§ 6.2. ОБЩИЙ АНАЛИЗ СЛЕДЯЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

В настоящее время существует большое число разнообразных видов радиолокационных измерительных устройств. Высокой точности измерения обычно достигают с помощью автоматических измерителей, построенных по принципу следящей системы. Измерители такого типа и будут изучаться в настоящем параграфе.

6.2.1. Основные черты схемного построения и составляющие ошибок измерения

В общем виде следящие измерители могут быть представлены блок-схемой рис. 6.1.

Рис. 6.1. Общая функциональная схема следящего измерителя: 1 — дискриминатор; 2 — сглаживающие цепи и приводные устройства.

На ней отмечены два основных элемента — элемент выделения сигнала рассогласования между текущим и измеренным значениями параметра, обычно называемый дискриминатором, и усилительно-сглаживающие цепи совместно с приводными устройствами. Иногда в схеме предусматривается еще введение через сумматор некоторого дополнительного напряжения предназначенного для компенсации заведомо известных компонент измеряемой величины. Это

может осуществляться программными устройствами, датчиками координат самого измерителя, с помощью выходных данных грубых средств предварительного измерения и т. п. Многочисленные примеры дальномеров, угломеров и измерителей скорости, которые могут быть сведены к схеме рис. 6.1, даются в литературе, а также будут рассмотрены ниже в гл. 7—11. Здесь лишь укажем, что разбиение всей схемы на два основных элемента, ко второму из которых отнесена вся основная инерционность, в громадном большинстве случаев может быть осуществлено, по крайней мере в принципе.

Из приведенного описания схемы измерителя можно заключить, что подобного типа автоматические системы имеют самое широкое распространение в различных областях техники. Разнообразные системы управления промышленного и военного назначения, энергетические системы и т. п. включают замкнутые контуры регулирования, отдельные элементы которых связаны линиями связи. При передаче информации по линиям связи производится ее кодирование и декодирование в условиях шумов. Если к исследованию подобных систем привлекается аппарат классической теории автоматического регулирования, то устройства передачи информации обычно рассматриваются грубо упрощенно в виде безынерционных (подчас линейных) элементов с аддитивно налагающимися шумами. Для радиолокации, однако, как и для многих других современных областей, рассмотрение устройств обработки информации, переносимой высокочастотным сигналом (в данном случае — дискриминаторов), оказывается абсолютно обязательным. Здесь это не менее важно, чем анализировать цепи сглаживания и привода. В этом особенность последующего анализа.

Отслеживаемыми параметрами являются в радиолокационных измерителях угловые координаты, дальность и скорость, конкретно кодируемые во временных и частотных сдвигах и иных параметрах модуляции сигнала. Входные и выходные же сигналы дискриминатора чаще всего имеют электрическую природу, т. е. являются некоторыми напряжениями. Поэтому разумно ввести двойную систему обозначений, которая окажется удобной также в теории оптимизации систем. Пусть входное и выходное напряжения дискриминатора; входное и выходное

значения отслеживаемого параметра, а текущее рассогласование (ошибка). Под понимается вся смесь полезного сигнала и помех на входе измерителя; аналогичная смесь, полученная после обработки в дискриминаторе, подразумевается под

В общем случае на вход дискриминатора поступает несколько входных смесей что, естественно, не меняет ни дальнейших методов анализа, ни его результатов.

Важно указать, что между с одной стороны, и их параметрами другой, не существует однозначного соответствия. Так пропорционально только в среднем (по ансамблю входных сигналов) и то в узком диапазоне значений статистические же свойства флюктуации в в сильной степени зависят от интенсивности и вида входной помехи, заключенной в смесях Выходное значение, т. е. результат измерения, может быть охарактеризован функцией

Все дальнейшее содержание параграфа будет посвящено основной характеристике описанных измерителей — точности измерения. В связи с этим следует выделить различные составляющие ошибки измерения.

В первую очередь важна флюктуационная ошибка. Она возникает за счет внутренних шумов системы (шумы передатчиков, приемников, антенн), внешних помех различного происхождения, чаще всего аддитивно складывающихся с входным полезным сигналом (но не с измеряемой величиной), а также за счет флюктуации отраженного радиолокационного сигнала. Кроме того, измеряемая величина может кодироваться в сигнале в сумме с некоторой паразитной составляющей. Мы имеем в виду, например, явление случайных перемещений центра отражения протяженной радиолокационной цели по угловым координатам и дальности, искривление луча и дисперсное распространение радиоволн в атмосфере и т. п. Поскольку задачей является измерение некоторого неискаженного значения координаты, указанные факторы вносят дополнительную ошибку, которая может иметь как флюктуационную, так и постоянную составляющую.

Второй составляющей ошибки измерителя является динамическая ошибка за счет изменений самой

измеряемой величины, как случайных, так и регулярных, но не компенсируемых внутри измерителя.

Выделяют еще систематическую ошибку. Это обычно некоторая некомпенсированная постоянная составляющая ошибки, объясняемая выбранным способом обработки сигнала.

В высококачественных измерителях нужно учитывать увеличение флюктуационной и систематической ошибок за счет так называемых приборных (инструментальных) ошибок, возникающих за счет колебаний напряжений питания, механических вибраций, флюктуаций температуры, люфтов, сухого трения, ошибок дискретности в цифровых вариантах цепей сглаживания и т. п.

В дальнейшем для простоты мы будем полагать, что ошибки за счет паразитных составляющих измеряемых величин и приборные ошибки в тех случаях, когда эти виды ошибок нужно учитывать отдельно, отсутствуют.

При изучении флюктуационных и динамических ошибок оказывается, что существенную роль при их вычислении играет соотношение между быстротой изменения измеряемого параметра с одной стороны, а с другой, — прочих случайных переменных в смеси сигнала с помехами (мы назовем их для краткости флюктуациями), измерять которые в принципе нет необходимости. В самом общем случае обязательно существуют быстрые флюктуации за счет внутреннего шума приемника. Кроме того, могут существовать случайные переменные, быстрота изменения которых соизмерима с таковой у измеряемого параметра. Поскольку подход при анализе и способ вычисления ошибки измерения несколько различны для разных сочетаний указанных величин, ниже выделены три отдельных случая:

а) случай только быстрых флюктуаций;

б) случай совокупности быстрых и очень медленных флюктуаций;

в) общий случай.