1. МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
Харьковский авиационный институт имени Н.Е.Жуковского
на правах рукописи
КАСЬЯНОВ Сергей Владимирович
УДК 629.78
ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И УСТРОЙСТВ ЗОНДИРОВАНИЯ И
КОНТРОЛЯ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИГНАЛОВ
специальность 05.12.21
"Радиотехнические системы специального назначения,
включая технику СВЧ и технологию их производства"
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой
степени кандидата технических наук
Научные руководители:
д.т.н., проф. В.И. Пономарев, к.т.н., доц. А.И. Горб
Харьков-1996

2. ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..................................……………...…………………………....................5
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СТАТИСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОСИГНАЛОВ И СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПО ДАННЫМ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ…...…………………………………….9
1.1 Введение.................................................................…………………………………...9
1.2 Экспериментальное исследование пространственно-временных статистических
характеристик сигнала СВЧ и среды распространения тракта радиорелейных линий (РРЛ) связи
1.2.1 Краткое аналитическое описание атмосферных флуктуаций фазы и огибающей сигнала
приземной РРЛ..……………….…………………………………………...12
1.2.1.1 Статистические свойства флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитной волны при
распространении в среде с флуктуациями показателя преломления.....………….………12
1.2.1.2 Статистические характеристики флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитных волн
двух различных частот при распространении в среде с флуктуациями показателя
преломления………………………………………………………………16
1.2.1.3 Анализ влияния флуктуаций показателя преломления на амплитуду и фазу волны при
распространении в радиорелейном канале с ЧМ.......................………………………...18
1.2.1.4 Результаты анализа влияния случайно-неоднородной тропосферы на работу систем связи
СВЧ............................................................………………………...……………21
1.2.2 Экспериментальные исследования на РРЛ.................................……………………22
1.2.2.1 Принцип действия и аппаратурный состав экспериментальной установки для регистрации
амплитуды и фазы на основе измерителя группового запаздывания...…...……22
1.2.2.2 Принцип действия и аппаратурный состав экспериментальной установки для регистрации
фазовых флуктуаций двухчастотного сигнала…………………………...26
1.2.2.3 Основные технические и геометрические характеристики используемых в
экспериментальных исследованиях каналов РРЛ..….………………………………31
1.2.2.4 Результаты экспериментальных исследований распространения радиоволн (РРВ)
диапазона 4- 6 ГГц при использовании аппаратуры измерения ГВЗ..........………………..34
1.2.2.5 Результаты экспериментальных исследований РРВ диапазона 4-11 ГГЦ на
экспериментальной установке с непосредственной регистрацией амплитудных и фазовых
флуктуаций..........................................................…………………...…………………..44
1.2.2.6 Результаты экспериментальных исследований РРВ при разнесении частот сигналов на 50
кГц..........................................................………………………………………….52
1.3 Влияние антенных устройств на статистические характеристики амплитудно-фазовых
флуктуаций при РРВ в тропосфере..........................…………………………………..58
1.3.1 Общие закономерности воздействия неоднородностей атмосферы на параметры антенн и
флуктуации сигналов................................................…………………………………………….58
1.3.2 Получение зависимости временной корреляционной функции рассеянного поля от
изменяющихся параметров случайной среды распространения.....................……………...61
1.3.3 Расчет влияния конечных размеров антенн на статистические характеристики
амплитудных и фазовых флуктуаций сигналов РРЛ………………………………...72
1.3.4 Искажения диаграмм направленности антенн РРЛ при наличии перекрывающих трассу
препятствий.………………………………………………………………75
1.4 Разработка методов компенсации фазовых флуктуаций сигнала РРЛ….……………78
1.4.1 Перспективы компенсации флуктуаций фазы прошедшего случайно- неоднородную среду
сигнала в реальном масштабе времени…………..…………………………78
1.4.2 Компенсация тропосферных фазовых флуктуаций сигнала РРЛ с использованием методики
вторичной обработки................................................…………………………..82
1.4.3 Оценка влияния частотной нестабильности задающих генераторов на фазовые флуктуации
распространяющегося в одном направлении сигнала РРЛ при некогерентном
приеме………………………………………………………….......................84
1.5 Выводы.………………………………………………………………..89
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА СИСТЕМЫ ВНЕШНИХ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
(СВТИ) И ВЛИЯНИЕ НА НЕГО СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ ТРАКТА
РРЛ ........93
2.1 Имитационные модели многокомпонентной динамической системы и измерительных
приборов......................................................................…………………………………...93
2.2 Геометрические параметры используемых в программном комплексе систем координат и
