Định vị bằng tiếng vang

8

Định vị bằng tiếng vang

M. S. Livits

Sự không đồng nhất gặp phải dọc theo đường đi của sóng làm phân tán chúng theo mọi hướng, kể cả hướng ngược lại. Nói cách khác, bản thân sự không đồng nhất trong môi trường trở thành nguồn sóng (thứ cấp) và từ chúng, như người ta nói, phát ra tiếng vang.

Hiện tượng tiếng vang được sử dụng để định vị, tức là xác định vị trí của các vật thể khác nhau bằng sóng vô tuyến (định vị bằng sóng vô tuyến) hoặc sóng âm thanh (định vị bằng âm thanh).

Sóng. Hợp tác. bức xạ

Khi nói đến sóng, chúng ta vô tình tưởng tượng ra sóng trên mặt nước. Đây là dạng sóng thực sự trực quan duy nhất. Sóng âm – sóng có độ nghiêng và độ lệch trong một môi trường đàn hồi – không còn dễ hình dung nữa; và thậm chí cần nhiều thính giác hơn để biểu diễn sóng vô tuyến và sóng ánh sáng.

Hóa ra là khó có thể đưa ra một định nghĩa chính xác về khái niệm sóng. Xin vui lòng, cái chung nhất sẽ là:

Sóng là một quá trình trong đó sự phân bố không gian của một số đại lượng vật lý thay đổi định kỳ theo thời gian.

Trong trường hợp đơn giản nhất mà chúng ta quan sát được trên mặt nước, các sóng là sự giao nhau định kỳ của các bướu và vadine. Đối với các sóng có bản chất vật lý khác, “bướu” phải được hiểu là vị trí trong sóng có đại lượng vật lý nhất định (ví dụ: mật độ môi trường trong trường hợp sóng âm, tính định hướng của dòng điện).

từ trường hoặc từ trường trong trường hợp sóng điện từ) đạt giá trị cực đại và “thung lũng” là nơi giá trị này đạt giá trị tối thiểu.

Khoảng cách giữa hai bướu liền kề (hoặc thung lũng hoặc các điểm khác ở trạng thái giống hệt nhau) được gọi là bước sóng và được ký hiệu là λ (Hình 1). Bước sóng là một đặc tính rất quan trọng.

Cơm. 1.

Nếu chúng ta tập trung sự chú ý vào một điểm nào đó trong không gian nơi sóng tồn tại, chúng ta sẽ phát hiện ra sự thay đổi tuần hoàn của đại lượng vật lý tương ứng chỉ theo thời gian, gọi là dao động. Có một mối liên hệ giữa dao động và sóng. Hóa ra là một sóng, là một tập hợp các dao động tại tất cả các điểm của nó, sẽ không tự xuất hiện. Có một số điểm đặc biệt mà tại đó dao động là nguồn gốc của sóng. Về vấn đề này, đáng để đưa ra một định nghĩa khác về sóng.

Sóng là một quá trình phân bố dao động trong môi trường.

Thật vậy, để sóng tồn tại trên mặt nước, bạn cần ném một hòn đá vào đó hoặc nhúng một loại máy rung nào đó (ví dụ như một thanh dao động) vào đó. Sóng âm tồn tại nếu chúng ta nói hoặc nếu một dây đàn violin vang lên. Sóng vô tuyến tồn tại nếu có một máy phát vô tuyến có ăng-ten. Và vân vân.

Quá trình ngược lại cũng diễn ra: nếu trên đường đi của sóng, phân bố trong một môi trường nhất định, có một dao động, các tính chất của chúng khác nhau -

9

tùy thuộc vào tính chất của môi trường *), dao động phát sinh trong đó. Trong trường hợp này, sóng có thể bị hấp thụ một phần (nghĩa là năng lượng sóng chuyển thành nhiệt). Nhưng kết quả chính thường là vật thể trở thành nguồn sóng gọi là sóng thứ cấp.

