Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Исследование эффективности площади рассеяния целей: Методические указания к выполнению лабораторной работы

Голосов: 0

Приведены методические указания к выполнению лабораторной работы, целью которой является исследование эффективности площади рассеяния целей. Подготовлены к публикации кафедрой радиотехнических систем Санкт-Петербургской академии аэрокосмического приборостроения.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
 СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

             С.П-б.ГУАП




  Методические указания к выполнению
         лабораторной работы




           Составители – Сеппенен В.
                         Виниченко В.




           Санкт-Петербург
                1997


                                                        2




        СОДЕРЖАНИЕ

1. Описание лабораторной установки ............................…………….................… 2
2. Порядок выполнения работы ......................................................……………... 9
  2.1. Ознакомление с установкой ..................................................……………... 9
  2.2. Исследование диаграммы вторичного излучения целей ....……………... 10
  2.3. Исследование зависимости ширины диаграммы рассеяния от
       частоты ....................................................................................…………….... 12
  2.4. Исследование статистических характеристик ЭПР сложной
       цели ..........................................................................................…………….... 12
3. Содержание отчёта ..............................................................……………........... 15
Литература ........................................................................................…………….... 15
Приложение 1 ..................................................................................……………..... 16
Приложение 2 ...................................................................................…………….... 17


                                       3




     1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

       Лабораторная установка предназначена для исследования эффективной
площади рассеяния (ЭПР) различных целей и статистических характеристик
ЭПР. Метод исследования опирается на аналогию между звуковыми и элек-
тромагнитными волнами и на принцип масштабного моделирования.
       Установка представляет собой импульсный звуколокатор с несущими
частотами F1 = 26,5 кГц и F2 = 53,0 кГц. Скорость звука в воздухе при
to = 20оС равна С=330м/с. Таким образом, длина волны
                                 C
                             λ =    = 1,2 см и λ = 0,6 см .
                              1 F               2
                                  1
      Такая короткая волна позволяет вместо реальных целей использовать их
уменьшенные модели. Модель самолёта длиной 20 см на волне 0,6 см должна
давать такую же картину отражения, как самолёт длиной 20 м на волне 0,6 м.
Вторым преимуществом звуковой локации является возможность вместо ре-
ального натурного полигона использовать малую площадь лаборатории: ско-
рость звука по сравнению со скоростью радиоволны почти в миллион раз
меньше. Во столько же раз меньше при той же длительности импульса мёртвая
зона и лучше разрешающая способность по дальности. Применяемый в уста-
новке зондирующий импульс длительностью τ = 2 мс даёт мёртвую зону и раз-
решающую способность
                                       cτ
                                  ∆=      = 330 мм
                                        2
      В результате, для исследования основных явлений локации оказывается
достаточным размер полигона порядка 1 м. В свою очередь, малые расстояния
до цели позволяют обойтись малой мощностью передатчика (порядка 0,1 Вт).
      Как известно, ширина диаграмм направленности по половинной мощно-
сти равна (в радианах)
                                            λ
                                       θ=     ,
                                            D
где D - раскрыв антенны. В нашем случае D - диаметр излучающей части зву-
кового динамика. При D = 3 см и λ = 0,6 см θ = 0,2 радиан или 12о и, следова-
тельно, на расстоянии порядка 1 м цель размером 20 - 25 см целиком находится
в диаграмме направленности антенны.
      Частота следования импульсов выбрана равной Fп= 100 Гц. В результате,
область однозначных измерений дальности оказывается небольшой:
                         CT      330                        1
                    R m= п =           = 1,65 м , где Tп =
                          2    2 × 100                      Fп
и сигналы более далёких целей могут накладываться на сигналы более близких
(цель на дальности R=2 м даёт сигнал на кажущейся дальности R"= R-Rm=2-
1,65 м = 0,35 м). Проблема "ложных" дальностей решается проще, если Тп вы-
брать больше. Однако, тогда снятие подробной диаграммы отражения потребо-
вало бы слишком медленного вращения цели. В самом деле, для неискажённо-
го воспроизведения многолепестковой диаграммы вторичного излучения от


