Использование локации в технике

В туманные декабрьские дни 1943 года из пор­тов Англии вышел большой караван грузовых ко­раблей. Корабли везли военные грузы в один из северных морских портов нашей Родины. У бере­гов вражеская воздушная разведка обнаружила караван. Немцы выслали наперерез англичанам «карманный» линкор «Шарнхорст».

Военные корабли, охранявшие караван, с по­мощью специальной радиоаппаратуры нащупали немецкий линкор и встретили врага огнем. Во мраке полярной ночи стрельба корректировалась по наблюдениям на экранах радиолокационных станций.

«Шарнхорст» попытался уйти от обстрела. Не­сколько раз ему это удавалось. Но радиолуч, спо­собный пройти сквозь тьму и туман, вновь и вновь нащупывал немецкий линкор.

Бой в черноте полярной ночи длился около десяти часов. «Шарнхорст» пошел ко дну...

В том же 1943 году английская эскадра при помощи радио обнаружила в просторах Атлантического океана немецкий линкор «Бисмарк». Из низко нависших туч лил дождь. В этом морском сражении обе стороны применили радиолокационную аппаратуру.

Бой продолжался три дня. «Бисмарк» пошел ко дну от попадания трех торпед, после того как был предварительно поврежден огнем артиллерии. Однако немецкий линкор своим огнем пустил ко дну самый большой в то время в Англии крейсер «Худ».

По утверждению специалистов, гибель «Худа» последовала из-за кон­сервативности командования английского крейсера.

Дистанцию до «Бисмарка» на «Худе» определили по показаниям опти­ческого дальномера и показаниям радиолокационной станции. Когда между ними оказалось расхождение, то командование предпочло довериться оп­тике. Залп с «Худа» лег с недолетом: дистанцию правильно определила ра­диолокационная станция и неверно оптический дальномер. Внести поправку уже не удалось. Ответные снаряды с «Бисмарка» пробили броневой пояс крейсера и по чистой случайности попали в артиллерийский погреб. После­довал взрыв, и «Худ» быстро затонул.

Радиолокация была самой большой тайной в годы второй мировой вой­ны. Не только гражданское население воюющих стран, но и не посвященные в эту тайну военные могли только удивляться необычному искусству опе­раторов радиолокационных станций обнаруживать вражеские корабли и са­молеты в темноте и в тумане.

И только после войны в печати стали появляться сведения об их устрой­стве и принципе действия. Оказалось, что действуют они точно так же, как и летучие мыши. Разница только в том, что мыши расстояние до препят­ствия определяют по запаздыванию звукового эха, а радиолокационные станции - по эху радиоволн.

Вы стоите у скалы и, громко крикнув, слышите эхо своего голоса. Зная скорость звука и измерив по часам время от начала крика до прихода эха, легко определить расстояние до скалы. Подобно этому радиолокатор из­лучает мощный электромагнитный сигнал, а затем принимает его слабое от­ражение. Правда, скорость распространения радиоволн не 340 м/с, как у звука, а 300 000 000 м/с. Почти в миллион раз больше! Поэтому и время про­хождения сигнала до препятствия и обратно измеряется не в секундах, как в первом примере, а в микросекундах.

Антенна большинства радиолокационных станций имеет форму вогнутого прожекторного зеркала. Для уменьшения веса ее делают не из сплошных металлических листов, а решетчатой или из сетки. Такая антенна посылает радиоволны не во все стороны, как радиовещательная станция, а узким лу­чом, подобно прожекторного зеркала.

Направление радиолуча можно изменять по желанию: поворачивая ан­тенну вверх или вниз, вправо или влево.

Если электромагнитный сигнал не встретит на своем пути препятствия, то он уйдет в космическое пространство и там исчезнет. Если же встретится какой-либо предмет - корабль, самолет, скала или айсберг, радиолуч отра­зится от него и пойдет обратно. Далее отраженный сигнал улавливается специальным приемником.

Следовательно, направление на цель с помощью радиолокатора опреде­ляется довольно легко. Цель, например корабль или самолет, находится там, откуда вернулось эхо.

Указателем направления служит зеркало антенны. Оно «смотрит» точно на цель. Если цель движется, то оператор станции, поворачивая антенну или изменяя ее наклон, может неотступно следить за нею, как следят за самолетом прожектористы, когда его удается «поймать» лучом прожектора.