Về mặt toán học, mối quan hệ giữa dao động và sóng được biểu thị bằng sự phụ thuộc của bước sóng $\lambda$ vào tần số dao động $v$ (hoặc vào chu kỳ $T$) và vào tốc độ truyền sóng $v$:

$$\lambda = \frac{v}{v} = vT.$$

Bước sóng là khoảng cách mà khả năng bước sóng $\lambda$ dịch chuyển từ tần số dao động $v$ (hoặc từ chu kỳ $T$) và từ tốc độ truyền sóng $v$:

Theo nhiều cách, bộ phát sơ cấp và thứ cấp tương tự nhau. Trước hết, sự giống nhau được thể hiện ở bản chất giống nhau về sự phụ thuộc của hiệu suất của bộ phát $I$ vào các kích thước tuyến tính của nó $d$. Hiệu suất của bộ phát được xác định bằng tỷ lệ giữa năng lượng phát ra và năng lượng cung cấp cho bộ phát.

Dạng chung của sự phụ thuộc (xem Hình 2) là giống nhau đối với các sóng có độ dài khác nhau và bất kỳ bản chất vật lý nào. Hãy chú ý đến từng đặc điểm nghịch lý của đồ thị: khi kích thước của bộ phát lớn hơn $\frac{\lambda}{2}$ thì nó phát ra kém hơn ở $d \approx \frac{\lambda}{2}$.

*) Điều này đề cập đến các tính chất liên quan đến bản chất vật lý của sóng tương ứng (ví dụ: độ dẫn điện của sóng vô tuyến hoặc mật độ của sóng âm).

Làm cách nào để thực thi các phần phụ thuộc được hiển thị trong Hình 2?

Không khó để hiểu diễn biến chung của đường cong đồ thị, tức là khi kích thước của vật tăng thì cường độ bức xạ sóng cũng tăng. Điều này xảy ra do sự bổ sung các khả năng được tạo ra trong môi trường bởi các phần khác nhau của bộ phát sơ cấp (và tác động ngược lại đối với bức xạ thứ cấp). Do đó, điều chính là khái niệm về tính năng đặc trưng nhất của biểu đồ: hiệu suất phát tối đa rõ rệt ở $d \approx \frac{\lambda}{2}$.

Nói một cách tổng quát nhất, điều này có thể được đưa ra nghĩa vụ sau. Khi đặt bộ phát $d \approx \frac{\lambda}{2}$ xảy ra hiện tượng cộng hưởng do sự phối hợp của tần số tác động bên ngoài và dao động tự nhiên của bộ phát. Trong quá trình cộng hưởng, hệ luôn hấp thụ và phát ra năng lượng tối đa từ nguồn.

mô hình định hướng

Hiệu suất của nó không chỉ phụ thuộc vào kích thước và cấu hình của bộ phát mà còn phụ thuộc vào sự phân bố năng lượng của sóng mà nó phát ra theo các hướng khác nhau - cái gọi là mô hình bức xạ của bộ phát.

Sơ đồ tương tự áp dụng cho các dao động phát sinh trong ăng-ten khi sóng chạm vào nó (đây được gọi là định lý tương hỗ trong lý thuyết bức xạ).

Mẫu bức xạ là một đường cong phân bố cường độ bức xạ theo các hướng khác nhau. Trong hình 3

10

Ví dụ: sơ đồ hướng của bộ phát bán tự do điện từ (bộ rung) được hiển thị: a) trong mặt phẳng kinh tuyến (nghĩa là trong mặt phẳng chứa bộ phát) và b) trong mặt phẳng xích đạo (nghĩa là trong mặt phẳng vuông góc với bộ rung, và do đó với hướng dao động điện trong đó).

Từ hình vẽ cho thấy rõ rằng bộ dao động bán tự do điện từ không bức xạ dọc theo hướng dao động trong nó mà ngược lại, bức xạ cực đại theo hướng vuông góc. Trong mặt phẳng xích đạo, bức xạ dao động đều theo mọi hướng.

Xung sóng.
Độ phân giải định vị

Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang câu hỏi chính: làm thế nào bạn có thể nhận thấy sự hiện diện của sóng thứ cấp (tiếng vang)? Rốt cuộc, nếu chúng ta không thể xác định được tiếng vang này hay tiếng vang kia, thì chúng ta sẽ không thể phát hiện ra nguồn của nó, được gọi là mục tiêu trong định vị bằng tiếng vang.