                                     4



объектов необходимо, чтобы на каждый из её лепестков, в том числе и на са-
мый узкий, приходилось, как минимум, два отсчёта (теорема Котельникова).
Отсчёты следуют с интервалом Тп, и, следовательно, увеличение Тп удлинило
бы эксперимент и, кроме того, не позволило бы видеть на экране всю диаграм-
му одновременно из-за ограниченной длительности послесвечения люминофо-
ра электронно-лучевой трубки индикатора. При Тп =0,01 с и используемых в
установке скоростях вращения цели Fвр1=0,1 об/с (Тоб=10 с) и Fвр2=0,03 об/с
(Тоб=30 с), на построение всей диаграммы приходится n1=1000 и n2=3300 им-
пульсов соответственно, что позволяет разрешить детали тонкой угловой
структуры диаграммы. Существующая же опасность наложения сигналов от
разных дальностей устраняется тем, что выбирается экспериментально такая
дальность R цели, при которой на дальностях R + kRm (где k = 1,2,3...) отра-
жающие объекты в лаборатории отсутствуют. Правда, если локационная обста-
новка в лаборатории меняется (например, студенты ходят по лаборатории), то
возможно совпадение с сигналом цели на дальности R и ложных сигналов с
дальности R+kRm . Экспериментаторы должны предотвращать подобные си-
туации, следя, чтобы во время измерений никто в диаграмме акустического лу-
ча не находился.
      План полигона установки показан на рис.1. Здесь:
      1 - передатчик и излучающий динамик ("антенна");
      2 - принимающий микрофон;
      3 - линейка с делениями, изогнутая приблизительно по дуге окруж-
          ности, по которой можно перемещать приёмник;
      4 - модель цели, находящаяся приблизительно в центре дуги 3;
      5 - блок вращения цели с вертикальной осью вращения;
      7 - блок статистических измерений (блок А);
      8 - приёмопередатчик (блок Б);
      9 - индикатор для наблюдения диаграммы вторичного излучения (от-
          ражения), характеризующей цель (блок В);
      10- самописец (при необходимости документального фиксирования на
          диаграммную ленту).
      На рис.2 показана функциональная схема установки, а на рис.3 - пояс-
няющие её работу временные диаграммы.
      Задающий генератор синусоидальных колебаний работает на частоте F1
= 26,5 кГц. С помощью схемы удвоения частоты получается синусоидальное
напряжение с частотой F2 = 53,0 кГц. Рабочая частота локатора определяется
положением соответствующего переключателя (расположен на передней пане-
ли блока Б).
      Зондирующие импульсы формируются из непрерывной синусоиды с по-
мощью стробируемых каскадов; тактовые импульсы 1 (рис.3) вырабатываются
синхронизатором из той же синусоиды - тем самым достигается когерентность
излучаемых радиоимпульсов 2 (рис. 3).
      При положении переключателя "Рабочая частота" "F1" тактовые импуль-
сы поступают только на строб-каскад 1, при положении "F2" - на строб-каскад
2, при положении "F1" + "F2" синхроимпульсы подаются на каскады


                                    5




попеременно и передатчик излучает попеременно импульсы двух различных
частот. Зондирующие сигналы усиливаются в усилителе мощности и излучают-
ся с помощью высокочастотного динамического громкоговорителя.
      Отражённый сигнал принимается конденсаторным микрофоном. С выхо-
да микрофонного усилителя сигнал через аттенюатор 0-20 дБ поступает на
входы резонансных усилителей, полосы пропускания которых составляют 0,5
кГц, т.е. согласованы со спектром излучаемого сигнала (τ=2 мс).
      Сигналы с выходов усилителей подаются на сумматор Σ для возможно-
сти работы с переменной частотой (F1 и F2 ). Поскольку между излучающей и


