Устройство для измерения спектральных характеристик морского волнения

Устройство для измерения спектральных характеристик морского волнения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (l1) si)s G 01 S 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР}

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4776144/09 (22) 29.12.89 (46) 15.01.93. Бюл. Ь 2 (71) Таганрогский радиотехнический институт им. В.Д,Калмыкова (72) А.А. Гарнакерьян,.В.Б. Скорик, И.M. Пономарев и К.И. Удалов (56) Патент Франции N 4249717, кл. G 01 Р 13/02, 1981, Патент США М 4064679, кл. 6 01 S 13/00, 1977. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СПЕКТРАЛЪНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОР. СКОГО ВОЛНЕНИЯ (57) Изобретение относится к радиотехническим средствам измерения морского волнения, Цель — повышение точности измерения спектральных характеристик морского волнения при различной в том числе и переменной скорости носителя. Устройство содержит передатчик 1, включающий сверхвысокочастотный генератор 2, первый балансный смеситель 3, генератор 4 модулирующей частоты и усилитель 5 мощности, передающую антенну 6, приемную антенну 7, приемник 8, включающий входной усилитель 9, первый и второй квадратурные каналы 10 и 11, первый.в-составе второго балансного смесителя 12, первого

1788484 буферного усилителя 13 и третьего балансного смесителя 14, второй в составе четвертого балансного смесителя 15, второго буферного усилителя 16 и пятого балансного смесителя 17, дифференциальный и суммирующий усилители 18 и 19, блок сдвига частоты 20, фазовращатель 21 и квадратурный фазовращатель 22, а также блок обработки 23 в составе первого полосовых фильтров 24 и 25, умножителя 26, первого фильтра 27 нижних частот, блока преобраИзобретение относится к радиотехническим средствам измерения характеристик морского волнения, используемым и реимущественно в гидрометеорологических и океанографических исследованиях, а также для повышения безопасности плавания судов и посадки на воду летательных аппаратов.

Известные измерители спектральных характеристик морского волнения обладают неудовлетворительной электромагнитной совместимостью иэ-за работы в радиовещательных коротковолновых диапазонах и требуют применения антенн больших размеров. Измерители, описанные в книге автора А,А. Загородникова "Радиолокационная сьемка морского волнения с летательных аппаратов" M., Гидрометеоиздат., 1978 г., с, 83 — 98, отличаются сло>кностью из-за необходимости обеспечения высокого пространственного разрешения и низкой оперативностью из-за применения оптической обработки данных.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству является двухчастотный спектрометр морских волн, состоящий из передатчика, приемника и ус. тройства обработки. Передатчик включает в себя сверхвысокочастотный генератор, соединенный с первым балансным смесителем, второй вход которого подключен к генератору модулирующей частоты, а выход — через усилитель мощности к передающей антенне. Приемник состоит из приемной антенны, соединенной через входной усилитель с двумя квадратурными каналами, выходы которых обьединяются на суммирующем и дифференциальном усилителях.

Первый квадратурнь|й канал состоит из последовательно включенных второго балансного смесителя, первого буферного усилителя и третьего балансного смесителя, Второй канал состоит, соответственно, из эования Фурье 28, интегратора 29, пропорционально-дифференцирующего фильтра

30 и блока подстройки центральной частоты полосовых фильтров 31, включающего ограничитель 32, частотный дискриминатор ЗЗ, второй фильтр нижних частот 34 и блок формирования уп равля ющего напряжения 35.

Положительный эффект достигается за счет слежения за частотой Допплера путем подстройки центральной частоты полосовых фильтров. 1 ил. последовательно включенных четвертого балансного смесителя, второго буферного усилителя и пятого балансного смесителя.

При этом, один из выходов второго баланс5 ного смесителя подключен к сверхвысокочастотному генератору передатчика через устройство сдвига частоты, а один из выходов четвертого балансного смесителя, кроме того, через фазовращатель на 90, 10 подключенный к выходу устройства сдвига частоты, Вторые входы третьего и пятого балансных смесителей подключены к выходу генератора модулирующей частоты передатчика через квадратурный

15 фазовращатель. Выходы суммирующего и дифференциального усилителей приемника соединены через первый и второй полосовые фильтры устройства обработки, соответственно, со входами перемножителя.

