ретранслятор, называется его пропускной способностью. Для защиты передатчика ответчика от перегрузки необходимо управлять числом импульсов, поступающих на его запуск. Эту задачу решает блок ограничения загрузки.

Запрос и ответ ведутся на различных частотах f₁, f₂, что позволяет устранить взаимные помехи в каналах запроса и ответа и подавить проникающие сигналы собственных передатчиков. Помехоустойчивость существенно повышается за счет использования позиционно-импульсных кодов.

Позиционно-импульсный код представляет собой последовательность из N импульсов с определенными временными интервалами. Период следования пачек импульсов равен Т. Обычно используются двух- и трехимпульсные коды. Схемы запросчика и ответчика включают в себя шифратор и дешифратор, построенные на основе линии задержки (ЛЗ). Декодирование заключается в сдвиге сигнала на известные интервалы времени и фиксировании совпадений.

Ошибка отсчета временного интервала Δt определяется крутизной фронта импульса S и его искажениями Δυ (рис. 3.5).

где τф длительность фронта;

υ₀ — амплитуда импульса.

Лабораторный эксперимент

1. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.6. Установка позволяет исследовать процессы в низкочастотных цепях. В запросчике используется схема измерения дальности радиотехнической схемы ближней навигации.

Данная схема работает автоматически, осуществляя поиск и захват сигнала дешифратора запросчика. После окончания поиска (лампа «Л» погасла) наступает режим сопровождения сигнала. С переходом в данный режим вырабатывается команда, разрешающая отработку дальности на индикаторе.

Синхронизатор выдает импульсы на шифратор запросчика и на запуск фантастрона, перестраиваемого элементами схемы автоматического измерения дальности (данные элементы на рис.3.6 не показаны). Импульс, привязанный к заднему фронту фантастрона, наблюдается в гнезде Г4. В режиме поиска этот импульс изменяет своевременное положение. При совпадении с выходным сигналом дешифратора срабатывает исполнительное устройство, подключенное к схеме совпадения, и поиск прекращается.

Сигналы запроса и ответа кодируются двухимпульсным кодом. Для реализации временного запаздывания t_д на шифратор ответчика подается сигнал U_отв с генератора импульсов с регулируемой задержкой. Генератор работает в режиме внешнего запуска импульсами U_зап, снимаемыми с синхронизатора.

Ограничение загрузки передатчика ответчика при работе с одним запросчиком не наступает.

Измерение дальности осуществляется по окончании поиска сигнала. При этом необходимо медленное изменение задержки генератора импульсов. Быстрое изменение задержки схемой автоматического измерения дальности не отслеживается. Такой «скачок» задержки приводит к потере сигнала и переходу схемы в режим поиска.

При исследовании помехоустойчивости на выходе шифратора запросчика (гнездо Г11) подается напряжение помехи U_п в виде одиночных импульсов. С этой целью используется импульсный генератор, не синхронизированный с запросными импульсами U_зап. Случайное положение импульса помехи может привести к образованию совместно с двумя импульсами кода полезного сигнала (гнездо Г1) ложных пар, которые пройдут через дешифратор.

В работе используются приборы.

1. 
   генератор импульсов (сигнала и помехи);
   
2. 
   двулучевой осциллограф.
   

2. Порядок проведения лабораторного исследования

2.1. Определение постоянной задержки сигнала

Включите лабораторную установку. На генераторе импульсов установить:

1. 
   задержку 200 мкс.
   

На второй канал осциллографа подать сигнал с фантастрона (гнездо Г4). Установить развертку, позволяющую просмотреть два периода повторения импульсов. Скачком, увеличив задержку генератора импульсов, перевести схему в режим поиска (рис. 3.7) (лампа «Л» горит, красный цвет).

Рис. 3.7

Наблюдать перемещение импульса фантастрона и процесс захвата сигнала.

В режиме слежения, медленно уменьшая задержку генератора, установить нулевое показание индикатора дальности. Зафиксировать имеющуюся при этом задержку на генераторе импульсов - постоянную задержку радиодальномера t_з.

2.2. Построение градировочной кривой

Установить режим слежения. Изменяя задержку генератора импульсов (измеряемое время t_u)

Фиксировать ее для значений дальности, указанных в табл. 3.1.
Таблица 3.1

Д, км	0,0	20,0	40,0	80,0	100,0	120,0	140,0	160,0	180,0
tu , мкс
tД=tu-t, мкс

Построить зависимость Д=f(t_д). По формуле t=2Д/c для экспериментальных значений t_д найти истинное значение дальности Д_и. Построить зависимость Д_и=f(t_д) и ΔД=f(t_д), где ΔД=Д-Д_и .

Таблица 3.2

tД , мкс	Из эксперимента (табл. 3.1)
Ди , км
ΔД=Д-Ди

Контрольные вопросы

1. 
   Какие принципы измерения дальности используются в радиодальномерах средств самолетовождения?
   
