ГЛАВА 5. ЛОКАЦИОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

И нформационные системы локационного ти­па (ЛИС) относятся к устройствам бесконтактного действия, и реализуют слуховую бионическую функцию. Информативным параметром этих систем является модулированная волна (раз­личной физической природы), характеристики которой определяются интегральными свойствами среды распространения. В робототехнике и мехатронике ЛИС используются для определения координат и скорости объектов в задачах уп­ра­в­ления и навигации, для обеспечения необходимой траектории движения исполнительного механизма вблизи границы раздела сред, а также в качестве средств безопасности. Отдельной областью применения является определение свойств среды распространения. Во всех случаях преобразователи ЛИС являются датчиками среды. Поскольку и система и объект находятся в некотором физическом поле, результаты измерения существенно зависят от свойств этого поля. В зависимости от пространственно-временных свойств различают поля потенциальные (например, электростатические) и вихревые (электромагнитные и акустические). Как правило, вихревые поля содержат больше параметров, пригодных для измерения и поэтому более информативны. Тем не менее, иногда (например, при работе на малых расстояниях) целесообразно использовать ЛИС, принцип действия которых основан на свойствах потенциальных полей. В любом случае, необходимые данные выделяются из информации об объекте, переносимой этим полем.

При классификации ЛИС выделим три основных признака.

1. По физической природе носителя информации: электромагнитные, акустические, оптические, пне­в­матические, электрические и магнитные.

2. По способу локации: активные и пассивные (рис. 5.1).

1. По типу модулирующей функции: непрерывные и импульсные.

В состав активных ЛИС входят волновой излучатель и приемник отраженного «эхо-сиг­нала», в то время как пассивные ЛИС регистрируют собственное излучение объекта. Примерами активных ЛИС, использующих импульсную модуляцию, являются аку­стические даль­номеры. Принципы пассивной локации используют вихретоковые системы.

5.1. Теоретические основы локации

Движение волны, представляющее собой про­­­цесс распространения возмущения u в некоторой среде, происходит с конечной скоростью c и описывается волновым уравнением вида:

где x, y, z - ортогональные направления в однородной и изотропной среде.

Наиболее известным в волновой теории является частотное уравнение вида:

 = c/f = cT,

здесь  - длина, f - частота, T - период волны.

Механизм распространения волн в среде связан с явлениями отражения, дифракции и рефракции (ис­кривления луча вследствие преломления), поглощения и рассеяния и различен для разных длин волн. Указанные особенности необходимо учитывать при построении ЛИС.

Особенно наглядно действие этих факторов про­является в области радиочастот, которые широко исполь­зуются в навигационных системах роботов. Так, ра­диоволны сверхдлинного диапазона с  более 10 км сравнительно слабо поглощаются земной корой, а на их распространение существенно влияет ионосфера, которая вместе с поверхностью Земли образует сферический волновод (рис.5.2). Длинные волны с  = 1 ...10 км, напротив, сильно поглощаются и хорошо огибают Землю; это происходит вследствие дифракции и волноводного эффекта, присущего данному диапазону волн. Средние волны ( = 100 ... 1000 м) значительно поглощаются ионосферой днем и распространяются только благодаря дифракции (так называемые земные волны). Ночью ионосферные отражения улучшаются, и дальность волн резко возрастает (эти волны получили название простран­ствен­ных). Что касается коротких волн с  = 10 ... 100 м, то дифракция у них выражена слабо, однако, благодаря ионосферному отражению могут достичь точки антипода. В этом диапазоне сильно проявляются дисперсионные свойства ионосферы, а для наиболее коротких волн она и вовсе прозрачна. Ультракороткие УКВ волны ( = 1 мм … 10 м) распространяются практически прямолинейно, а на дальность влияет затухание в тропосфере и стратосфере Земли. Ди­апазон УКВ делится на 4 поддиапазона - метровые, сантиметровые, дециметровые и миллиметровые волны. Дальность метровых достигает 2000 км. Сантиметровые волны рассеиваются и поглощаются облаками, туманом и т.д., а миллиметровые, а также субмиллиметровые волны поглощаются газами атмосферы. Поэтому их дальность невелика, и в системах передачи информации этого диапазона применяются волноводы и другие направляющие устройства.

Под затуханием будем понимать некоторую интегральную характеристику, связанную с потерей энергии колебаний в среде, приводящей к ослаблению амплитуды сигнала. Затухание сигнала влияет на дальность его распространения. В линейных системах с одной степенью свободы амплитуда колебаний u убывает по экспоненциальному закону: u = u₀ e^-зt , где _з - показатель затухания. Например, для механической системы: _з = b/2m, где b - коэффициент скоростного трения, m - масса колеблющегося тела; для колебательного контура c индуктивностью L и сопротивлением R: _з = R/2L. Теоретически затухание длится бесконечно долго, однако, на практике колебание считается закончившимся, если его амплитуда уменьшилась до 1% начальной величины. Тогда e^-з = 0,01 или  = 4,6/_з.

