Устройство для измерения спектральных характеристик морского волнения Советский патент 1993 года по МПК G01S13/00 

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 преобразования Фурье 28, интегратора 29, пропорционально-дифференцирующего фильтра 30 и блока подстройки центральной частоты полосовых фильтров 31, включающего ограничитель 32, частотный дискриминатор 33, второй фильтр нижних частот 34 и блок формирования управляющего напряжения 35. Положительный эффект достигается за счет слежения за частотой Допплера путем подстройки центральной частоты полосовых фильтров. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехническим средствам измерения характеристик морского волнения, используемым преимущественно 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 из-за работы в радиовещательных коротковолновых диапазонах и требуют применения антенн больших размеров. Измерители, описанные в книге автора А.А. Загородникова Радиолокационная съемка морского волнения с летательных аппаратов М., Тидрометеоиз- дат., 1978 г., с. 83-98, отличаются сложностью 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 объединяются на суммирующем и дифференциальном усилителях, Первый квадратурный канал состоит из последовательно включенных второго балансного смесителя первого буферного усилителя и третьего балансного смесителя. Второй канал состоит, соответственно, из

последовательно включенных четвертого балансного смесителя, второго буферного усилителя и пятого балансного смесителя. При этом, один из выходов второго балансного смесителя подключен к сверхвысокочастотному генератору передатчика через устройство сдвига частоты, а один из выходов четвертого балансного смесителя, кроме того, через фазовращатель на 90°,

подключенный к выходу устройства сдвига частоты. Вторые входы третьего и пятого балансных смесителей подключены к выходу генератора модулирующей частоты пере- датчикачерез квадратурный

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

Выход перемножителя подключен через по- следовательно соединенные фильтр нижних частот и преобразователь Фурье к устройству усреднения, выход которого является выходом устройства. При изменении

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

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

. (8л: Fsinj5)/c, где Ав - длина морской волны;

F - частота модуляции сверхвысокочастотного генератора передатчика; /3 -угол визирования; с -- скорость света.

Поэтому, для вычисления спектра возвышений морской поверхности необходимо знание передаточной функции модуляции, которая заранее неизвестна.

Целью изобретения является повышение точности измерения спектральных характеристик морского волнения при любой различной, в том числе, переменной скорости движения носителей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения спектральных характеристик морского волнения, содер- жащим установленные на борту летательного аппарата передатчик в составе сверхвысокочастотного генератора, выходом соединенного с первым входом первого балансного смесителя, вторым 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, выходом под- ключенного к входам первого и второго квадратурных каналов, включающих, соответственно, последовательно соединенные второй балансный смеситель, первый буферный усилитель и третий балансный сме- ситель и последовательно соединенные четвертый балансный смеситель, второй буферный усилитель и пятый балансный смеситель,суммирующий и дифференциальный усилители, первыми входами подключенные к выходу третьего балансного смесителя, вторыми входами - к выходу пятого балансного смесителя, блок сдвига частоты, входом соединенный с выходом сверхвысокочастотно.го генератора, а выходом - со 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 усилителя первого и второго полосовых фильтров, последовательно соединенных умножителя, первого фильтра нижних частот, блока преобразования Фурье и блока усреднения, выход которого является выходом устройства, первый выход умножителя соединен с выходом первого полосового фильтра, первый и второй полосовые фильтры выполнены с управляемой центральной частотой, введены блок подстройки частоты полосовых фильтров и управляемый пропорционально- дифференцирующий фильтр, блок под- стройки частоты полосовых 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 полосовых фильтров и пропорционально-дифференцирующего фильтра, сигнальный вход которого соединен с выходом второго полосового фильтра, а выход- со вторым входом умножителя.

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

Н(а;) Я су - Шо),

где j - мнимая единица; (У - текущая круговая частота;

0)0 - + (О сдв

VH - скорость движения носителя;

ft) сдв разность круговых частот на вхо- де и выходе устройства сдвига частоты;

Я- 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 полосовых фильтров,.а также час тота перехода через ноль (со0) амплитудно-частотной характеристики пропорционально-дифференцирующего 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 до- плеровской частоты одного из рассеянных сигналов. Соответственно, при любой скорости движения носителя, в пределах динамического диапазона схемы управления, обеспечивается фильтрация побочных продуктов преобразования балансных смесителей и равенств о нулю составляющих спектра скоростей поверхности, образующихся за счет движения-носителя.