2. 
   За счет чего в неавтономном радиодальномере снимаются ограничения на минимальную измеряемую дальность?
   
3. 
   Как выбирается период повторения импульсов запроса?
   
4. 
   Дайте определение пропускной способности ретранслятора.
   
5. 
   С какой целью используется кодирование сигналов запроса и ответа?
   
6. 
   Что такое позиционно-импульсный код?
   

1. 
   Как осуществляется декодирование?
   
2. 
   От чего зависит ошибка отсчета временного интервала?
   
3. 
   Как в лабораторной установке реализуется временное запаздывание сигнала?
   
4. 
   Как определяется переход системы в режим поиска и что при этом происходит?
   

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
«Принципы радиолокации и отражающие свойства радиолокационных объектов (целей)»
Цель работы

1. 
   Изучение физических явлений, лежащих в основе радиолокации.
   
2. 
   Исследование отражающих свойств радиолокационных целей простейшей конфигурации.
   

Подготовка к работе

1. Домашнее задание

Изучить материал по принципу действия простейшие РЛС и по отражающим свойствам радиолокационных целей [2, с. 125-182].

1.2. Краткие теоретические сведения

Радиолокацией называют обнаружение и измерение координат удаленных объектов путем приема отраженных от объекта радиоволн.

В основе радиолокации лежат 4 физических явления: отражение электромагнитной энергии от встречных предметов, конечная скорость распространения электромагнитной энергии, возможность направленного излучения электромагнитной энергии, эффект Доплера, заключающийся в том, что частота изменения электромагнитного поля связана с реальной скоростью перемещения источника излучения и приемника соотношением:

где f_изл - частота излучаемого сигнала;

V_r - радиальная скорость сближения источника излучения и приемника;

C - скорость распространения электромагнитной энергии

C=310⁸ м/с.

На вышеописанных физических явлениях может быть построена простейшая радиолокационная станция (РЛС) - устройство, решающее задачи обнаружения удаленных объектов и измерения их координат.

Структурная схема простейшей РЛС представлена на рис. 4.1. РЛС состоит из передающего устройства, направленного излучателя электромагнитной энергии, приемной направленной антенны, приемника радиолокационных сигналов и индикатора -прибора, позволяющего зафиксировать временную задержку между началом излучения электромагнитной энергии и началом приема отраженного сигнала, а также угловые положения приемной антенны в момент приема отраженного сигнала. Если после излучения энергии в пространство на выходе приемного устройства мы получим отраженный сигнал, его появление позволит нам сделать следующие выводы:

1. 
   впереди РЛС есть объект, отразивший электромагнитные волны, т.е. нами обнаружена радиолокационная цель;
   
2. 
   измерив, время задержки между моментом начала излучения сигнала в сторону цели и моментом прихода отраженного сигнала, можно утверждать, что цель находится на расстоянии R от РЛС. Расстояние R связано со временем задержки соотношением:
   

3. 
   зафиксировав угловое положение антенны в момент прихода отраженного сигнала, можно определить угловые координаты цели (азимут α и угол места β). Дальность до цели и две угловые координаты определяют ее местоположение в пространстве (рис. 4.2);
   
4. 
   наконец, зная частоту излучаемого сигнала и измерив частоту принимаемого cигнала, можно определить скорость движения цели относительно РЛС:
   

Если передатчик РЛС генерирует электромагнитную энергию Е_прд, то плотность потока энергии, излучаемой РЛС, в сторону цели с учетом направленных свойств антенны определяется следующим соотношением:

где G - коэффициент направленного действия передающей антенны;

r - текущий радиус сферы, окружающей РЛС.

Плотность потока электромагнитной энергии у цели:

где R – расстояние между целью и РЛС.

Часть электромагнитной энергии переизлучается целью в сторону РЛС. Переизлучаемая энергия:

где S_Ц - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность площади и являющийся количественной характеристикой цели, как переизлучателя. Этот коэффициент носит название полной эффективной площади рассеяния цели или эффективной отражающей поверхности цели.

Плотность потока электромагнитной энергии у приемной антенны РЛС при условии, что расстояние между антеннами значительно меньше расстояния до цели:

Принимаемая электромагнитная энергия:

где S_A - эффективная площадь приемной антенны.

Последнее уравнение, определяющее количественные соотношения между принимаемой энергией и дальностью до цели, носит название основного уравнения радиолокации.

Из вышеизложенного видно, что эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели играет в данном уравнении важную роль.

ЭПР - площадь ненаправленного излучателя, который создает в месте приема такой же поток энергии, как и от реальной цели.

Величина эффективной отражающей поверхности цели зависит от ее величины, формы, материала, длины волны зондирующего сигнала и других факторов. ЭПР имеет размерность площади.

При отражении электромагнитной энергии от встречных объектов приходится сталкиваться с различными видами поверхностей и соответственно с различными видами отражений. Характер отражения радиоволн зависит от различных факторов: электрических свойств поверхности, степени ее неровности, угла падения и длины волны. Различают два вида отражений: зеркальное и диффузное.