                                     6



принимающей "антеннами" не обеспечивается соответствующая развязка, то
зондирующий импульс также, как и задержанный отражённый от объекта, по-
падает на вход усилителей (см. временную диаграмму 3, рис.3). Сигналы с вы-
хода сумматора детектируются (Дет) и усиливаются в видео усилителе (ВУ) -
временная диаграмма 4, рис.3. Для отображения информации об амплитуде от-
ражённого сигнала Ис на экране индикатора сигнал с видео усилителя подвер-
гается пиковому детектированию в управляемом пиковом детекторе (ПД). По-
следовательность стробирующих импульсов 5 (рис.3) управляет зарядом ёмко-
сти пикового детектора до соответствующего значения Uc. Стробирующие им-
пульсы 5, формируемые в синхронизаторе, задержаны относительно зонди-
рующих импульсов на время, равное известному времени запаздывания отра-
жённого сигнала. Тем самым осуществляется селекция цели по дальности в ре-
жиме измерения амплитуды Uc.
       Перед формированием стробирующих импульсов 5 с синхронизатора на
пиковый детектор подаются импульсы сброса, разряжающие конденсатор пи-
кового детектора и подготавливающие его к запоминанию очередного значения
амплитуды отражённого сигнала (импульсы сброса на рис.3 не показаны).
       Таким образом на выходе ПД напряжение, равное амплитуде отражённо-
го сигнала (6), запоминается на время периода зондирования Тп. Операция за-
поминания амплитуды Uci с помощью ПД позволяет увеличить яркость изо-
бражения диаграммы отражения от объекта на индикаторе. С этой целью в
синхронизаторе вырабатываются импульсы 7 (рис.3) с частотой следования в 4
раза большей частоты следования зондирующих импульсов Тп. Эти импульсы
используются для запуска генератора развёртки индикатора и генератора пило-
образного напряжения (ГПН ) канала регистрации. За время одного периода
зондирования электронный луч на экране индикатора с радиально-круговой
развёрткой успевает совершить 4 развёртки луча, соответственно одна точка
диаграммы вторичного излучения объекта подсвечивается 4 раза. Этим и дос-
тигается увеличение яркости свечения люминофора трубки и, следовательно,
яркости изображения.
       Индикатор диаграмм вторичного излучения отображает в полярной сис-
теме координат зависимость величины отражённого сигнала от ракурса цели.
Радиус электронного изображения вращается синхронно с целью. На каждом
из радиусов высвечивается яркая точка, расстояние от которой до центра вра-
щения луча пропорционально интенсивности принимаемого сигнала при дан-
ном ракурсе цели. Эта точка создаётся следующим образом. В схеме сравнения
(компаратор 1) происходит преобразование напряжение-интервал (U→∆t1):
пилообразное напряжение с ГПН (8) сравнивается с уровнем сигнала (6), по-
ступающего на компаратор 1 с ПД. В момент сравнения выдаётся импульс С,
задержанный относительно начала развёртки на время ∆t, пропорциональное
Uci . Развёртка на экране электронно-лучевой трубки преобразует ∆t в пропор-
циональное ему отклонение яркостной точки подсвета от центра.
       Радиально-круговая развёртка создаётся обычным образом. Равномерное
движение электронного луча по радиусу обеспечивается импульсом пилооб-
разного тока развёртки, формируемого генератором развёртки, формируемого