20 Выход перемножителя подключен через по1 следовательно соединенные фильтр ни>кних частот и преобразователь Фурье к устройству усреднения, выход которого является выходом устройства. При изменении

25 скорости движения носителя значения доплеровских частот на выходе полосовых фильтров изменяются, поэтому полосы пропускания этих фильтров проходится делать шире диапазона возможных значений до30 плеровских частот, что снижает точность измерений за счет влияния побочных продуктов преобразования балансных смесителей. Кроме того, сигнал на выходеустройства пропорционален среднеквадратичным

35 значениям составляющих спектра отражений радиоволн от морских волн с волновым числом

К =2лЯ, = (8л Fsing) /с, где, - длина морской волны;

40 F — частота модуляции сверхвысокочастотного генератора передатчика;

/3 — угол визирования; с — скорость света, 1788484

Поэтому, для вычисления спектра возвышений морской поверхности необходима 45 знание передаточной функции модуляции, которая заранее неизвестна, Целью изобретения является повышение точности измерения спектральных характеристик морского волнения при л абой 50 различной, в том числе, переменной скорости движения носителей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения спектральных характеристик морского волнения, содер- 55

>кащим установленные на борту летател ьного аппарата передатчик в составе сверхвысокочастотного генератора, выходом соединенного с первым входом первого балансного смесителя, BTopblM входом подключенного к выходу генератора модулирующей частоты, а выходом — через усилитель мощности к передающей антенне, включенный на выходе приемной антенны приемник в составе входного усилителя, выходам под- 5

Kllþ÷åíH0ão к входам первого и BTopol квадратурных каналов, включа:ощих, соответственно, последовательно соединенные второй балансный смеситель, первый буферный усилитель и третий балансный сме- 10 ситель и последовательно соединенные четвертый балансный смеситель, второй буферный усилитель и пятый балансный смеситель, суммирующий и дифференциальный усилители, первыми 75 входами подключенные к выходу третьего балансного смесителя, вторыми входами— к выходу пятого балансного смесителя, блок сдвига частоты, входом соединенный с выходом сверхвысокочастотного генератора, 20 а выходом — со вторым входом второго балансного смесителя, вторые входы третьего и пятого балансных смесителей через квадратурный фазовращатель подключены к выходу генератора модулирующей частоты, 25 блок обработки в составе подключенных, соответственна, к выходам суммирующего и дифференциального усилителя первого и второго паласовых фильтров, последовательно соединенных умножителя, первого 30 фильтра нижних частот, блока преобразования Фурье и блока усреднения, выход которога является выходом устройства, первый выход умножителя соединен с выходом первого полосового фильтра, первый 35 и второй паласовые фильтры выполнены с управляемой центральной частотой, введены блок подстройки частоты паласовых фильтров и управляемый пропорциональнодифференцирующий фильтр, блок под- 40 стройки частоты паласовых фильтров содержит последовательно соединенные ограничитель, входом соединенный с выходом дифференциального усилителя, частотный дискриминатор, второй фильтр нижних частот и блок формирования управляющего напряжения, выходом соединенный с управляющими входами первого и второго паласовых фильтров и пропорционально-дифференцирующега фильтра, сигнальный вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра, а выходс0 вторым входом умно>кителя.

Частотная модуляция рассеянного сигнала, обусловленная орбитальным движением морского волнения, преобразуется пропорционально-дифференцирующим фильтром с частотной характеристикой вида

Н(в) =)(в - в,), где j — мнимая единица; в — текущая круговая частота;

2 я 4 во — — + в сда

V — скорость движения носителя; в,„> — разность круговых частот на входе и выходе устройства сдвига частоты;

). - амплитудная модуляция, При этом, сигнал на выходе устройства становится пропорциональным среднеквадратичным значениям составляющих спектра орбитальных скоростей морской поверхности, а следовательно, спектру ее возвышений, Кроме того, центральные частоты полос пропускания первого и второго паласовых фильтров, а также частота перехода .ерез ноль (в,) амплитудно-частотной хара ктеристи ки прап арционал ьна-диффеаенцирующего фильтра изменяются синхронно с изменением доплеровских частот рассеянных сигналов, при любом изменении скорости движения носителя. При этом сигнал управления формируется путем фильтрации постоянной составляющей напряжения пропорционально значению доплеровской частоты одного из раСсеянных сигналов. Соответственно, паи любой скорости движения носителя, в пределах динамического диапазона схемы управления; обеспечивается фильтрация побочных про- дуктов преобразования балансных смесителей и равенство нулю составляющих спектра скоростей поверхности, образую; щихся за счет движения носителя.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения спектральных характеристик морскага волнения.

