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
8

помощью микроконтактного переключателя, связанного с механизмом вращения модели цели. Следует иметь в виду, что номер порога на табло является текущим, 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 установке предусмотрены аттенюатор с затуханием 20 dB и регулировка усиления резонансных усилителей. Регулировка усиления может осуществляться вручную и автоматически с помощью цифровой АРУ (ЦАРУ), в зависимости от положения переключателя П2 "РЕГ.УСИЛЕНИЯ". При работе ЦАРУ коэффициент усиления автоматически устанавливается на таком уровне, при котором наибольший отражённый от данной цели сигнал не превышает динамического диапазона оконечного устройства, т.е. индикатора.Работает схема ЦАРУ следующим образом. После смены цели (или после 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 оборота. 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 (выставляется с помощью подстроечного потенциометра), на выходе компаратора 3 появляется разрешающий сигнал, открывающий схему И, и на счётчик поступает тактовый импульс с синхронизатора, временное положение которого соответствует максимуму отражённого сигнала. Состояние счётчика изменяется на единицу, соответственно изменяется напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и уменьшается коэффициент усиления усилителя. Счётчик и ЦАП имеют 6 двоичных разрядов, т.е. 64 возможных состояния. Изменение коэффициента передачи приёмного тракта, соответствующее изменению состояния счётчика от 000000 до 111111, составляет 20 dB, т.е. коэффициент усиления при замкнутой петле ЦАРУ может изменяться с дискретой 0,3 dB. Положение передатчика в установке фиксировано. Положение приёмника 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 частном случае, когда приёмная и передающая "антенны" совмещены, можно на-

9

блюдать ДОР - диаграмму обратного рассеяния (однопозиционная радиолокация). 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 часовой стрелке положении. Включить тумблер "СЕТЬ" на блоке вращения цели, включить тумблер "СЕТЬ" на блоке А установки; через 1 мин сработает реле времени и будет подано 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 совместить, передвигая приёмник по линейке. Тумблер "ПЕРЕДАТЧИК" на блоке Б поставить в положение "ВКЛ". Снять осциллограммы, изменяя положение переключателя "ОСЦИЛЛОГРАММЫ" на блоке Б (развёртка осциллографа 2×103 мкс/дел): 1 - зондирующие импульсы; 2 - выход линейной части приёмника. (Внести руку в "поле зрения" локатора 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 амплитуды отражённого сигнала. Он по времени совпадает с сигналом, отражённым от цели; 5 - выход пикового детектора устройства измерения амплитуды; 6 - выход компаратора схемы ЦАРУ. В случае, если амплитуда сигнала после видеоусилителя превысит заданный уровень, на выходе компаратора появляется напряжение +5 В. Убедиться в этом можно, внося руку в акустический луч и наблюдая за экраном осциллографа (на какой дальности нужно вносить руку?); 7 - пилообразное напряжение, синхронное с развёрткой индикатора (блок В). Осциллограмму снимать в двух масштабах: при длительности 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 экране индикатора. 2.2. Исследование диаграмм вторичного излучения целей В ходе экспериментов диаграммы необходимо зарисовывать с экрана индикатора в полярных координатах (без кальки, на глаз, общая картина, осознанная до деталей). В центре диаграммы необходимо изобразить объект с соответствующей ориентацией относительно лепестков диаграммы. 2.2.1. Цель №1 - ШАР. Передатчик и приёмник совмещены. При этом снимается диаграмма обратного излучения (рассеяния) - ДОР (однопозиционная 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 усилении. 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 изображение на экране индикатора до получения наибольшей яркости (линия радиальной развертки не должна быть видна). С помощью ручки ручной установки порога на блоке А установить по индикатору порог на среднем уровне отраженного сигнала, показания стрелочного прибора занести в таблицу 1 (см. приложение). Заполнить остальные колонки таблицы в соответствии с пояснениями 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 старой. 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).