Радиолокатор, как и летучая мышь, посылает свои сигналы отдельными, отрывистыми импульсами. Импульсный сигнал должен быть очень мощным, чтобы вообще можно было уловить его слабое эхо.

Длительность каждого импульса составляет несколько миллионных до­лей секунды. Передатчик обязан прерывать работу, чтобы приемник в пау­зах мог улавливать эхо, вернувшееся от цели. Здесь заложен такой прин­цип: «рот» молчит, когда «уши» слушают. Кроме того, когда передатчик излучает радиоимпульс, приемник должен быть закрыт для приема сигнала. В противном случае он «оглохнет» и перестанет работать.

Ученых давно интересовал такой вопрос: как летучие мыши ухитряются расслышать сравнительно негромкое эхо в том оглушительном ультразву­ковом сигнале, который сами же излучают? Как им удается не оглохнуть?

Поиском ответа на этот вопрос занялся доктор О. Хенсон — анатом Уэльского университета. Ему удалось доказать правоту своего предположе­ния, высказанного лет сорок назад. Оказалось, что у летучих мышей есть мышцы, закрывающие уши в момент излучения разведывательных уль­тразвуковых криков. Точно такое же устройство имеется в радиолокаторе. Когда его передатчик излучает импульс огромной мощности, приемник на­дежно заперт электронным устройством.

В первых радиолокаторах «рот» и «уши» — передающая и приемная антенны — помещались вдали друг от друга. Но так как передатчик и приемник все равно не могут работать одновременно, то такое разделение оказалось бесполезным. Теперь одна и та же антенна поочередно обслу­живает то передатчик, то приемник.

Время, которое потратит радиосигнал на путешествие до цели и обратно, измеряет прибор, который называется индикатором радиолокационного изображения. Внешне он похож на обычный школьный осциллограф. По его экрану то и дело слева направо пробегает зеленый «зайчик», оставляя в виде следа светящуюся прямую линию.

В момент посылки станцией радиосигнала световой луч получает боко­вой толчок. От этого толчка светящаяся линия на экране подскакивает, образуя зигзаг. Такой же толчок получит луч в момент возвращения радио­эха. Светящаяся линия опять подскочит, образуя новый зигзаг. Расстояние между двумя зигзагами на линии, прочерченной электронным лучом, дает возможность определить расстояние до вражеского корабля или самолета. При этом никаких сложных вычислений делать не приходится. На экран за­ранее накладывается шкала с километровыми отметками.

Теперь грузовой или пассажирский пароход идет в туманной мгле или ночью так же уверенно, как и в ясный солнечный день. Радиолокатор зара­нее предупреждает капитана о приближении встречного судна или айсберга, в тумане пересекающего путь кораблю. Штурман больше не сетует на об­лака, скрывающие от него солнце и звезды, мешающие ориентироваться. Он так же уверенно чувствует себя при отсутствии видимости, как и лету­чая мышь ночью.

Для кибернетики и летучая мышь, и радиолокационная станция — это машины. А объединяет их тот обратный сигнал, который в том и в другом случае несет информацию о расстоянии до препятствия.

Эхолокатор

Всем удобен эхолокатор «Редут-0001», но вот беда — слишком мал радиус действия. Уметь определять препятствия на расстоянии до одного метра часто оказывается недостаточным.

Хорошо установить звуковой локатор на катер и отправиться с товарищами в длительное путе­шествие. Никакой туман не страшен, и можно уве­ренно плыть в темноте. Но для этого нужно, чтобы прибор определял дистанцию до препятствия на расстоянии 4—5 м так же уверенно, как и на од­ном метре.

На рисунке (см. приложения) в самом верху приведена временная диаграмма импульс­ных посылок летучей мыши. Там же дана формула, связывающая частоту посылок с расстоянием до препятствия.

В справедливости формулы можно убедиться, сравнивая эксперименталь­ные данные, полученные американским ученым Дональдом Гриффином, с расчетными. Зоолог был далек от рассмотрения летучей мыши как машины с обратной связью и потому допустил неточность. Отсутствие кибернетиче­ского подхода при рассмотрении механизма работы живого локатора не дало ему возможности усмотреть имеющуюся закономерность. А то, что такая связь существует, видно из таблицы. Для расстояний 1,5 и 4 м эксперимен­тальные и расчетные данные почти сходятся (см. приложения, таблица 1).