Устройство содер>кит передатчик, состоящий из сверхвысокочастотнаго генерэтора 1, соединенного с первым балансным смесителем 2, второй вход которого подключен к генератору мадулирующей частоты 3, а выход — через усилитель мощности 4

1788484

20

30

55 к передающей антенне 5. Кроме того, устройство содержит приемную антенну 6, приемник, состоящий из выходного усилителя 7, двух параллельных квадратурных каналов, первый из которых содержит последовательно соединенные второй баланснйй смеситель 8, первый буферный усилитель 9 и третий балансный смеситель

10, а второй — последовательно соединенные четвертый балансный смеситель 11, второй буферный усилитель 12 и пятый балансный смеситель 13, Выходы квадратурных каналов подключены к суммирующему

14 и дифференциальному 15 усилителям, Кроме того, приемник содержит блок сдвига частоты 16, вход которого подключен к сверхвысокочастотному генератору 1, а выход — ко второму балансному смесителю 8 и .через фазовращатель 17 к четвертому балансному смесителю 11. Вторые входы третьего 10 и пятого 13 балансных смесителей подключены через квадратурный фазорасщепитель 18 к генератору модулирующей частоты 3, блок обработки, состоящий из подключенных к суммирующему 14 и дифференциальному 15 усилителям первого 19 и второго 20 управляемых полосовых фильтров и последовательно соединенных умножителя 21, первого фильтра нижних частот 22, блока преобразования

Фурье 23 и блока усреднения 24. Один вход умножителя 21 подключен к вь1ходу первого полосового фильтра 19 непосредственно, а второй — к выходу второго полосового фильтра 20 через управляемый пропорциональ. но-дифференцирующий фильтр 25, Выход дифференциального усилителя 15 через последовательно соединенные ограничитель

26, частотный дискриминатор 27, второй фильтр нижних частот 28, блок формирования управляющего напряжения 29 подключен к управляющим входам первого 19 и второго 20 полосовь|х, а также пропорционально-дифференцирующего 25 фильтра, Выход блока усреднения 24 является выходом собственно устройства для измерения спектральных характеристик морского волнения, Сигнал сверхвысокочастотного генератора 1, при взаимодействии в первом балансном смесителе 2 с сигналом генератора модулирующей частоты 3, преобразуется в два сверхвысокочастотных сигнала, имеющих частоты, отличающиеся на удвоенную частоту модуляции, которые через усилитель мощности 4 поступают в передающую антенну. 5 и излучаются в пространство, Принятые антенной 6, резонансно рассеянные морской поверхностью сигналы через выходной усилитель 7 поступают на два квадратурных канала, где преобразуются на частоту модуляции вторым 8 и четвертым 11 балансным смесителями, усиливаются первым 9 и вторым 12 буферными усилителями и преобразуются на доплеровскую частоту третьим 10 и пятым 13 балансными смесителями. Гетеродинные сигналы, поступающие на квадратурные каналы со сверхвысокочастотного генератора 1 и генератора модулирующей частоты 3, имеют фазовые сдвиги, равные 90 за счет прохождения через фазовращатель 17 и квадратурный фазорасщепитель 18, соответственно, Поэтому на выходах суммирующего 14 и дифференциального 15 усилителей выделяются составляющие каждого из рассеянных сигналов по отдельности, Кроме того, блок сдвига частоты 16 гетеродинных сигналов позволяет осуществить фильтрацию побочных продуктов преобразования балансных смесителей при доплеровской частоте, близкой к нулю, то есть при неподвижном носителе. Сигналы с выходов суммирующего 14 и дифференциального 15 усилителей через первый 19 и второй 20 полосовые фильтры, подавляющие продукты преобразования, поступают на коррелятор, состоящий из последовательно включенных перемножителя 21, первого фильтра нижних частот 22 и преобразователя Фурье 23, выделяющий общие для рассеянных сигналов составляющие, обусловленные модуляцией ряби наклонами гравитационных волн.