11

Установите цель так, чтобы большая сторона пластины была горизонтальной. Передатчик и приемник совмещены. Включить вращение цели, отнормировать масштаб диаграммы с помощью схемы ЦАРУ. Зафиксировать (зарисовать) диаграмму обратного рассеяния пластины. Оценить повторяемость диаграммы на различных оборотах цели. Вращая ручку ручной регулировки порога на блоке А совместить уровень порога с максимумом диаграммы зеркального отражения, снять показания стрелочного прибора и внести их в таблицу №1. Заполнить остальные колонки таблицы №1 для пластины с зеркальным отражением. Отнести приемник от передатчика на 50 см. Отметить изменение ориентации максимумов, пользуясь механической шкалой индикатора. Объяснить изменения качественно и количественно. Рассчитать теоретически угол поворота максимума, зная, что расстояние цель-линейка равно 80 см. Установить цель №3 - пластину 60х36 мм2 так, чтобы большая сторона была горизонтальной, отнормировать усиление приемника с помощью ЦАРУ. На примере этой пластины исследуется зависимость ширины диаграммы рассеяния от линейных размеров отражающего объекта. Зарисовать ДОР при горизонтальной ориентации пластины. Не меняя усиления приемника, зарисовать ДОР, расположив пластину на штыре вертикально. Определить по диаграммам ширину лепестка в градусах на уровне 0,707 (за "0" принять уровень при выключенном передатчике, за "1" - максимум данного лепестка). Объяснить качественные и количественные изменения в формах ДОР. 2.2.3. Цель №4 - УГОЛКОВЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ (УО). Установить УО так, чтобы линия пересечения двух зеркал была вертикальной. Зарисовать ДОР, предварительно отнормировав усиление приемника с помощью ЦАРУ. Произвести необходимые измерения и заполнить таблицу №1. (Линию порога совместить с одним из максимумов). Отнести приемник на 20 см, зарисовать диаграмму. Объяснить причину исчезновения одних лепестков и поворота других. Совместить приемник и передатчик. Установить УО так, чтобы вертикальной была биссектриса одного из квадрантов. Повторить эксперименты (усиление приемника не менять!). Установить УО так, чтобы вертикальной была ось симметрии одного из октантов. Не меняя усиление, повторить эксперименты. Объяснить возрастание числа лепестков. 2.2.4. Цель N5 - ЧЕТЫРЕХГРАННАЯ ПРИЗМА. Проделать те же опыты, что и с предыдущими целями для совмещенного локатора. Зарисовать ДОР и заполнить таблицу №1. Не меняя усиления ПРМ, повторить все для 8-и и 16-и-гранных призм и для конуса и цилиндра (цели №№ 6-9). 2.2.5. Исследование ДВУХТОЧЕЧНОЙ ЦЕЛИ.

12

Проделать опыты в соответствии с предыдущими пунктами (для совмещенного приемника и передатчика) для цели №10 ("гантель" с горизонтальной осью и для цели №11 ("гантель" с наклонной осью). Сравните между собой полученные диаграммы, объяснить различие. 2.2.6. Исследование сложной цели - САМОЛЕТ. Установить самолет горизонтально. ПРД и ПРМ совместить. Скорость вращения - малая. Наблюдать диаграмму на индикаторе. Наблюдать диаграмму при разносе ПРД и ПРМ на 50 см. Наблюдать диаграмму при совмещенных ПРД и ПРМ и при других положениях самолета - "полет" с креном и с тангажом. Объяснить характер изменений диаграмм. 2.3.

Исследование зависимости ширины диаграммы рассеяния от частоты

Для исследования этой зависимости в качестве цели используется плоская пластина 60х36 мм2 (цель №3). Далее: - установить пластину на штыре так, чтобы большая сторона была вертикальна; - переключатель "РАБОЧАЯ ЧАСТОТА" перевести в положение F1; - скорость вращения - медленная. Наблюдать и зарисовать основной лепесток диаграммы рассеяния. Перевести переключатель "РАБОЧАЯ ЧАСТОТА" в положение F2. Зарисовать основной лепесток диаграммы на частоте F2. Определить по результатам эксперимента ширину лепестков на уровне 0,707. Сравнить полученные результаты с теоретическими и объяснить зависимость ширины ДОР от частоты. После окончания эксперимента переключатель "РАБОЧАЯ ЧАСТОТА" поставить в положение F1 . 2.4.

