Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 33
Текст из файла (страница 33)
ЛС подразделяют по трем основным признакам: 6~ф *... по физической природе носителя информации — электромагнитные, акустические, Оптичсские, пнсвмзтическис„элсктричсскис и магнитные; по способу локации — активные и пассивные; по типу модулирующсй функции — непрерывные и импульсные. Активные ЛС регистрируют отраженный эхо-сигнал, в то время кзк пассивные воспринимают собственное излучение объекта. Примером активной ЛС является акустический дальномер, пассивной — вихрстоковйя системз. 5.1. Теоретические основы локации 5.1.1. Общие сведении Движение волны, представляющее собой колсбательный процесс йрострзнения возмущения в некоторой среде, происходит с конечной ск ;-'".:„:::; ,стью с и Описывается волпоиым уравнением вида 5.
Локационные икформациоииые системы д2и д2и д2и 1 д2и + + — ° д2 д2 д2 2д2' где и — амплитуда возмущения; х, у, ~ — ортогональные оси координат. В волновой теории наиболее известным является частотное уравнение Х=ДУ=ст, где Х, ~" и Т вЂ” длина, частота и период волны соответственно. Механизм распространения волн в среде связан с явлениями отражения, дифракции, рефракции (искривление луча вследствие преломления), поглощения, рассеяния и различен для разных длин волн. Особенно наглядно это проявляется в области радиочастот, которые широко используются в навигационных системах мобильных роботов.
Так, волны сверхдлинного диапазона (Х > 1О км) сравнительно слабо поглощаются земной корой, а на их распространсние существенно влияет ионосфера, которая вместе с поверхностью Земли образует сферический волновод. Длинные волны (Х = 1...10 км), напротив, сильно поглощаются Землей и хорошо ее огибают; это происходит вследствие дифракции и волноводного эффекта, присущего волнам данного диапазона. Средние волны (Х = 100...1000 м) значительно поглощаются ионосферой днем и распространяются только благодаря дифракции (так называемые земныс волны).
Ночью ионосферныс отражения улучща1отся, и дальность волн резко возрастает (эти волны получили название пространственных). Что касается коротких волн (Х = 10...100 м), то дифракция у них выражена слабо, однако благодаря ионосферному отражению они могут достигать точки антипода, В диапазоне Х = 10...100 м сильно проявляются дисперсионные свойства ионосферы, а для наиболее коротких волн она и вовсе прозрачна. Ультракороткие волны (Х = 1 мм ... 1,0 м) распространяются практически прямолинейно, а на их дальность влияет затухание колебаний в тропосфере и стратосфере Земли.
Диапазон ультракоротких волн делят на четыре поддиапазона: метровый, дециметровый, сантиметровый и миллиметровый. Дальность распространения метровых волн достигает 2000 км, сантиметровые волны рассеиваются и попющаются облаками и туманом, а миллиметровые — газами атмосферы. Так как дальность распространения свити- и миллиметровых волн невелика, то в системах передачи информации этих диапазонов применяют волноводы и другие направляющие устройства. Под затуханием будем понимать некоторую интегральную характеристику, которая связана 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 и колебаний убывает с расстоянием х по экспоненциальному закону: и = иое ~, где ~ — коэффициент затухания. Для механической системы ~ = Ы(2т) (Ь вЂ” коэффициент скоростного трения, ж — масса колеблющего- 168 5./. Теоретические основы локации ся тела), для электрического колебательного контура ~ = И(2Е).
Теоретически затухание длится бесконечно долго, однако на практике колебательный процесс считают закончившимся, если его амплитуда составляет 1% от начальной,т. е. е ~~ =0,01, или'с=4,6/~. Зная коэффициент затухания, можно определить глубину проникновения электромагнитных волн в среду, Так, для морской воды коэффициент затух/ яро. хания ~ =, гдс р, р — соответственно магнитная проницаемость и Р удельное электросопротивление морской воды; ро — магнитная постоянная. Глубина проникновения Ь, при которой амплитуда сигнала уменьшается в е раз, определяется выражением Ь = 1/е. Следовательно, при частоте электромагнитного сигнала ~Г = 1 кГц (Х = 300 м), р = 0,25 Ом -м и р = 1 глубина проникновения Ь = 8 км.
В металлических предметах затухание значительно сильнее, Так, в стали (р = 7.10 Ом - м, ц = 10 ) глубина проникновения Ь составляет доли миллиметра. В инженерных расчетах для определения затухания сигнала также используют интегральный параметр, называемый коэффициентом ослабления /посл. /~'осл = Рпр / " изл, ;";-, и следовательно, / = /рРи /~'пр ':~::: где Й вЂ” размерный коэффициент. р В активной ЛС (например, в импульсно проходит путь до объекта, поэтому ослаблени '! ' 6ояьше. Для таких систсм дальность определи / = сЬ|/2, м дальномере) волна дважды е сигнала будет в четыре раза тся выражением ';::: где Га — время прохождения сигнала от момента излучения до момента ; ' Приема.
где /'лр, Р„л — мощность сигнала на входе приемника и на выходе излучателя соответственно. Ослабление сигнала зависит от расстояния / между приемником и излу,,":=:::.. чателем (или объектом) и свойств среды. Так, для изотропной среды, когда волна имеет сферическую форму, мощность сигнала на входе приемника убывает пропорционально / .
Например, в пассивной ЛС, где волна прохо- 2 дит расстояние до объекта один раз, Рпр /с-ослризл /~рРизл // 5. Локациоииые информационные системы 5.1.2. Направленность излучении Эффективность ЛС в значительной степени определяется надежностью локации ~точностью обнаружения сигнала, помехоустойчивостью связи н др.) и дальностью се распространения. Поэтому при посылке информационных сигналов используют направленные модулированные излучения. Направленность излучателя (приемника) ЛС вЂ” это свойство, заключающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т.
е. способности излучать ~принимать) волны в одних направлениях в большей степени, чем в других. Направленность преобразователя позволяет увеличить соотношение сигнал/шум как в режиме излучения, так и в режиме приема сигнала. В режиме излучения направленность определяется интерференцией колебаний, приходящих в данную точку среды от отдельных ~малых по сравнению с длиной волны в среде) участков излучателя. Для направленного излучения необходимо выполнение неравенства ~хар — »1, Х где Их,р/Х вЂ” параметр, называемый волновым размером излучателя; Их,.р — характерный размер излучателя (например, его диаметр).
В режиме приема сигнала направленность вызывается интерференцией электрических напряжений, развивасмых на выходных клеммах отдельных элементов приемника. В общем случае диаграммы направленности излучатсля и приемника ЛС отличаются. Это характерно, например, для оптических ЛС. Если же в системс используются обратимые преобразователи, например в акустических ЛС, то их диаграммы направленности в режимах приема и излучения полагают одинаковыми. Направленность — важнейшая характерисгнка локации, обеспечивающая саму возможность связи. В живой природе оиа реализуется при фокусировке сигнала вслсдствис интерференции его составляющих, излучаемых несколькими источникамн.
У летучей мыши такими источниками являются две ноздри, расстояние между которыми прнблизитслыю соответствует 2Х излучаемого звука. Ширина диаграммы направленности излучающего авш1рата летучей мыши составляет 30...50, приемного — !...50 . Указанное обстоятельство обеспечивает высокую разрешающую способность се локациошюго аппарата и позволяет различать проволоку толщиной 0,2 мм, натянутую на расстоянии всего 5 мм от плоской отражающей поверхиосги.
Высокая разрешающая способность характерна и для навигациошюй системы дельфина, который 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 170 5.1. Теоретические основы локации излучателя определяется суммированием сферических волн„создаваемых отдельными элементами. Общие теоретические методы описания направленности излучения основываются на использовании функций Грина, позволяющих учесть геометрические характеристики излучателя и излучаемого сигнала. Однако для преобразователей произвольной формы эти характеристики трудно определить из-за сложности формы поля вблизи излучающей поверхности.
Направленность излучателя (приемника) ЛС описывается двумя параметрами: характеристикой направленности и коэффициентом концентрации. Характеристикой направленности преобразователя называется выражение вида Р(г) = Р(г)! Р(г0), Р(0) 0,50 0,25 60 0 30 Рис. 5.1. Диаграмма направленности в полярной (а) и в декартовой (б) сис- темах координат (ОА — направление главного максимума, 60 707 — угловая ширина главного максимума по уровню 0,707) где Р(г), Р(гв) — мощности фиксируемых на одинаковом расстоянии от центра преобразователя сигналов в направлениях, характеризуемых радиус-векторами г и гл соответственно. Обычно радиус-вектор г0 выбирают таким, чтобы его направление совпадало с направлением максимума излучения или максимума чувствительности.
В графическом виде характеристика Р(г) представляет собой пространственную или плоскую диаграмму направленности, отображаемую в полярных или декартовых координатах (рис. 5Л, а), Аргументом диаграммы направленности, .как правило, является угол О, отсчитываемый от направления ОА максимального излучения (см. рис. 5Л, и) и зависящий от частоты сигнала. Направление ОА обычно совпадает с одной из осей преобразователя. Диаграмма направлснности характеризуется: главными и добавочными максимумами (лепестками); угловой шириной главного максимума„отношениями амплитуд добавочных максимумов к главному. Угловую игирину гяавиого максимума определяют двумя способами. В первом она равна углу 00 между направлениями нулевого излучения, во втором — углу 00~0~ между направлениями излучения по уровню 0,707, соответствующему 50 %-ной излучаемой мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