углов для определения положения летательного аппарата (ЛА) в пространстве........................103
2.3 Аналитическое описание движения ЛА под воздействием действующих на них в полете сил и
моментов, используемое в программном комплексе.................………………….105
2.4 Используемые в программном комплексе модели измерительной информации...……..112

3. 2.5 Укрупненный алгоритм функционирования программного комплекса моделирования
многокомпонентной динамической системы и измерительной информации приборов телеметрии
"Имитатор"..………………………….......................................................….114
2.6 Результаты компьютерного моделирования многокомпонентной динамической системы и
данных измерительных приборов....................................……………………………...117
2.7 Анализ возможности использования каналов РРЛ для передачи измерительной информации
СВТИ……………………………………………..…………...120
2.8 Выводы…………………………………..................................................................126
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СЛУЧАЙНО-
НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД АКУСТИЧЕСКИМ СИГНАЛОМ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ....................…………………………...130
3.1 Исследование задачи восстановления вариаций скорости звука с помощью дистанционного
зондирования................................................……………………..………………...130
3.1.1 Постановка задачи дистанционного зондирования параметров среды с вариациями
скорости звука акустическим излучением..........................…………………………..130
3.1.2 Получение корреляционной функции и дисперсии погрешности восстановления слабых
неоднородностей в среде с двумерными вариациями скорости звука…………………132
3.1.3 Статистические характеристики оценок профиля слабых неоднородностей в среде при
одномерных вариациях скорости звука..............................……………………………137
3.2 Применение методов дистанционного зондирования при контроле геометрических
параметров материалов и изделий…..…………………………………………140
3.2.1 Дистанционное измерение толщины металлических изделий..…………………..140
3.2.2 Контроль формы и размеров цилиндрических изделий……...………………….145
3.3 Выводы……………………………………….………………………152
4.З ЗОНДИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕД ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ……154
4.1 Введение...............................................................………………………………….154
4.2 Устройства для измерения коэрцитивной силы ферромагнитных изделий......………...155
4.3 Исследование влияния немагнитного зазора в магнитной цепи приборов на точность
производимых ими измерений…………………………………………...……161
4.3.1 Постановка задачи и состояние вопроса определения немагнитного зазора и его влияния на
процессы в неразветвленной магнитной цепи…………………...……………...161
4.3.2 Определение влияния воздушного зазора в магнитной цепи приборов на точность
определения характеристик магнитных материалов и образцов при пренебрежении потоками
рассеяния и нелинейностью кривой намагничивания.....……………………………171
4.3.3 Исследование влияния немагнитного зазора на точность работы приборов с замкнутой
магнитной цепью при аппроксимации кривой намагничивания степенным полиномом степени
n........................................................………………………………………………179
4.4 Выводы.................................................................…...……………………………...184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....…………………………...…………………………….185
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................……..………..196

4. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Дистанционное зондирование (ДЗ) окружающей среды на основе
анализа распространения и рассеяния волн представляет большой интерес, поскольку является
одним из способов исследования свойств среды и ее влияния на линии связи, а также служит
целям обнаружения и отождествления объектов, расположенных в различных средах [1].
Например, ДЗ тропосферы используется для предсказывания погоды, исследования загрязнений
и т.п. Полезность и важность ДЗ обусловлены необходимостью получения данных о среде в
обширной области пространства в течение ограниченного времени. Решение этой задачи
другими методами оказывается либо недопустимо дорогим, либо фактически невозможным.
Определение различных параметров как поверхности, так и среды распространения, таких, как
геометрические размеры, электродинамические характеристики и др., является ключевой
задачей для обширного круга физико-технических приложений: исследования ресурсов Земли,
картографирования поверхности, выяснения условий распространения волн, радио- и
акустодиагностики [2].
Перечисленные задачи эффективно решаются методами ДЗ, когда информация о
соответствующем параметре или совокупности параметров содержится в отраженном от среды
сигнале. Широкое применение в различных областях науки и техники методов ДЗ с помощью
радиотехнических и иных систем позволило решить ряд задач определения структуры объектов
различной физической природы [3- 11]. В частности, системы ДЗ позволяют получить ценную
информацию о состоянии атмосфер планет, решать задачи дистанционного исследования океана
и земной поверхности, определять текущие изменения параметров в сейсмологии, геофизике,
метеорологии, экологии Земли.