Человеку есть чему поучиться у летучей мыши

Пещеры служат убежищем иногда для нескольких тысяч и даже миллионов летучих мышей. Известно, что в Бракенской пещере, расположенной на юге США, обитает свыше 20 миллионов летучих мышей.

Каждый вечер это огромное количество зверь­ков покидает свое убежище, чтобы снова вернуться в него утром. При этом мыши, как правило, не сталкиваются и не мешают друг другу. Можно только удивляться совершенству их приемного аппарата, как при такой сложной звуковой какофонии каждая мышь безошибочно выделяет и принимает эхо именно принадлежащего ей сигнала.

Сейчас, когда в эфире работает столько радиостанций, порой мешающих друг другу, отличные «мышиные» принципы селекции собственных звуков привлекают внимание радиофизиков и инженеров.

Принцип действия модели звукового локатора

Создавая модель звукового локатора, мы также воспользовались решениями, используемыми летучей мышью. Блок-схема аппаратуры, данная на рисунке   (см. приложения, рисунок 10), поможет разобраться в ее работе.

Всего в аппаратуре четыре «черных ящика», плюс громкоговоритель, ми­крофон и частотомер со стрелочным прибором. Назначение усилителей не требует пояснений — они усиливают сигнал. Звуковой генератор — это при­бор, вырабатывающий сигнал определенной частоты. В разбираемой схеме частота равна 5000 Гц. Детектор выделяет из звукового импульса его огибающую. Частотомер измеряет частоту сигнала. По показаниям стрелочного прибора можно определять расстояние до препятствия, поскольку оно одно­значно связано с частотой генерации.

Работает схема так. Сразу же после включения аппаратуры начинает действовать звуковой генератор. Но мощность его выходного сигнала, к со­жалению, невелика.

Поэтому между звуковым генератором и громкоговорителем поставлен усилитель мощности. В результате громкоговоритель будет издавать доволь­но громкий звук с частотою 5000 Гц.

По прошествии некоторого времени  эхо от посланного сигнала попадет на микрофон. Далее оно усилится усилителем сигнала и поступит на детектор. Как только на выходе детектора появится сигнал огибающей, он тут же заставит замолчать звуковой генератор. Так специально устроена схема. Пока на выходе детектора имеется какое-то напряжение, звуковой генератор не работает. Значит, работал генератор ровно столько, сколько времени потребовалось, чтобы сигнал от громкоговорителя дошел до микро­фона. Столько же времени после этого громкоговоритель будет молчать.    

Рассмотренный цикл, состоящий из звукового импульса и паузы, будет повторяться через каждые Т с. В результате схема будет генерировать зву­ковые посылки с частотой :

Остается измерить частоту генерации и перевести ее в расстояние до препятствия. Эту задачу решает частотомер. Расстояние до препятствия равно:

где с — скорость звука в метрах за секунду, f — частота генерации в герцах.

Вот так работает мой звуковой локатор. Примерно так же работает и локатор летучей мыши.

Как и большинство кибернетических конструкций, описываемых в книге, модель звукового локатора разбита на самостоятельные платы. Всего плат три: плата усилителя сигнала, плата усилителя мощности и плата звукового генератора совместно с детектором. Начинать нужно с их изготовления и на­ладки. Тогда сборка всей аппаратуры не займет у вас много времени и ло­катор непременно сразу же заработает. При такой последовательности в ра­боте вы не только глубже поймете функционирование каждого «черного ящика», но и сможете внести усовершенствования в блок-схему. Схема ча­стотомера настолько проста, что монтируется она вся на небольшой панель­ке, укрепленной сзади стрелочного прибора.

Усилитель сигнала

Электрическая схема дана на рисунке 11 (см. приложения). Это трехкаскадный усилитель с коэффициентом усиления около 1000. Он одинаково хорошо усиливает переменное напряжение звуковой частоты в пре­делах от 100 Гц до 10 кГц. В радиоэлектронике в таком случае говорят, что усилитель имеет линейную частотную характеристику в пределах от 100 Гц до 10 кГц.