Исследование статистических характеристик ЭПР сложной цели.

В результате этого эксперимента снимается интегральный закон распределения эффективной площади рассеяния, а, точнее, связанный с ним закон распределения амплитуды отраженного сигнала. Результаты измерений заносятся в таблицу №2 (см. приложение). Цель - самолет в горизонтальном положении. Установить большую скорость вращения цели. Тумблер "СЧЕТЧИК " на блоке А поставить в положение "ВКЛ". С помощью схемы ЦАРУ отнормировать усиление приемника. Остановить вращение цели. Тумблер "УСТАНОВКА ПОРОГА" перевести в положение "АВТ", нажать кнопку "СБРОС ПОРОГА", при этом на табло индикации номера порога должна загореться цифра "0". При включении вращения цели после каждого полного оборота уровень порога автоматически изменяется, а на световом табло "ЧИСЛО

13

ПРЕВЫШЕНИЙ" высвечивается число превышений порога отраженным сигналом. Под числом превышений понимается не число лепестков диаграммы, превысивших порог, а число локационных тактов, в которых сигнал превысил порог. Это число существенно выше, так как в той части лепестка, которая перешла порог, от одного до нескольких сотен тактов и, соответственно, превышений. Первое показание счетчика после включения вращения, как правило, ложно, так как соответствует неполному обороту цели - его следует пропустить. Все остальные показания занести в таблицу №2. Следует иметь в виду, что номер порога на табло является текущим, а индикация числа превышений относится к предыдущему порогу. Учтите это при заполнении таблицы №2. Для получения надежных результатов испытание следует повторить многократно (5 - 6 раз). Для повторения эксперимента достаточно нажать кнопку "СБРОС ПОРОГА". Поскольку ёмкость счетчика числа превышений равна 999, а число локационных тактов на один оборот n =1060, то к показаниям счётчика при нулевом пороге следует добавить 1000, т.е. восстановить единицу в четвертом разряде, утерянную при переносе в несуществующий разряд. В строку А таблицы 2 записывается сумма чисел столбца, в строке Б образуется среднее арифметическое этих пяти - шести испытаний. Вероятность превышения i-го порога W(U>Ui) можно найти нормировкой числа превышений: путем деления полученного числа превышений на число событий (среднее при пороге 0). Будем полагать, что порог 0 выбран настолько низким, что он превышается сигналом всегда, в каждом такте. Тогда вероятность превышения i-го порога можно найти как отношение числа превышений i-го порога к числу превышений нулевого порога (строка В). Интегральный закон распределения вероятности как функция U есть вероятность того, что величина Ui не превосходит U

бытий, то откуда

F(U) = W(U ≤ Ui) = 0 (1) Поскольку события U > Ui и U ≤ Ui составляют полную группу соW(U ≤ Ui) + W(U>Ui) = 1,

(2)

W(U ≤ Ui ) = 1 - W(U > Ui)

(3)

Т.е. строку Г, в которую заносятся значения (1-В) = W(U ≤ Ui) можно заполнить путем вычитания данных строки В из единицы. Постройте это распределение как функцию номера порога W( i ). На рис.4а показана одна из возможных кривых W( i ). В строке Д записывается приращение ∆Wi функции W(U≤Ui) между двумя смежными порогами: ∆Wi = W(U≤Ui) - W(U≤Ui-1) ,

(4)

14

которое понадобится при построении графика плотности вероятности. Плотность вероятности для U можно найти путем дифференцирования по U интегрального закона распределения: p (U ) =

dW (U ≤ Ui ) dU

(5)

В условиях табличного задания функции W(U≤Ui) неизбежен ход от дифференциалов к конечным приращениям: p=

∆W (U ≤ Ui ) ∆Ui

пере-

(6)