                                     7



генератором развёртки (рис.2). Синхронное с вращением цели вращение ра-
диуса обеспечивается с помощью вращающегося трансформатора ВТ, ротор
которого вращается с целью.
      Импульс развёртки поступает в обмотку ротора и снимается с двух вза-
имно перпендикулярных обмоток статора, в одной из которых он промодули-
рован по амплитуде и полярности синусом угла поворота радиуса (и цели), а в
другой - косинусом. Эти модулированные отклоняющие токи поступают соот-
ветственно на вертикально и горизонтально отклоняющие неподвижные ка-
тушки индикатора, под суммарным воздействием магнитных полей которых
луч на экране отклоняется по равнодействующей двух отклонений.
      Как отмечалось, за время одного периода зондирования луч на экране
индикатора успевает совершить 4 развёртки, что обеспечивает увеличение яр-
кости изображения диаграммы вторичного излучения объекта. Аналогично на
экране создаётся изображение постоянного порогового напряжения Uп . Оно в
полярной системе координат индикатора имеет вид кольца, радиус которого
можно менять вручную или автоматически в зависимости от установки пере-
ключателя (рис.2). Постоянное напряжение порога в компараторе 2 сравнива-
ется с той же "пилой" 8 и в момент сравнения выдаётся импульс, который сме-
шиваясь в сумматоре с импульсом компаратора 1, образует с ним сумму 9, по-
даваемую на подсвет луча индикатора.
      В режиме измерений статистических характеристик ЭПР счётчик канала
регистрации (счётчик 103) подсчитывает число превышений порога Uп ампли-
тудой сигнала Uc за один оборот цели (см. временные диаграммы 4, 6, и 8
рис.3). Число превышений , как функция порога, есть интегральная кривая рас-
пределения ЭПР.
      Если в осциллограмме 9 импульс сигнала С стоит правее импульса поро-
га П (рис.3), то это означает превышение порога, если левее - непревышение.
Импульсы, превысившие порог, подаются на счётчик канала регистрации (вре-
менная диаграмма 11, рис.3). С этой целью в канале регистрации имеется фор-
мирователь (Форм.) и схема совпадений (И) - рис.2 . Короткие импульсы П,
формируемые в компараторе 2 в момент сравнения установленного порогового
напряжения Uп с пилообразным напряжением ГПН (см. эпюры 8, 9 рис.3), за-
пускают триггер формирования (Форм.). Сброс триггера осуществляется им-
пульсами 7 (рис.3). Импульсы с формирователя подаются на схему совпадения
И, на второй вход которой поступают короткие "сигнальные" импульсы С с
выхода компаратора 1. Если импульс П (эпюра 9 рис.3) опережает импульс С,
то импульс С поступает через схему И на регистрирующий счётчик (Uc >Uп).
Если же импульс С опережает импульс П (Uc <Uп), то на выходе схемы И им-
пульсы отсутствуют (см. эпюры 8-11 в конце оси времени на рис.3).
      В режиме автоматических измерений с каждым оборотом цели переклю-
чается уровень порога. За 10 оборотов меняется 10 порогов и снимается закон
распределения ЭПР по 10 точкам. Информация о номере порога подаётся на
цифровое табло. Число превышений за оборот подсчитывается десятичным
счётчиком 103, запоминается регистром и высвечивается на цифровом табло.
Состояние счётчика, регистра и табло после каждого оборота сбрасывается с


