55.       Корреляционный и доплеровский методы измерения скорости: области применения, схемы измерения, основные расчетные соотношения.

 

В корреляционном методе измерения информации о скорости извлека­ется из реализаций случайных функций, отображающих движение объекта. В этих методах используются корреляционные связи между реализациями слу­чайных функций, а измеряемые величины определяются путем отыскания экстремумов корреляционных функций.

Корреляционные методы находят применение при измерении скоростей прокатываемых полос, в ткацком производстве, производстве бумаги, а также при измерении скоростей самолетов, кораблей.

Для пояснения идеи корреляционного метода обратимся к схеме 4 в табл. 1. Источник излучения (электромагнитного, акустического) посылает сигналы на движущийся объект (ленту) 4 или движущийся объект посылает сигналы на Землю. Приемники излучения 1 и 2 воспринимают сигналы

иодинаковые по форме, но сдвинутые во времени на вели­

чинугде 2l - расстояние между приемниками,v - относительная скорость. Сигналы детектируются (если необходимо) и поступают в кор­

ректор, содержащий блок регулируемой задержки БРЗ, умножитель 3 и фильтр

В БРЗ сигналf (t) преобразуется в разность и поступает на умножитель, где перемножается на сигнал После прохождения этими сигналами усредняющего фильтрав кото­

ром приближенно реализуются операции определения корреляционных функцийRff,получим

 

где Т - время корреляции.

Разностный сигналусиливается в усилителе Ус и поступает на ис­полнительный орган ИО, изменяющий задержкудо тех пор, покаARне обратится в нуль. При этомОтсюда скорость можно определить при

известныхlи т из соотношения

(13)

Вид корреляционных функцийRffзависит от характера подстилающей поверхности. Если поверхностью является жидкость, то сходство сигналов уменьшается и корреляционная функция становится расплывча­той. Однако это мало сказывается на точности, так как нулевая точка корре­ляционной функции остается неизменной.

Корреляционные измерители скорости кораблей или подводных лодок строятся по тому же принципу, только в качестве излучателей и приемников ультразвуковых сигналов применяются пьезоэлектрические или магнитост - рикционные приборы.

Если на один из относительно движущихся объектов установить источ­ник излучения (электромагнитного или акустического), а на второй — при­емник, то частота принятого сигнала изменится на величину пропорциональ­ную относительной скорости. Явление изменения (сдвига) частоты называет­ся эффектом Доплера и широко применяется для измерения скорости.

Доплеровский метод измерения скорости реализуется в различных ва-

риантах, два из которых рассмотрим детально.

Предположим, что на объекте, движущимся со скоростьюWв воздуш­ной или водной среде, установлена приемо-передающая система (точка А на схеме 5, а в табл. 1). Сигнал (электромагнитный в воздухе и ультразвуковой в воде) частотой fi,излучаемый передатчиком, попадая в точку В на подсти­лающей поверхности, частично отражается и принимается на борту. Частота отраженного сигнала равна- длина волны;

у - угол наклона луча.

Поскольку луч имеет конечный телесный угол, то отраженный сигнал состоит из компонент, частоты которых лежат вблизи частоты

(схема 5, б в табл. 1). Очевидно, из сплошного спектра необходимо выделить сигнал с частотойf1,что осуществляется с помощью специальных схем.

Неточная фильтрация сигнала и крены объекта (самолета, корабля) приводят к погрешностям метода. Так, например, прии крене 1° по­

грешность скорости составляет 4,7%.

Для уменьшения погрешности применяют следующие способы компен­сации: стабилизацию антенны по отношению к вертикали места; аналитиче­ский учет поправок по измеренным продольным и поперечным кренам; мно­голучевые системы. Первые два способа не обеспечивают высокой точности. Третий способ, реализуемый так, что два луча располагаются симметрично относительно вертикали, позволяют снизить погрешность измерения скоро­сти при крене 1° до 0,1 %.

В реализуемых доплеровских измерителях скорости и угла сноса при­меняется четырехлучевая антенна (схема 5, в в табл. 1). В такой системе че­тыре антенны посылают сигналы в области 1, 2, 3, 4 на подстилающей по­верхности, при этом поочередно работают два канала (1 - 3 и 2 - 4), сумма сдвигов доплеровских частот которых равна

 

где угол в указан на схеме 5, в.

Складывая и вычитая сигналыполучим

где

Из двух уравнений (15) можно определить путевую скорость Wи угол сноса ,бетта. Если антенную систему повернуть на угол сноса в, то биссектриса угла 2в антенной системы совпадает с вектором путевой скорости, а угол сно­са будет равен нулю. Очевидно в этом случа

(16)

Второе из этих соотношений является сигналом рассогласования, кото­рый используется в схемах автоматического определения величинWи в.

Средние квадратические погрешности доплеровских измерителей со­ставляют по скорости, по углу сноса

Рассмотренные методы пригодны для измерения относительных скоро­стей.