Вышеуказанным обусловлена актуальность изучения эффективных методов ДЗ
случайно- неоднородных сред и влияния последних на зондирующее поле, а также разработки на
основе этого методов и средств контроля геометрических и физико- химических параметров
изделий и материалов.
Целью работы является теоретическая и экспериментальная разработка и исследование
возможностей как повышения качества определения характеристик зондируемых сред, так и
уменьшения влияния последних на распространяющийся информационный сигнал.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований амплитудно-фазовых
флуктуаций тракта радиорелейной системы передачи (РРСП).
2. Результаты теоретических исследований погрешностей высокоточных методов и
средств зондирования акустических и магнитоактивных сред.
3. Разработка методов и средств дистанционного контроля геометрических параметров
изделий.
4. Разработка методов и средств зондирования физико-химических параметров
ферромагнитных изделий и материалов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Проведен экспериментально- метрологический анализ РРСП на основе серийного
аппаратурного комплекса КУРС-8 в разных условиях его эксплуатации в турбулентной
тропосфере.
2. На основании проведенных экспериментальных исследований и компьютерного
моделирования сигнала системы внешних траекторных измерений (СВТИ) предложен метод
передачи стандартов частоты и информации СВТИ с помощью серийного оборудования РРСП
типа КУРС-8.
3. Впервые разработаны методика и устройство для управления поляризацией
электромагнитной волны, позволяющие выполнять произвольное независимое электрическое
управление параметрами поляризации сигнала в области полного поляризационного
сканирования.
4. Разработаны новые методы и устройства для дистанционного определения толщины и
профиля сечения изделий и материалов.
5. Разработано и внедрено в производство устройство для измерения коэрцитивной
силы, опытная эксплуатация которого показала его высокие точностные и другие
эксплуатационные характеристики.
6. Доказано, что проявляющаяся в процессе экспериментальных исследований
зависимость показаний устройства от величины немагнитного зазора в основном обусловлена
значительными магнитными потоками рассеяния.
Практическая значимость диссертации и ее реализация.
1. Проведенный анализ метрологических характеристик РРСП на основе серийного
аппаратурного комплекса КУРС-8 в разных условиях его эксплуатации позволяет определить

5. ожидаемую атмосферную фазовую ошибку в канале РРЛ и, сопоставив ее с допустимой
погрешностью, однозначно уяснить необходимость мер по ее уменьшению.
2. Анализ статистических характеристик атмосферных флуктуаций параметров одно- и
двухчастотного сигналов в совокупности с отработанной методикой их измерения и
рассмотренными методами компенсации составляют необходимую основу для разработки
практических методов уменьшения этой ошибки в стандартных РРЛ каналах.
3. На основании проведенных экспериментальных исследований и компьютерного
моделирования сигнала СВТИ предложен метод передачи стандартов частоты и информации
СВТИ с помощью серийного оборудования РРСП типа КУРС-8, не требующий отдельных
свободных стволов РРЛ, который позволяет уплотнять действующие стволы существующих РРЛ
сигналом СВТИ со скоростью передачи цифровой информации 2048 кбит/c с помощью
применения достаточно простого и дешевого оконечного оборудования при максимальном
использовании аппаратуры обычной РРСП КУРС. Вероятность ошибки при этом может
достигать 10-7
.
4. Разработаны методика и устройство для управления поляризацией электромагнитной
волны, позволяющие выполнять произвольное независимое электрическое управление
параметрами поляризации сигнала в области полного поляризационного сканирования,
повысить объем и скорость передачи информации, помехоустойчивость (путем развязки сигнала
и помехи по поляризации) и эффективность систем связи (путем согласования параметров
поляризации излучаемого сигнала и приемной антенны).
5.Разработаны методы и устройства для дистанционного определения толщины и
профиля сечения изделий и материалов.
6.Разработано и внедрено в производство на ряде металлургических и
металлообрабатывающих предприятий бывшего СССР серийно изготавливаемое устройство для
измерения коэрцитивной силы, опытная эксплуатация которого показала высокие
метрологические и другие эксплуатационные характеристики.
