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

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 электромагнитными 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 реального натурного полигона использовать малую площадь лаборатории: скорость 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 установке зондирующий импульс длительностью τ = 2 мс даёт мёртвую зону и разрешающую 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 мощности равна (в радианах) θ=

λ , D

где D - раскрыв антенны. В нашем случае D - диаметр излучающей части звукового динамика. При D = 3 см и λ = 0,6 см θ = 0,2 радиан или 12о и, следовательно, 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 = 1,65 м , где Tп = R m= п = 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=21,65 м = 0,35 м). Проблема "ложных" дальностей решается проще, если Тп выбрать больше. Однако, тогда снятие подробной диаграммы отражения потребовало бы слишком медленного вращения цели. В самом деле, для неискажённого воспроизведения многолепестковой диаграммы вторичного излучения от

4

объектов необходимо, чтобы на каждый из её лепестков, в том числе и на самый 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 диаграмму одновременно из-за ограниченной длительности послесвечения люминофора 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 импульсов 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...) отражающие объекты в лаборатории отсутствуют. Правда, если локационная обстановка 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 ситуации, следя, чтобы во время измерений никто в диаграмме акустического луча 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 окружности, 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 (отражения), характеризующей цель (блок В); 10- самописец (при необходимости документального фиксирования на диаграммную ленту). На рис.2 показана функциональная схема установки, а на рис.3 - поясняющие 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 панели блока Б). Зондирующие импульсы формируются из непрерывной синусоиды с помощью 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 импульсы 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 излучаются с помощью высокочастотного динамического громкоговорителя. Отражённый сигнал принимается конденсаторным микрофоном. С выхода 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 возможности 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, попадает на вход усилителей (см. временную диаграмму 3, рис.3). Сигналы с выхода сумматора детектируются (Дет) и усиливаются в видео усилителе (ВУ) временная диаграмма 4, рис.3. Для отображения информации об амплитуде отражённого сигнала Ис на экране индикатора сигнал с видео усилителя подвергается пиковому детектированию в управляемом пиковом детекторе (ПД). Последовательность стробирующих импульсов 5 (рис.3) управляет зарядом ёмкости пикового детектора до соответствующего значения Uc. Стробирующие импульсы 5, формируемые в синхронизаторе, задержаны относительно зондирующих импульсов на время, равное известному времени запаздывания отражённого сигнала. Тем самым осуществляется селекция цели по дальности в режиме измерения амплитуды Uc. Перед формированием стробирующих импульсов 5 с синхронизатора на пиковый детектор подаются импульсы сброса, разряжающие конденсатор пикового 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 отражённого сигнала (6), запоминается на время периода зондирования Тп. Операция запоминания амплитуды Uci с помощью ПД позволяет увеличить яркость изображения 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 пилообразного 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 достигается увеличение яркости свечения люминофора трубки и, следовательно, яркости изображения. Индикатор диаграмм вторичного излучения отображает в полярной системе 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 вращения луча пропорционально интенсивности принимаемого сигнала при данном 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), поступающего 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 пропорциональное ему отклонение яркостной точки подсвета от центра. Радиально-круговая развёртка создаётся обычным образом. Равномерное движение электронного луча по радиусу обеспечивается импульсом пилообразного тока развёртки, формируемого генератором развёртки, формируемого

7

генератором развёртки (рис.2). Синхронное с вращением цели вращение радиуса обеспечивается с помощью вращающегося трансформатора ВТ, ротор которого вращается с целью. Импульс развёртки поступает в обмотку ротора и снимается с двух взаимно перпендикулярных обмоток статора, в одной из которых он промодулирован по амплитуде и полярности синусом угла поворота радиуса (и цели), а в другой - косинусом. Эти модулированные отклоняющие токи поступают соответственно на вертикально и горизонтально отклоняющие неподвижные катушки 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 яркости 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 переключателя (рис.2). Постоянное напряжение порога в компараторе 2 сравнивается с той же "пилой" 8 и в момент сравнения выдаётся импульс, который смешиваясь в сумматоре с импульсом компаратора 1, образует с ним сумму 9, подаваемую на подсвет луча индикатора. В режиме измерений статистических характеристик ЭПР счётчик канала регистрации (счётчик 103) подсчитывает число превышений порога Uп амплитудой сигнала Uc за один оборот цели (см. временные диаграммы 4, 6, и 8 рис.3). Число превышений , как функция порога, есть интегральная кривая распределения ЭПР. Если в осциллограмме 9 импульс сигнала С стоит правее импульса порога П (рис.3), то это означает превышение порога, если левее - непревышение. Импульсы, превысившие порог, подаются на счётчик канала регистрации (временная диаграмма 11, рис.3). С этой целью в канале регистрации имеется формирователь (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), запускают триггер формирования (Форм.). Сброс триггера осуществляется импульсами 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