                                      8



помощью микроконтактного переключателя, связанного с механизмом враще-
ния модели цели. Следует иметь в виду, что номер порога на табло является те-
кущим, а индикация числа превышений относится к предыдущему порогу. Это
необходимо учесть при заполнении таблицы. При смене макетов целей средний
уровень отражённых сигналов может изменяться в значительной степени. Для
расширения динамического диапазона приёмного устройства локатора в уста-
новке предусмотрены аттенюатор с затуханием 20 dB и регулировка усиления
резонансных усилителей. Регулировка усиления может осуществляться вруч-
ную и автоматически с помощью цифровой АРУ (ЦАРУ), в зависимости от по-
ложения переключателя П2 "РЕГ.УСИЛЕНИЯ".
      При работе ЦАРУ коэффициент усиления автоматически устанавливает-
ся на таком уровне, при котором наибольший отражённый от данной цели сиг-
нал не превышает динамического диапазона оконечного устройства, т.е. инди-
катора.Работает схема ЦАРУ следующим образом. После смены цели (или по-
сле установки начальной цели) следует переключатель "РЕГ.УСИЛЕНИЯ"
поставить в положение "АВТ." и нажать кнопку "СБРОС ЦАРУ". При этом
обнуляется счётчик 26, напряжение на выходе преобразователя цифра-аналог
ЦАП становится равным нулю, а усиление приёмного тракта - максимальным.
Затем следует включить вращение цели. После срабатывания микроконтакта,
связанного с механизмом вращения, схема управления ЦАРУ выдаст на схему
И (селектор) разрешающее напряжение и тем самым замкнёт обратную связь
ЦАРУ до следующего срабатывания микроконтакта, т.е. в течение одного обо-
рота. За время одного оборота цели происходит "обучение " схемы ЦАРУ.
Свидетельством исправной работы служит горящий светодиод "СЕЛЕКТОР
ЦАРУ" и светодиоды индикации состояния счётчика ЦАРУ. В случае, если
уровень отражения сигнала на выходе ПД превысит заданный уровень (выстав-
ляется с помощью подстроечного потенциометра), на выходе компаратора 3
появляется разрешающий сигнал, открывающий схему И, и на счётчик посту-
пает тактовый импульс с синхронизатора, временное положение которого со-
ответствует максимуму отражённого сигнала. Состояние счётчика изменяется
на единицу, соответственно изменяется напряжение на выходе цифро-
аналогового преобразователя (ЦАП) и уменьшается коэффициент усиления
усилителя. Счётчик и ЦАП имеют 6 двоичных разрядов, т.е. 64 возможных со-
стояния. Изменение коэффициента передачи приёмного тракта, соответствую-
щее изменению состояния счётчика от 000000 до 111111, составляет 20 dB, т.е.
коэффициент усиления при замкнутой петле ЦАРУ может изменяться с дис-
кретой 0,3 dB.
      Положение передатчика в установке фиксировано. Положение приёмни-
ка можно менять, перемещая его по линейке. Линейка изогнута так, чтобы при
перемещении приёмника диаграмма направленности приёмного микрофона
всегда ориентировалась на цель. Таким образом, в установке моделируется
принцип разнесённой (двухпозиционной) радиолокации, и может быть снята
диаграмма вторичного излучения (отражения) цели при различных базах. В ча-
стном случае, когда приёмная и передающая "антенны" совмещены, можно на-


                                     9



блюдать ДОР - диаграмму обратного рассеяния (однопозиционная радиолока-
ция).
      2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

      2.1.Ознакомление с установкой.
      Исходное состояние органов регулировки:
      - тумблеры "СЕТЬ", "СЧЁТЧИК", "ПЕРЕДАТЧИК" - в положении
      "ВЫКЛ"
      - тумблер "УСТАНОВКА ПОРОГА" - в положении "ВЫКЛ";
      - тумблер "РЕГ.УСИЛЕНИЯ" - в положении "РУЧН";
      - тумблер "ОСЛАБЛЕНИЕ" - в положении "0 dB";
      - переключатель "РАБОЧАЯ ЧАСТОТА" - в положении F1;
      - ручка ручной регулировки усиления приёмника - в крайнем по часо-
        вой стрелке положении.
      Включить тумблер "СЕТЬ" на блоке вращения цели, включить тумблер
"СЕТЬ" на блоке А установки; через 1 мин сработает реле времени и будет по-
дано высокое напряжение на анод ЭЛТ индикатора.
      Включить тумблер "СЕТЬ" осциллографа. Ручками "Яркость" и Фокус"
на блоке В отрегулировать изображение на экране до получения едва заметных
световых пятен (во избежание порчи люминофора ЭЛТ).
      Установить на полигоне цель №1 - шар. Передатчик и приёмник совмес-
тить, передвигая приёмник по линейке. Тумблер "ПЕРЕДАТЧИК" на блоке Б
поставить в положение "ВКЛ". Снять осциллограммы, изменяя положение пе-
реключателя "ОСЦИЛЛОГРАММЫ" на блоке Б (развёртка осциллографа -
2×103 мкс/дел):
      1 - зондирующие импульсы;
      2 - выход линейной части приёмника. (Внести руку в "поле зрения" ло-
          катора и, меняя её положение по дальности, убедиться в наличии
          отражённого от неё сигнала);
      3 - продетектированный и усиленный сигнал (опыт с рукой повторить);
      4 - стробирующий импульс, подаваемый на устройство измерения ам-
          плитуды отражённого сигнала. Он по времени совпадает с сигна-
          лом, отражённым от цели;
      5 - выход пикового детектора устройства измерения амплитуды;
      6 - выход компаратора схемы ЦАРУ. В случае, если амплитуда сигна-
          ла после видеоусилителя превысит заданный уровень, на выходе
          компаратора появляется напряжение +5 В. Убедиться в этом мож-
          но, внося руку в акустический луч и наблюдая за экраном осцилло-
          графа (на какой дальности нужно вносить руку?);
      7 - пилообразное напряжение, синхронное с развёрткой индикатора
          (блок В). Осциллограмму снимать в двух масштабах: при длитель-
          ности развёртки 2×103 мкс/дел и 200 мкс/дел. Последний масштаб
           Последний масштаб раз вёртки сохраняется для осциллограммы 8;
      8 - Импульсы подсвета экрана индикатора. Изменяя уровень ручкой
          "УСТАНОВКА ПОРОГА", убедиться в смещении импульса под-