На одном из входов коррелятора включен пропорционально-дифференцирующий фильтр 25, преобразующий частотную модуляцию доплеровского спектра одного из рассеянных сигналов. В результате, на выходе коррелятора выделяется сигнал, пропорциональный квадратичным значениям составляющих орбитальных скоростей морской поверхности, которые через блок усреднения 24 поступают на выход устройства. Кроме того, рассеянный сигнал с выхода дифференциального усилителя 15 поступает через ограничитель 26, несбходимый для устранения влияния побочных продуктов преобразования на частоты настройки паласовых и пропорциональнодифференцирующего фильтра, на частотный дискриминатор 27, где вырабать-вается напряжение, пропорциональное доплеровской частоте этого сигнала. После подавления составляющих, обусловленных орбитальным движением морских волн, во втором фильтре нижних частот 28 это напряжение поступает на блок формирования управляющего напряжения 29, служащий для согласования с характеристиками управления первого 19, второго 20 полосовых и про1788484

Составитель И.Пономарев

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор А,Мотыль

Редактор

Заказ 72 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 порционально-дифференцирующего 25 фильтров, по крутизне управления, начальному, конечному значениям характеристики управления и ее линейности, Использование заявляемого устройства 5 позволяет повысить точность измерения спектральных характеристик морского волнения при установке его как на движущихся, так и на неподвижных носителях, что расширяет область применения предлагаемого ус- 10 тройства. Кроме того, это позволяет повысить достоверность, точность и оперативность океанографических научных исследований, прогнозов погоды и проектирования сооружений, подвергаю- 15 щихся воздействию волнения а также без. опасность плавания судов и посадки на воду летательных аппаратов, Формула изобретения

Устройство для измерения спектраль- 20 ных характеристик морского волнения, содержащее установленные на борту летательного аппарата пЕредатчик в составе сверхвысокочастотного генератора, выходом соединенного с первым входом 25 первого балансного смесителя, вторым входом подключенного к выходу генератора модулирующей частоты. а выходом через усилитель мощности — к передающей антенне, включенный на выходе приемной антен- 30 ны приемник в составе входного усилителя, выходом подключенного к входам первого и второго квадратурных каналов, включающих соответственно последовательно соединенные второй балансный смеситель, 35 первый буферный усилитель и третий балансный смеситель и последовательно соединенные четвертый балансный смеситель, второй буферный усилитель и пятый балансный смеситель, суммирующего и диффе- 40 ренциального усилителей, первыми входами подключенных к выходу третьего балансного смесителя, вторыми входами — к выходу пятого балансного смесителя, блока сдвига частоты, входом соединенного с выходам сверхвысокочастотного генератора, з выходом — с вторым входом второго балансного смесителя, вторые входы третьего и пятого балансных смесителей через квадратурный фазовращатель подключены к выходу генератора модулирующей частоты, блок обработки в составе подключенных соответственно к выходам суммирующего и дифференциального усилителей первого и второго полосовых фильтров, последовательно соединенных умножителя, первого фильтра нижних частот, блока преобразования

Фурье и блока усреднения, выход которого является выходом устройства, первый вход умножителя соединен с выходом первого полосового фильтра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения спектральных характеристик морского волнения при различной, в том числе и изменяющейся во времени скорости летательного аппарата, первый и второй полосовые фильтры выполнены с управляемой центральной частотой, введены блок подстройки частоты полосовых фильтров и управляемых пропорционально-дифференциальный фильтр, блок подстройки частоты полосовых фильтров содержит последовательно соединенные ограничитель, выходом соединенный с выходом дифферен циал ьного усилителя, частотный дискриминатор, второй фильтр нижних частот и блок формирования управляющего напряжения, выходом соединенный с управляющим входами первого и второго полосовых фильтров и пропорционально-дифференцирующегр фильтра, сигнальный вход которого соединен у выходом второго полосового фильтра; а выход — с вторым входом умножителя.