Схема усилителя интересна для нас еще тем, что она имеет четыре отри­цательных обратных связи. На три каскада — четыре обратных связи! Не слишком ли много?

Поскольку все обратные связи отрицательные, то от усилителя можно ожидать стабильной работы. Как бы ни менялись внешние условия, включая температуру и питающее напряжение или параметры отдельных деталей, его основные характеристики будут оставаться неизменными. Это прежде всего относится к коэффициенту усиления.

Отрицательная обратная связь всячески старается свести к нулю любое первоначальное возбуждение схемы и тем самым ста­билизирует ее работу. Другое дело положительная обратная связь. Доста­точно незначительного отклонения от состояния равновесия, как оно будет все возрастать и возрастать, пока система не придет в другое, новое для нее состояние.

Чтобы пояснить стабилизирующее действие отрицательной обратной связи и дестабилизирующее действие положительной обратной связи, на ри­сунке 12 (см. приложения) приведены два примера из механики. Левый рисунок эквивалентен устойчивой системе, охваченной отрицательной обратной связью. Если по каким-либо причинам шарик отклонится от состояния равновесия, то после нескольких покачиваний он обязательно все же снова его займет. Что ка­сается правого рисунка, то без пояснения понятно, что в этом случае поло­жение шарика крайне неустойчиво. Он обязательно скатится вправо или влево. Этот случай эквивалентен поведению схемы с положительной обрат­ной связью.

К примерам с шариками мы еще не раз вернемся. Более наглядно, пожа­луй, и не расскажешь, что такое устойчивая система и как ведет себя не­устойчивая система.

Под рисунками с шариком даны четыре электрические схемы. Три из них — различные усилители с отрицательной обратной связью. Четвертая схема представляет генератор звуковых частот. Эта схема охвачена поло­жительной обратной связью.

Рассмотрение начнем со схемы «а». Это обычный однокаскадный усили­тель с обратной связью в цепи эмиттера. Один такой каскад обеспечивает усиление сигнала в 50 — 100 раз.

Для чего понадобилось усложнять схему и включать резистор Rэ, а па­раллельно ему еще конденсатор Сэ?

Больше всего неприятностей при работе транзистора доставляет зависи­мость обратного тока коллектора Iк.о. от температуры. При повышении тем­пературы обратный ток транзистора увеличивается примерно в два раза на каждые 10°С. Если, например, при температуре 20°С ток 1К.0 составляет 5 мкА, то при повышении температуры до 50° С он возрастет примерно до 40 мкА. Само по себе такое изменение тока коллектора (всего на 35 мкА) в большинстве случаев было бы не страшно. Но имеется одно «но», которое портит все дело. При включении транзистора в схему «а» в цепи коллектора, помимо тока, равного 10-Д будет протекать так называемый сквозной ток I’к.о.:

I’к.о.= Iк.о·(b+1),

где b — коэффициент усиления транзистора, а Iб — ток базы, определяемый резистором R6.

Из формулы следует, что увеличение тока Iк.о  на величину DIк.о =35 мкА будет соответствовать, например при b = 49, увеличению тока коллектора на величину:

DI’к.о.» Iк.о·(b+1)=35(49+1)=1,75мА.

Обратный ток коллектора возрос на 35 мкА, а общий ток — на 1,75 мА. С таким током уже нельзя не считаться.

Возрастание тока коллектора нежелательно по двум причинам. Во-пер­вых, оно приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Rэ-Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора при этом резко уменьшится и может упасть почти до нуля. Во-вторых, увеличение тока кол­лектора влечет за собой изменение параметров транзистора и в первую оче­редь коэффициента усиления b.

Обе разобранные причины и заставили нас прибегнуть к усложнению схемы, чтобы повысить стабильность рабочего коллекторного тока при из­менении температуры. Вот как теперь она работает.

Увеличение сквозного тока коллектора DI’к.о (см. приложения, рисунок 12 «а») при повышении температуры приведет к увеличению падения напряжения на резисторе Кэ. Вследствие этого напряжение между точками 1 и 2 уменьшится, что при­ведет к уменьшению тока Iб в резисторе Rб , а также и в базе транзистора. Составляющая тока коллектора IK = Iбb при этом уменьшится. Зная, что пол­ный ток коллектора Iк состоит из двух составляющих

Страницы: 1, 2, 3