Как видно из рис.4а, значения ∆Wi есть не что иное, как вычисленные ранее разности в строке Д, а ∆Ui = ∆U(i-(i-1)) = ∆U, т.е. разность напряжений, соответствующих двум соседним порогам i и i-1. В силу линейности порогов шаг ∆U между ними постоянен, и в этих условиях формулу 6 можно записать в виде p(Ui) ≅ ∆W(U ≤Ui). Это и будет искомая плотность вероятности напряжения. Графически она показана на рис.4б. Видно, что очень малые и очень большие U маловероятны. Найдите по графику наиболее вероятные значения Uвер. Вычислите среднее значение Uср по формуле: 1 9 (7) Uср = ∑ Ui p(Ui ) ≈ ∑ i p(i ) = iср i i =1 i =1 и отметьте его на графике. Вычислите среднеквадратическое отклонение U от Uср (т.е. i от iср) по формуле 9

σi =

9

∑ (i − iср) 2 p(i)

i =1

(8)

Если мы хотим найти интегральное распределение площади p(Sэ), то необходимо учесть, что ЭПР пропорциональна мощности принятого сигнала и, следовательно, квадрату напряжения (в нашем случае Ui). Переход от аргумента i к аргументу Sэ в силу дискретных значений i удобнее выполнять не аналитически, а графически. Показанная на рис.4б ось i преобразуется в ось Sэ (рис.4в), которая оказывается линейной. Перерисовывая ее в линейном масштабе (рис.4г) и откладывая ординаты рис.4б на соответствующих абсциссах Sэ, мы получаем график p(Sэ).

15

3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать: - функциональная схема установки; - осциллограммы; - диаграммы обратного рассеяния и пояснения ко всем их особенностям; - таблицы измерений и вычислений; - графики интегрального и дифференциального распределений; - выводы по работе.

16

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 К расчету эффективной отражающей поверхности рассеяния Результаты измерений и расчета сводятся в таблицу Таблица 1 Цель

Апоказания прибора

Состояние ЦАРУ (дв.код)

Вслабление ЦАРУ (dB)

С-слабление 0-20dB

Относит. эффект. площадь

Площадь попереч. сечения

1. Шар 2. Пластина 100х200мм2 3. УО 4.4-гранная призма 5.8-гранная призма 6.16-гранная призма 7.Цилиндр

1. Состояние ЦАРУ заносится в таблицу в виде числа в двоичном коде. Горящий светодиод соответствует 1, негорящий - 0. 2. Для получения значения В необходимо перевести двоичный код в десятичный и умножить на 0,4 dB (при изменении состояния ЦАРУ на 1 затухание изменяется на 0,4 dB). 3.Значение С соответствует положению тумблера "ОСЛАБЛЕНИЕ" на блоке В установки. 4. Площадь поперечного сечения определяется непосредственным измерением. Для шара, пластины и цилиндра она очевидна, для УО - это площадь одного из зеркал, для призм - за площадь поперечного сечения следует принять произведение расстояния между параллельными гранями на высоту призмы. 5. Эффективная площадь рассеяния по отношению к шару может быть рассчитана по формуле: 2

Sэ  А  = × 10 0,1( В + С )  Sэш  Аш 

17

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 К расчету интегрального закона распределения и плотности вероятности Результаты измерений и расчета сводятся в таблицу Таблица 2 0 порог номер испытания 1 2 3 4 5 А Б В Г Д

1

2

3

4

5

6

7

8

9

18

19

F(x) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

x 1

2

3

4

5 Рис.4а

6

7

8

9

10

F(x)

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

x 1

2

3

4

5 Рис.4б

6

7

8

9

10

ЛИТЕРАТУРА: 1. Маковецкий П.В., Васильев В.Г. Отражение радиолокационных сигналов. ЛИАП, 1975 г. 2. Ширман Я.Д.и др.Теоретические основы радиолокации.Сов.радио, 1971 г. 3. Вентцель Е.С. Теория вероятности. Физматгиз, 1962, стр.71-96.

Восстановлено – стереотип, 2002 г. Компьютерная вёрстка – Андронников В.Б.