Thật khó để nghĩ ra một đáp số đơn giản hơn thế này: điều cần thiết là trong quá trình xuất hiện tiếng vang này, không có sóng nào khác đi vào máy thu.

Đây là cách phát sinh tính năng chính của phần lớn các máy định vị: hoạt động ở chế độ xung. Điều này có nghĩa là bộ phát định kỳ sơ cấp phát ra một nhóm sóng (xung có thời lượng τ, độ dài cτ (Hình 4)), và sau đó không hoạt động trong một thời gian dài (so với thời lượng của xung). Chính trong khoảng thời gian “im lặng” này, họ đến

Cơm. 4.

phản ánh xung từ các mục tiêu khác nhau.

Xung phát ra từ ăng-ten radar (xung thăm dò) càng ngắn thì số lượng mục tiêu có thể được phát hiện riêng biệt trong cùng một thể tích không gian càng lớn. Thật vậy, nếu phạm vi của hai mục tiêu khác nhau đến mức các chuỗi sóng thứ cấp (phản xạ) (tức là các nhóm) sóng từ chúng không trùng nhau, thì radar sẽ quan sát các mục tiêu riêng biệt (Hình 5).

Do đó, thời lượng xung xác định cái gọi là độ phân giải phạm vi δD ~ τ.

Ngoài ra, việc quan sát lâu dài một số mục tiêu có hướng khác nhau đảm bảo việc sử dụng các bộ phát có mô hình định hướng hẹp (Hình 6).

Ở đây chúng ta đang nói về độ phân giải góc. Thật vậy, nếu các hướng trên mục tiêu khác nhau một góc lớn hơn chiều rộng của sơ đồ hướng (góc α), thì chúng, ngay cả ở cùng một phạm vi, sẽ không được nhìn thấy dưới dạng một mục tiêu. Các xung phản xạ từ chúng sẽ không đến đồng thời mà chỉ

Cơm. 6. Mục tiêu 1 hiển thị nhưng mục tiêu 2 không hiển thị.

11

sau khi xoay ăng-ten cho phù hợp.

Chọn phạm vi sóng cho một vị trí

Bây giờ chúng ta đã chuẩn bị đầy đủ để hiểu tại sao sóng vô tuyến siêu ngắn (VHF) được sử dụng trong radar, tức là các sóng có bước sóng nằm trong phạm vi mét, decimet và centimet.

Hãy xem xét một vài lý do.

1. Đối với VHF, thật dễ dàng để đảm bảo kích thước chấp nhận được của ăng-ten radar có kiểu bức xạ hẹp (để đảm bảo độ phân giải góc tốt) và bức xạ đủ cường độ, vì thành phần chính của ăng-ten đó là bộ rung.

2. Kích thước của các mục tiêu thông thường (máy bay, tàu thủy) sẽ khá lớn so với bước sóng cho phép, tạo điều kiện cho cường độ tín hiệu phản xạ tăng lên (theo sơ đồ đường cong $d \gg \lambda/2$ trong Hình 2).

3. Về mặt kỹ thuật, rất khó để tạo ra xung ngắn hơn ít nhất một phần mười bước sóng, do đó $\lambda$ càng nhỏ thì càng dễ đảm bảo hình thành xung như vậy và do đó đạt được độ phân giải phạm vi tốt.

Nguyên lý thay đổi phạm vi và tọa độ góc

Việc xác định đầy đủ vị trí của mục tiêu trong không gian đòi hỏi phải có kiến ​​thức

Cơm. 7.

ba tọa độ trong một số hệ tọa độ. Đối với máy định vị, hệ tọa độ “tự nhiên” như vậy, tức là hệ tọa độ tương ứng nhất với các đặc điểm của hiện tượng vật lý được sử dụng trong chúng, sẽ có dạng hình cầu (Hình 7). Trong đó, vị trí của điểm được xác định bởi tọa độ sau: vectơ bán kính $D$ (trong radar gọi là phạm vi trên cao); góc phương vị $\varphi$ (góc trong mặt phẳng ngang); góc nâng $\varepsilon$ (góc trong mặt phẳng thẳng đứng).

Vì vậy, đối với một vị trí cần phải thay đổi dữ liệu và tọa độ góc.

Khi anten định vị phát ra xung thăm dò cần xác định thời gian $t'$ để nhóm sóng này tới được mục tiêu. Ngay khi sóng tới mục tiêu, mục tiêu sẽ trở thành bộ phát thứ cấp và một phần năng lượng của sóng phân tán (phản xạ) sẽ quay trở lại, tức là tới ăng-ten định vị. Khi tốc độ truyền sóng lớn hơn nhiều so với tốc độ chuyển động của mục tiêu thì độ dịch chuyển của mục tiêu trong thời gian này có thể bỏ qua. Xung phản xạ (thứ cấp) phải truyền từ mục tiêu đến thiết bị định vị trong cùng thời gian $t'$, được ăng-ten thu của nó hấp thụ và đến đầu vào máy thu. Trong trường hợp này, năng lượng sóng được chuyển đổi thành năng lượng dòng điện và được khuếch đại bởi máy thu để truyền tiếp theo các thiết bị đo định vị. Lưu ý rằng quá trình có lợi ở đây là sự hấp thụ năng lượng sóng của ăng-ten.

Tổng thời gian $t = t' + t'$ là thời gian trễ của xung phản xạ so với xung thăm dò và có thể thay đổi trong bộ định vị. Vì vậy, việc thay đổi phạm vi của thuộc tính để thay đổi thời gian. Điều này có thể thấy từ công thức

$$D = \frac{ct}{2}.$$

Công thức đã cho càng chính xác thì độ dịch chuyển mục tiêu càng nhỏ trong thời gian trễ.

12

Cơm. 8. Trepetitions - thời gian sau đó máy phát định kỳ gửi các xung thăm dò; $U_{\text{пер}}$ — điện áp đầu ra (xung) của máy phát; $U_{\text{пр}}$ — điện áp ở đầu vào máy thu (xung phản xạ); Mục tiêu 2 xa hơn mục tiêu 1.

Nguyên tắc đo phạm vi thời gian được giải thích bằng sơ đồ trong Hình 8.

Khoảng thời gian nào và với độ chính xác nào radar đo được?

Thông thường, khoảng cách hàng chục km nên được đo với sai số không quá hàng chục mét. Điều này có nghĩa là, như có thể được tính bằng công thức (1) (tốc độ ánh sáng $c = 300\ 000\ \text{km/c}$), người ta phải có khả năng đo các khoảng thời gian cỡ hàng trăm micro giây ($1\ \text{mkc} = 10^{-6}\ \text{c}$) với độ chính xác đến một phần mười micro giây. Không có chiếc đồng hồ cơ nào có khả năng thực hiện các phép đo như vậy: khối lượng (quán tính) của các bộ phận trong cơ cấu của nó quá lớn; Chỉ các thiết bị điện tử, do quán tính thấp của electron, mới có thể thực hiện được điều này bài toán. Ví dụ, một thiết bị rất tiện lợi là ống tia điện tử

Cơm. 9.

(tương tự như những gì được sử dụng trong máy hiện sóng và tivi). Ứng dụng của nó trong radar thường dựa trên một sự thật nổi tiếng rằng “thà nhìn một lần còn hơn nghe một lần”. Mọi thứ chạm tới radar đều được các chỉ báo chùm tia điện tử chuyển đổi thành hình ảnh có thể nhìn thấy được của vùng không gian tương ứng.

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định tọa độ góc, nhưng nguyên tắc chung là sử dụng hướng bức xạ và hướng thu sóng.

Một phương pháp đơn giản hơn nhiều, dựa trên nguyên tắc chung này, là cố định vị trí góc của ăng-ten quay bằng một loại máy đo nào đó tại thời điểm xung phản xạ từ mục tiêu đạt cực đại (Hình 9).

Các chỉ số

Để có ý tưởng rõ ràng hơn về cách đo tọa độ trong radar theo các nguyên tắc đo phạm vi và góc đã được xem xét, chúng ta hãy xem xét các chỉ số được sử dụng cho mục đích này.

Để làm ví dụ, chúng ta hãy xem xét hai loại chỉ báo.

Cái đầu tiên cung cấp sự thể hiện trực quan của toàn bộ khu vực trong không gian xung quanh; thời gian ngừng hoạt động hữu ích thứ hai có thể được sử dụng trong các thiết bị radar riêng lẻ (như tên gọi của radar).

1. Hầu hết tất cả các thiết bị định vị đều có chỉ báo hiển thị toàn diện. Trong đó, chùm tia điện tử di chuyển sao cho “cạnh” của nó vẽ một đường xuyên tâm trên màn hình (từ tâm ra mép màn hình). Điều này được thực hiện bằng cái gọi là quét phạm vi: vị trí của điểm được chiếu sáng ở giữa màn hình tương ứng với phạm vi 0 (vị trí của bộ định vị tại thời điểm xung thăm dò được gửi) và vị trí của điểm được chiếu sáng trên cạnh màn hình

13

tương ứng với phạm vi phát hiện tối đa. Giữa các điểm này có toàn bộ thang đo phạm vi của bộ định vị.

Hướng mà đường thẳng xuyên tâm được quét được xác định bởi góc phương vị của bức xạ sóng vô tuyến của ăng-ten vô tuyến, nghĩa là khi mô hình bức xạ của ăng-ten (“chùm tia” của ăng-ten) được quay, quá trình quét sẽ quay đồng bộ (đồng thời). Góc độ cao không được xác định trong một chỉ báo như vậy.

Khi không có vật phản xạ, chùm tia điện tử bị “tắt”. Tín hiệu phản xạ từ vật thể “hỗ trợ” chùm tia và một điểm sáng xuất hiện ở vị trí tương ứng trên màn hình (hình ảnh điển hình trên màn hình được hiển thị trong Hình 10). Để xem toàn bộ hình ảnh cùng một lúc, các chỉ báo này sử dụng màn hình phát quang sao cho ánh sáng được kích thích ở bất kỳ vị trí nào trên đó kéo dài trong suốt thời gian “chùm tia” ăng-ten quay một vòng.

2. Chỉ báo đơn giản nhất là chỉ báo trên màn hình trong đó việc quét phạm vi được thực hiện dọc theo đường kính ngang và độ lớn độ lệch dọc của điểm (biên độ xung) được xác định bởi cường độ tín hiệu từ mục tiêu (Hình 11).

Chỉ báo này sử dụng màn hình không phát sáng và hình ảnh thay đổi khi “chùm” ăng-ten quay trong không gian, do đó góc của “chùm” phải được tính trên thang đo ăng-ten tại thời điểm biên độ của xung tương ứng trên màn hình đạt cực đại.

“Người dân địa phương”, chủ đất thụ động và chủ động

Mỗi thành tựu kỹ thuật không có điểm yếu riêng, để khắc phục điểm yếu đó ta phải đi sâu hơn vào tính chất vật lý của hiện tượng sử dụng. Điều này có thể được nhìn thấy trong một số ví dụ về vị trí từ radar.

1. Ở các khu vực miền núi, màn hình chỉ báo bị “tắc nghẽn” với cái gọi là xung “cục bộ”, tức là các xung phản ánh từ thời tiết lạnh, đá và các địa hình không bằng phẳng khác. Điều này gây khó khăn, thậm chí không thể phát hiện được các tín hiệu hữu ích từ mục tiêu. Điều tương tự cũng được quan sát gần các khu vực đông dân cư.

Các phòng lớn cũng được tạo ra bởi sự phản chiếu từ các khu vực khác nhau, các đám mây và những thứ tương tự.

2. Như chúng tôi đã nói, khi đặt các khuyết tật gần

14

λ/2, bức xạ thứ cấp từ chúng tăng lên rất nhiều. Do đó, những tấm phản xạ bán tự do như vậy được sử dụng trong cuộc chiến chống radar nhằm tạo ra các “mục tiêu” sai (mục tiêu thụ động). Hóa ra vài trăm gam giấy bạc hoặc sợi thủy tinh kim loại là đủ để tạo ra xung phản xạ tương tự như từ một chiếc máy bay.

Phải chăng điều này có nghĩa là không thể làm gì được với “người dân địa phương” hoặc với những tiền đề thụ động? Tất nhiên là không.

Thực tế là các nguồn của nguồn “cục bộ” nói chung là bất động, còn các đám mây và không gian thụ động di chuyển với tốc độ gió, thường nhỏ hơn nhiều so với tốc độ của máy bay. Đây là những gì được sử dụng để thiết lập phòng. Nguyên lý hoạt động của một trong các thiết bị liên lạc tương ứng với cái gọi là phép trừ xen kẽ. Bản chất của điều này như sau: nếu các tín hiệu nhận được trong hai lần phát âm liên tiếp được áp dụng đồng thời cho chỉ báo, nhưng với các dấu hiệu trái ngược nhau, thì các tín hiệu định vị sẽ bị phá hủy và các tín hiệu từ các mục tiêu chuyển động nhanh đã thay đổi vị trí của chúng trong thời gian lặp lại sẽ được giữ nguyên.

3. Tín hiệu từ các mục tiêu đến máy thu vô tuyến có cường độ yếu hơn nhiều so với xung thăm dò. Do đó, radar được đặc trưng bởi sự kết hợp giữa công suất cao của xung thăm dò máy phát với độ nhạy cao của máy thu. Đây là cách duy nhất để đảm bảo phạm vi phát hiện mục tiêu lớn hơn.

Nhưng sức mạnh này của radium ngay lập tức trở thành điểm yếu của nó.

Thứ nhất, các xung thăm dò mạnh mẽ từ thiết bị định vị thực sự có thể được phát hiện từ lâu trước khi máy định vị được phát hiện (vì trong trường hợp này sóng vô tuyến truyền đi “một chiều”).

Thứ hai, bộ thu định vị có độ nhạy cao có thể dễ dàng bị “tắc nghẽn” bởi các tín hiệu cục bộ từ các bộ phát trong nhà được lắp đặt trên máy bay (những bộ phát này cũng có thể được kích hoạt bằng dù và những thứ tương tự).

Điều này sẽ tạo ra một cách khác để chống lại radar - sử dụng tên lửa đang hoạt động. Tuy nhiên, có nhiều cách để vượt qua chúng.

Đặc điểm của âm thanh khiêu khích

Để kích thích âm thanh, tồn tại tốc độ truyền sóng âm nhỏ hơn nhiều bậc so với tốc độ truyền của sóng điện từ (trong không khí, tốc độ âm thanh trong điều kiện bình thường là 331 m/s, tức là nhỏ hơn gần một triệu lần so với tốc độ ánh sáng). Chẳng hạn, thật vô nghĩa khi cố gắng sử dụng kích thích âm thanh để xác định tọa độ của một máy bay siêu thanh hiện đại: đơn giản là âm thanh sẽ không bắt kịp nó. Đối với định vị bằng thủy lực (âm thanh gọi trong nước), tình hình tốt hơn: tốc độ âm thanh trong nước xấp xỉ 1500 m/s, và tốc độ di chuyển của “mục tiêu” dưới nước nhỏ hơn nhiều (khoảng 10 m/s). Ngoài ra, vì lợi ích của thông điệp: sóng điện từ lan truyền rất kém trong nước (chúng bị suy giảm mạnh vì nước, đặc biệt là nước biển, là chất dẫn khá tốt). Vì vậy, bạn không thể làm gì nếu không có âm thanh trong nước.

Đối với thiên nhiên sống, không chỉ trong nước mà còn trong không khí, tốc độ âm thanh hoàn toàn đảm bảo sự thành công của khả năng định vị bằng tiếng vang. Đây là lý do tại sao “máy định vị trực tiếp” sử dụng sóng âm thanh (chính xác là siêu âm). Ví dụ: âm thanh mà con người có thể nghe được bao gồm dải tần số rung từ 20 đến 20.000 Hz. Âm thanh có tần số cao hơn 20.000 Hz được gọi là siêu âm.

Một số “máy định vị sống” tiên tiến nhất - dơi - sử dụng sóng siêu âm trong không khí để định vị, tương ứng với nguyên lý từ 50 kHz đến 100 kHz. Và những ngư dân sử dụng sóng siêu âm trong nước “làm việc” ở tần số cao hơn nữa.