Радиотехническая аппаратура высокоточного контроля геометрической формы плотин гидроэлектростанций
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
Н , поэтому согласно (1) получаем:
(2)
откуда, приращение дальности d равно:
,(3)
так как .
Обобщенно, последнее выражение представим в виде:
(4)
Таким образом, при частоте радиоизлучения 2 ГГц () и дальности 1 км, приращение частоты генератора с ФАПЧ будет:
,(5)
или на 1 мм приращения расстояния d будет приращение частоты = 2 кГц, что дает нам максимальное значение перестройки ГУН равное 200 кГц при центральной частоте ГУН 2 ГГц.
Чтобы добиться значений в пределах допустимой погрешности полосу частот выходного сигнала ГУН ограничим необходимым максимальным значением перестройки.
Для заданной в ТЗ точности определения расстояния 1 мм, ФАПЧ должен обеспечивать точность измерения фазы с погрешностью:
,(6)
что для средней частоты ГУН равной 2 ГГц составляет:
(7)
Частотомер не придется разрабатывать специально, так как параметры известных серийных частотомеров удовлетворяют требованиям инструментальной точности измерения. Частотомер Ч3-85/3R имеет точность измерения частоты Гц за период 20 лет, что составляет погрешность 5 Гц. Составляющая инструментальной погрешности измерения приращения d за счет погрешности частотомера не превысит 5 мкм, что предопределяет перспективность измерений приращения дальности радиоволновым методом. Достигается такая точность использованием встроенного рубидиевого стандарта частоты. При необходимости достижения долговременной стабильности опорного источника возможна синхронизация рубидиевого генератора по сигналам систем ГЛОНАСС/GPS с помощью внешнего или встраиваемого в частотомер приемника. Синхронизация осуществляется раз в сутки путем усреднения, что позволяет избежать увеличения кратковременной нестабильности рубидия.
Другой существенной составляющей погрешности измерения приращения расстояния является многолучевость распространения радиосигнала, которая обусловлена переотражением радиосигнала от окружающей обстановки, в частности отражение от поверхности воды на нижнем бьефе плотины, от меняющейся береговой обстановки и прочих посторонних отражающих объектов. Для снижения этой составляющей погрешности необходимо сужать диаграмму направленности антенны, что приводит к соответствующему увеличению габаритов антенн.
Для рабочих частот 13 ГГц реально реализовать антенны с коэффициентом усиления 2023 дБ, что соответствует ширине диаграммы направленности порядка 30. Посчитаем приблизительно усиление антенны
(8)
Переотражающие объекты, находящиеся за пределами диаграммы направленности приемопередающей и переизлучающей антенны, будут создавать мешающие сигналы, напряжение в которых в 100 и более раз меньше напряжения основного канала, что приведет к изменению фазы регистрируемого сигнала в пределах 1. Согласно соотношению (1) при диапазоне измерения мм на частоте 2 ГГц приращение дальности при приращении фазы сигнала на 1 будет:
(9)
Погрешность измерения приращения дальности обусловленная многолучевостью радиоканала определяется шириной диаграммы направленности антенн и может быть уменьшена увеличением частоты или увеличением размеров антенны.
Многолучевость подавляется за счет уменьшения ширины диаграммы направленности антенны. Отраженные сигналы, пришедшие от других объектов, подавляются антеннами в 100 раз, так как коэффициент усиления антенны больше 20 дБ.
Следует учитывать, также составляющую погрешности измерения приращения расстояния от изменения скорости распространения радиоволны при изменении параметров атмосферы: температуры, давления, влажности и прочих параметров. Эта составляющая однозначно входит в погрешность измерения дальности, а значит и в погрешность измерения приращения дальности. Учет этой погрешности может быть осуществлен введением одной или двух, дополнительных отражающих антенн, установленных на берегу с известным расстоянием между ними и приемопередающей антенной. Это делает известной частоту ГУН для данных антенн, и если частота не будет таковой, то получаемая программно разница между ними внесется процессором как поправка во все измерения.
2. Основные узлы точного дальномера
2.1 Обоснование энергетики канала
Оценим требуемую мощность в излучающей антенне для максимального расстояния прохождения сигнала.
Сигнал, излучаемый приемопередающей антенной, отражается от пассивной отражающей антенны и приходит снова на приемопередающую антенну.
Плотность потока мощности у отражающей антенны будет:
,(10)
где Gи - коэффициент усиления приемопередающей антенны;
D - расстояние от приемопередающей антенны до отражающей;
Pи - мощность сигнала.
Мощность на отражающей антенне будет:
,(11)
где Gо - коэффициент усиления отражающей антенны;
- длина волны.
Плотность потока мощности, создаваемая отражающей антенной на приемопередающей, будет равна:
,(12)
а мощность сигнала в приемопередающей антенне:
,(13)
где Gп= Gи - коэффициент усиления приемопередающей антенны.
Для численной оценки мощности сигнала на приемной антенне принимаем ?=0,15 м; Pи=0,1 Вт; Gо= Gи=23 дБ; D= 1000 м.
(14)
2.2 Функциональная схема системы фазовой автоподстройки частоты
Функционал