                                     10



        света порога и соответствующем смещении светового пятна на эк-
        ране индикатора.

     2.2. Исследование диаграмм вторичного излучения целей

      В ходе экспериментов диаграммы необходимо зарисовывать с экрана ин-
дикатора в полярных координатах (без кальки, на глаз, общая картина, осоз-
нанная до деталей). В центре диаграммы необходимо изобразить объект с со-
ответствующей ориентацией относительно лепестков диаграммы.
      2.2.1. Цель №1 - ШАР. Передатчик и приёмник совмещены. При этом
снимается диаграмма обратного излучения (рассеяния) - ДОР (однопозицион-
ная РЛС).
      Кнопкой "ПУСК" включить вращение цели. Перевести переключатель
"РЕГ.УСИЛЕНИЯ" на блоке Б в положение "АВТ" и, нажав кнопку "СБРОС
ЦАРУ", привести в действие схему автоматической регулировки усиления
(подробнее о работе ЦАРУ см. на стр.9 настоящего руководства).
      В дальнейшем включать схему ЦАРУ после каждой смены цели, если не
оговорено обратное. Для целей, у которых в диаграмме вторичного рассеяния
отсутствуют большие выбросы (например для шара, цилиндра), динамический
диапазон приёмника может оказаться достаточным и при максимальном усиле-
нии. В этом случае после окончания "обучающего" оборота цели не горит ни
один светодиод индикации состояния ЦАРУ, что соответствует максимальному
усилению в приёмном тракте ЦАРУ (относится к так называемым схемам АРУ
с задержкой).
      Ручками "ЯРКОСТЬ" и "ФОКУС" на блоке В отрегулировать изобра-
жение на экране индикатора до получения наибольшей яркости (линия ради-
альной развертки не должна быть видна). С помощью ручки ручной установки
порога на блоке А установить по индикатору порог на среднем уровне отра-
женного сигнала, показания стрелочного прибора занести в таблицу 1 (см. при-
ложение). Заполнить остальные колонки таблицы в соответствии с пояснения-
ми к таблице №1.
      Отодвинуть приемник по линейке на 50 см от передатчика, создав тем
самым двухпозиционную РЛС. Сделать это надо быстро, за 3-5 секунд, чтобы
по сохранившемуся послесвечению успеть сравнить новую диаграмму со ста-
рой. Убедиться, что существенных изменений не произошло.


            ПРИ СМЕНЕ ЦЕЛИ ВРАЩЕНИЕ ВЫКЛЮЧИТЬ



     2.2.2. Исследование отражения от плоских поверхностей.
     Цель №2 - ПЛАСТИНА 100х200 мм2 . Перед установкой цели обратите
внимание на различия сторон пластины. Сравните размер неровностей и длину
волны (при F1 длина волны λ1= 1,2 см, при F2 - λ2= 0,6см).



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика