Локационные информационные системы


ГЛАВА 5. ЛОКАЦИОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Информационные 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 Омм и мв = 1, получим = 8000 м. Затухание в металлических предметах значительно выше (для стали: с 7 10-4 Омм << мв и c = 103 >> мв) и не превышает долей миллиметра.

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

Kосл = Wпр/Wизл,

где Wпр и Wизл - плотность энергетических потоков (мощность) принятого и переданного сигналов.

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

L = k Wизл/Wпр

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 = сt/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

dхар >>

где dхар - 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()|/|Emax|.

Аргументом характеристики Н, как правило, является угол , отсчитываемый от направления мак­­­­­сималь­ного излучения. Угол ди­аграм­мы зависит от час­тоты излучателя.

Диаграмма Н описывается следующими параметрами:

  • главным и добавочным максимумами (лепестками);

  • шириной главного максимума 0, определяемой углом ме­жду направлениями нулевого излучения (или по уровню 0,707, т.е. по уровню соответствующему 50 % излучаемой мощности);

  • отношением значений уровней добавочных максимумов к главному.

Лепестковый характер диаграммы Н связан с интерференцией полей, излучаемых отдельными элементами. В главном лепестке направленного преобразователя сосредоточено свыше 90% всей излучаемой мощности. Наименее направленными излучателями являются вибратор Герца (диполь), представляющий собой короткий кусок провода с емкостями на концах и рамка (магнитный диполь) - виток провода, диаметр которого мал по сравнению с . Их диаграммы Н имеют форму тороида (рис. 5.4). Н реальных излучателей (и приемников) в горизонтальной и вертикальной плоскостях различаются. Так, в радиолокационных системах сантиметрового ди­апазона диаграмму Н делают узкой в горизонтальной плоскости и широкой (либо состоящей из множества узких лучей) - в вертикальной.

Коэффициент концентрации (называемый также коэффициентом направленного действия - КНД), характеризует меру концентрации излучаемой энергии вдоль некоторого направления (обычно направления главного максимума диаграммы Н). КНД Kнд определяется как отношение мощности излучения, в направлении главного максимума W, к мощности гипотетического «нена­правленного» излучателя с такой же излучае­мой мощностью W на том же расстоянии l:

Kнд = W/W

«Ненаправленным» считается излучатель с диаграммой Н типа шара. Его мощность W1 в единице телесного угла равна W/4. Тогда Kнд = 4 W/W. Для простейших преобразователей ЛИС (диполей) Kнд = 1,5.

Н зависит от волнового размера излучателя dхар/ (от­ношения его характерных разме­ров, обы­чно длины или диаметра к длине волны). С уве­личением dхар/ уменьшается ширина диаграммы Н и возрастает коэффициент концентрации (рис. 5.5б). В современных ЛИС, преобразователи которых состоят из большого числа элементарных диполей (так называемые антенные решетки), существует возможность уп­равления диаграммой Н. Это делается путем соответствующего амплитудно-фа­зового рас­пре­деления излучения по поверхности преобразователя (рис. 5.5а). Так, например, амплитудные распределения, характеризуемые спадом амплитуды излучения к краям изл­учающей повер­хно­сти, расширяют основной максимум диаграммы Н и уменьшают добавочные, а распределения с возрастанием амплитуды к краям, наоборот, уменьшают ширину главного максимума и увеличивают уровень добавочных (рис. 5.5а). Использование принципов управления фазой излучения позволяет поворачивать главный максимум диаграммы Н. В частности, при линейной зависимости фазы от координаты излучателя осуществляется сканирование среды излучения.

В ЛИС довольно часто применяются обратимые преобразователи. Их характеристики Н в режимах приема и излучения будут одинаковы, если обеспечивается постоянство амплитудного распределения и внутреннего механического сопротивления преобразователя.

5.1.2. Модуляция и детектирование сигналов

Важнейшим принципом передачи информации в ЛИС является модуляция, под которой понимается изменение по заданному закону во времени некоторых параметров, характеризующих излучение. Обычно такими параметрами являются характеристики сигнала - его амплитуда, частота, фаза и т.д. Поскольку в ЛИС информация переносится волновыми процессами, то говорят о модуляции колебаний (МК). МК называется вариация каких-либо параметров периодических колебаний, медленная по сравнению с самими колебаниями. Колебание более высокой частоты, параметры которого изменяются сигналом, называется несущим. Разделяют непрерывную и импульсную модуляцию. В первом случае, модулирующий сигнал изменяет амплитуду, час­тоту или фазу несущего колебания, во втором - к указанным добавляются вариации ширины импульсов, а также импульсно-кодовая модуляция. Использование МК позволяет не только увеличить дальность и то­чность локации, но и помехозащищенность канала связи.

В живой природе при локации используется как непрерывная, так и импульсная МК. Первый тип характерен для летучих мышей, второй - для наземных млекопитающих. Для обоих случаев характерна частотная модуляция, причем закон изменения частоты довольно сложен и определяется конкретной задачей. Так, гладконосая летучая мышь в обычных условиях излучает ультразвуковые сигналы частотой 75 кГц, которая в конце посылки за 2 ... 5 мс линейно убывает до 45 кГц. У большого подковоноса тон постоянной частоты 80 ... 82 кГц длится в течение 40 ... 100 мс, но в конце сигнала его частота за 1 ... 3 мс падает до 60 кГц (рис. 5.6а). Локационные сигналы дельфинов име­ют очень ма­лую длительность 0,04 ... 0,1 мс и широкий спектр 30 ... 150 кГц Наземные млекопитающие (напри­мер, землеройки) излучают сигналы импульсного типа длительностью 0,1 ... 3,5 мс с наивысшей частотой 20 кГц. Слуховая (приемная) система животных, использующих локацию, об­ла­дает выраженными резонансными свойствами (рис.5.6б).

При любом способе непрерывной МК скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно мала, чтобы за один период несущего сигнала Tн, модулирующий сигнал почти не изменился (рис. 5.7). Обычно принимают Tм > 5Tн. Частота несущего сигнала при импульсной модуляции должна быть, в соответствии с теоремой Шеннона, по крайней мере, вдвое выше наиболь­шей частоты модулирующего сигнала.


Случайные файлы

Файл
35814.rtf
22092-1.rtf
57906.rtf
118371.rtf
5162.rtf