При зеркальном отражении угол отражения равен углу падения; такой вид отражения имеет место при отражении от гладкой поверхности. Однако при отражении от неровной поверхности в определенных условиях может возникнуть зеркальное отражение. Поверхность можно считать зеркальной в том случае, если

где h - высота неровности;

λ - длина облучающей волны;

β - угол падения волны.

Диффузное отражение возникает при отражении от поверхности, неровности которой соизмеримы с длиной волны. В этом случае падающая волна рассеивается во все стороны, в том числе и обратно к радиолокатору.

Естественно, что как при зеркальном отражении, так и при диффузном в сторону РЛС отразится только часть падающей электромагнитной энергии. Величина отраженной электромагнитной энергии и определяет эффективную площадь рассеяния цели.

Эффективная площадь рассеяния цели (или, как часто говорят, эффективная отражающая поверхность) может быть вычислена аналитически лишь для целей простейшей конфигурации. В остальных случаях она определяется экспериментально.

Ниже без вывода приведены соотношения для различных объектов:

1. 
   Для металлической пластины длиной a и высотой b
   

где θ - угол, образованный плоскостью облучения и нормалью к листу плоскости, параллельной стороне а.

В плоскости, параллельной стороне b:

Из этих формул видно, что коэффициент направленного действия металлической пластины резко зависит от угла, образованного вектором Умова-Пойтинга и поверхностью пластины. Максимальная площадь рассеяния будет при θ равном 0, т.е. когда пластина нормальна к фронту приходящей волны:

При некоторых углах облучения S_ц может быть равна 0 (рис. 4.3 а).

2. 
   Уголковый отражатель - искусственная цель - состоит из трех взаимноперпендикулярных пластин, обладающих свойствами отражения по направлению падения отражающего луча. Если каждая пластина представляет собой равносторонний треугольник со стороной а, то:
   

Площадь рассеяния уголкового отражателя примерно одинаковая при любых углах облучения (рис.4.3 б).

3. 
   Для шара, имеющего радиус R_ш, при λ<2πR_ш
   

Если соотношение λ<2πR_ш не выполняется, то:

Как видно из рис. 4.4, эффективная площадь рассеяния является осциллирующей функцией отношения R_ш/λ.

4. 
   Для полуволнового вибратора
   

где θ - угол между вектором Умова-Пойтинга и осью вибратора.

При использовании радиолокации для обнаружения целей и измерения их координат редко приходится иметь дело с объектами простой геометрической фирмы. Обычно радиолокационная цель - объект сложной конфигурации, представляющий совокупность отражателей, имеющих различные размеры и ориентированных в пространстве случайным образом.

Это утверждение справедливо как для целей типа корабль, город, самолет и целей сложной конфигурации, так и для фона, окружающего РЛС обзора пространства, в котором имеются тучи, облака или земная поверхность.

Сложные цели могут быть разделены на три группы:

1. 
   сложные точечные цели, геометрические размеры которых меньше геометрических размеров сигналов. Излученный радиолокационный сигнал представляет собой пакет радиоволн, имеющих геометрические размеры: по длине D_c= Сτ_с/2, где τ_с - длительность сигнала во времени, и по угловым координатам D₀=Rθ_A, где θ_A - ширина диаграммы направленности антенны;
   
2. 
   сложные площадные цели с диффузным отражением;
   
3. 
   сложные объемные цели.
   

Для последних двух типов целей геометрические размеры сигнала оказываются, как правило, меньше геометрических размеров целей.

Сложные точечные цели состоят из совокупности элементарных отражателей простейшей конфигурации. При облучении такой цели радиоволнами часть отражателей может оказаться ориентированной под прямым углом к фронту облучающей волны, что даст, в свою очередь, максимальное значение S_i = S_imax.

Другие отражатели, расположенные под разными углами, дают минимальное значение S_i = S_imin; фазовые соотношения элементарных отражений при формировании результирующего сигнала также оказывают большое влияние на степень отражения электромагнитной энергии.

В результате оказывается, что эффективная отражающая поверхность сложной цели зависит от угла облучения и имеет сложный лепестковый характер (рис. 4.3 в). Из рисунка следует, что величина S_ц случайным образом зависит от угла облучения и для ее количественной характеристики в силу вступают случайные закономерности. Часто величину S_ц характеризуют ее средним значением, которое мы будем обозначать S_ц.

Напряжение сигнала, отраженного от цели сложной конфигурации, на выходе приемника РЛС можно рассматривать как сумму напряжений от множества отдельных целей:

где U_mk - амплитуда входного напряжения от k-й цели;

φ_k - запаздывание фазы входного напряжения от k-й цели. Если взаимное расположение элементарных отражателей по отношению к фронту волны меняется случайным образом, то амплитуда и фаза результирующего входного напряжения также хаотически меняются, подчиняясь статистическим закономерностям.
<предыдущая страница | следующая страница>