На чертеже представлена блок-схема стройства для измерения спектральных характеристик морского волнения.

Устройство содержит передатчик, со- стоящий из сверхвысокочастотногр генераора 1, соединенного с первым балансным месителем 2, второй вход которого подключен к генератору модулирующей частоы 3, а выход - через усилитель мощности А

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 балансный 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 1.6, 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 ква дратурный фазо- расщепите ль 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 м блока усреднения 24. Один вход умножителя 21 подключена выходу первого полосового фильтра 19 непосредственно, а второй - к выходу второго полосового фильтра 20 через управляемый пропорционально-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 полосовых, а также пропорцио- . нально-дифференцирующего 25 фильтра. Выход блока усреднения 24 является выходом собственно устройства для измерения спектральных характеристик морского волнений. ; ..

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 усили тель 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

15 дифференциального 15 усилителей выделяются составляющие каждого из рассеянных сигналов по отдельности, Кроме того, блок сдвига частоты 16 гетеродинных сигналов позволяет осуществить фильтрацию побоч20 ных продуктов преобразования балансных смесителей при доплеровской частоте, близкой к нулю; то есть при неподвижном носителе. Сигналы с выходов суммирующего 14 и дифференциального 15 усилителей

25 через первый 19 и второй 20 полосовые фильтры, подавляющие продукты преобразования, поступают на коррелятор, состоящий из последовательно включенных перемножителя 21, первого фильтра ниж3.0 них частот 22 и преобразователя Фурье 23, выделяющий общие для рассеянных сигналов составляющие, обусловленные модуляцией ряби наклонами гравитационных волн. На одном из входов коррелятора включен

35 пропорционально-дифференцирующий фильтр 25, преобразующий частотную модуляцию доплеровского спектра одного из рассеянных сигналов. В результате, на выходе коррелятора выделяется сигнал, про40 порциональный квадратичным значениям составляющих орбитальных скоростей морской поверхности, которые через блок усреднения 24 поступают на выход устройства. Кроме того, рассеянный сигнал

45 с выхода дифференциального усилителя 15 поступает через ограничитель 26, необходимый для устранения влияния побочных продуктов преобразования на частоты настройки полосовых и пропорционально50 дифференцирующего фильтра, на частотный дискриминатор 27, где вырабатывается напряжение, пропорциональное доплеровской частоте этого сигнала. После подавления составляющих, обусловленных 55 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 пропорцион ал ьно-дифференцирующего 25 фильтров, по крутизне управления, начальному, конечному значениям характеристики управления и ее линейности,

Использование заявляемого устройства 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- тройства. Кроме того, это позволяет повысить достоверность, точность и оперативность океанографических научных исследований, прогнозов погоды и проектирования сооружений, подвергаю- щихся воздействию волнения а также без- . опасность плавания судов и посадки на воду летательных аппаратов.

Формула изобретения Устройство для измерения спектраль- ных характеристик морского волнения, содержащее установленные на борту летательного аппарата передатчик в составе сверхвысокочастотного генератора, выходом соединенного с первым входом первого балансного смесителя, вторым входом подключенного к выходу генератора модулирующей частоты, а выходом через усилитель мощности - к передающей антенне, включенный на выходе приемной антен- ны приемник в составе входного усилителя, выходом подключенного к входам первого и второго квадратурных каналов, включающих соответственно последовательно соединенные второй балансный смеситель, первый буферный усилитель и третий балансный смеситель и последовательно соединенные четвертый балансный смеситель, второй буферный усилитель и пятый балансный смеситель, суммирующего и диффе- ренциального усилителей, первыми

входами подключенных к выходу третьего балансного смесителя, вторыми входами - к выходу пятого балансного смесителя, блока сдвига частоты, входом соединенного с выходом сверхвысокочастотного генератора, а 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, отличающееся 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 полосе- вые 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 дифференциального усилителя, частотный дискриминатор, второй фильтр нижних частот и блок, формирования управляющего напряжения, выходом соединенный с управляющими входами первого и второго полосовых фильтров и пропорционально-дифференцирующегщ фильтра, сигнальный вход которого соединен f выходом второго полосового фильтра, а выходу - с вторым входом умножителя.