Используя представление о показателе затухания можно определить глубину проникновения электромагнитных волн различной частоты f в среду. Так, для морской воды показатель затухания равен: , где  и  - соответственно удельное сопротивление и магнитная проницаемость воды, ₀ - магнитная проницаемость вакуума. Глубина проникновения , при которой амплитуда сигнала уменьшится в е раз определится выражением: =1/е. Следовательно, для частоты электромагнитного сигнала f = 10³ Гц (  = 300 м), _мв  0,25 Омм и _мв = 1, получим  = 8000 м. Затухание в металлических предметах значительно выше (для стали: _с  7 10^-4 Омм << _мв и _c = 10³ >> _мв) и  не превышает долей миллиметра.

В инженерных расчетах, для определения ослабления сигнала также используется интегральный параметр, называемый коэффициентом ослабления K_осл:

K_осл = W_пр/W_изл,

где W_пр и W_изл - плотность энергетических потоков (мощность) принятого и переданного сигналов.

В общем случае, мощность принятого сигнала зависит от дальности до объекта L, свойств среды K_осл и чувствительности приемника S_пр. Для учета последних факторов вводится коэффициент интегральной чувствительности k = f(K_осл, S_пр). Тогда, в пассивной ЛИС, где волна проходит расстояние до объекта один раз, получим W_пр = K_осл W_изл = k W_изл/L², и, следовательно

L =  k W_изл/W_пр

В активных ЛИС (например, в импульсных дальномерах) волна дважды проходит путь до объекта. Поэтому и ослабление сигнала будет в четыре раза больше. Для таких систем дальность определяется по формуле:

L = сt/2,

здесь t - временная задержка принятого сигнала относительно момента излучения.

Эффективность ЛИС в значительной сте­пени определяется надежностью лока­ции (точностью об­на­ру­же­ния, помехоус­той­чивостью связи и т.д.) и дальностью ее распространения. С этой целью при посылке информационных сигналов используют направленные модулированные излучения.

5.1.1. Направленность излучения

Направленность (Н) излучателей и приемников ЛИС - это свойство, заключающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т.е. способности излучать (принимать) волны в одних направлениях в большей степени, чем в других.

В общем случае различают Н излучателя и Н приемника. В режиме излучения Н определяется интерференцией когерентных колебаний, приходящих в данную точку среды от отдельных (малых по сравнению с длиной волны в среде) участков из­луча­теля или отдельных элементов сложного излучателя, состоящего из многих элементов (в частности, излу­чающей антенны). Для Н необходимо, чтобы

d_хар >> 

где d_хар - характерный размер излучателя (например, его диаметр).

В случае приемника Н вызывается интерференцией напряженностей (для звука - давлений) на его поверхности.

Н - важнейшая характеристика локации, обеспечивающая саму возможность связи. В природе она реализуется благодаря фокусировке сигнала, за счет интерференции его составляющих, излучаемых несколькими источниками. (Такими источниками у летучей мыши, например, подковоноса, являются две ноздри, расстояние между которыми приблизительно соответствует 2 излучаемого звука). Ширина диаграммы направленности излучающего аппарата летучих мышей составляет 30 ... 50⁰, а приемного - варьируется в пределах 1 … 50⁰. Указанные обстоятельства обеспечиваю высокую разрешающую способность локационного аппарата летучей мыши, и позволяет ей различать проволоку толщиной 0,2 мм, натянутую на расстоянии всего 5 мм от плоской отра­жающей поверхности. Высокая разрешающая способность характерна и для навигационной системы дельфина. В частности, афалина обнаруживает шарик диаметром 3 мм на расстоянии 5 м [ ].

Наиболее простая математическая мо­дель, описывающая излучатель, основана на его представлении в виде дискретной или непрерывной совокупности малых по срав­нению с длиной волны излучающих эле­ментов, а поле излучателя определяется суммированием сферических волн, созда­ваемых отдельными элементами. Общие теоретические методы описания Н излучений основываются на использовании функций Грина, позволяющих связать геометрические характеристики излучателя и излучаемого сигнала. Однако точные решения для излучателей произвольной формы в настоящее время отсутствуют. Это обусловлено сложностью формы поля вблизи излучающей поверхности. Полученные решения относятся лишь к преобразователям, имеющим достаточно простые формы излучающих поверхностей (плоские, сферические).

Н излучателей и приемников ЛИС описывается двумя параметрами:

• характеристикой (диаграммой) направленности;

• коэффициентом концентрации.

Характеристикой Н D(r) преобразователя называется зависимость мощности или напряженности E излучаемого поля от направления r: D(r) = E(r)/E(R₀). Здесь направление R₀ обычно выбирают так, чтобы оно совпадало с направлением максимума излучения или максимума чувствительности (для приемника). В графическом виде характеристика Н представляется пространственной или плоской диаграммой Н (рис. 5.3), отображаемой в полярных (а) или декартовых (б) координатах. На практике обычно рассматривают модуль плоской диаграммы Н, называемый ее амплитудной характеристикой:

| D()| = |E()|/|E_max|.