Достоверность полученных результатов подтверждается итогами теоретических и
экспериментальных исследований источников амплитудно-фазовых флуктуаций тракта РРСП на
основе метрологического анализа работы серийного аппаратурного комплекса КУРС-8 в разных
условиях его эксплуатации в турбулентной среде типа тропосферы Земли и результатами
опытной эксплуатации устройства для измерения коэрцитивной силы ферромагнитных
материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на
научных семинарах ХИИТа, ХАИ, а также на всесоюзных научно-технических конференциях
"Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов",
Львов, 1988, "Повышение эффективности средств обработки информации на базе
математического и машинного моделирования", Тамбов, 1989, 49-й и 50-й конференциях
специалистов железнодорожного транспорта, проводившихся в Харькове в 1987-88 гг.,
международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации",
Туапсе, 1995.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, защищено авторское свидетельство на
изобретение СССР, патент Украины и три патента Российской Федерации [12- 26].
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и
заключения. Работа содержит 198 с. машинописного текста, в том числе 39 рисунков, 4 таблицы.
Прилагается список литературы из 83 наименований.

6. 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СТАТИСТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК РАДИОСИГНАЛОВ И СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПО ДАННЫМ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
1.1 Введение
В настоящей главе приведены результаты исследований распространения
электромагнитных волн сантиметрового диапазона в радиорелейном канале связи прямой
видимости. Целевое назначение работы связано с возможностью использования радиорелейных
линий (РРЛ) при разработке систем внешних траекторных измерений, обладающих высокими
метрологическими характеристиками. Как показывает анализ, достижение высоких точностных
характеристик СВТИ связано с расширением их геометрической структуры. Вместе с тем
необходимо сохранять высокую когерентность стандартов частоты на выносных, или отдельных,
самостоятельных измерительных пунктах, если они осуществляют не только прием, а,
возможно, и какую-то часть первичной обработки сигналов.
Существующий и применяемый на практике метод размножения эталонного стандарта
частоты основан на передаче низкочастотных сигналов по кабельным линиям с их умножением
далее аппаратурой выносного измерительного пункта. При этом увеличение дистанции разноса
свыше 10 км приводит к появлению труднопреодолимых проблем. Один из наиболее
приемлемых путей может состоять в использовании между выносными пунктами СВТИ
радиоканалов связи. При таком подходе достаточно просто решается и проблема передачи
измерительной информации в пункт сбора и обработки.
Эксплуатация радиоканалов систем связи сантиметрового диапазона показала, что в
ряде ситуаций основным мешающим фактором, приводящим к искажениям информации,
передаваемой по каналу, могут быть флуктуации показателя преломления среды
распространения, которые, в свою очередь, связаны с метеорологическим состоянием приземной
атмосферы.
Задача создания фазостабильных трактов передачи на основе серийной аппаратуры
РРЛ, в частности, на аппаратуре КУРС-8, исследуемая в данной главе, в настоящее время не
имеет точных технических аналогов ее решения или прямых указаний на способы их
осуществления, хотя бы теоретического плана. Отдельные теоретико-экспериментальные и
технические решения частного характера могут быть позаимствованы для этого из области
радиофизических исследований атмосферы Земли, а также из практики работы современных
связных РРЛ, особенно в части методов обеспечения все более жестких допусков на
неравномерность величины группового времени запаздывания (ГВЗ) для телевизионного ствола
[27-38]. В целом же данные патентного поиска и анализ литературы не отмечают фактов
проведения на РРЛ фазовых измерений подобного характера. Имеющиеся к настоящему
моменту теоретические и экспериментальные сведения в основном посвящены амплитудным
флуктуациям радиосигналов. В меньшей степени освещаются вопросы исследования фазовых
флуктуаций. Практически отсутствуют сведения о взаимной корреляции атмосферных
флуктуаций как различных параметров одного сигнала, так и параметров разнесенных по
частоте сигналов, а также данные об амплитудно-фазовых атмосферных искажениях сигналов,
распространяющихся в стандартном РРЛ канале.
В первом разделе приведен краткий теоретический анализ задачи распространения
радиоволн в канале связи с турбулентными флуктуациями среды. Основное внимание уделено
описанию статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы гармонической волны,
распространяющейся в среде со слабыми флуктуациями показателя преломления. Особо
рассмотрена задача статистического исследования флуктуаций амплитуды и фазы нескольких
сигналов разных частот, одновременно передаваемых по каналам РРЛ, что характерно для
измерительных сигналов систем траекторных измерений.
Рассмотрены вопросы, связанные с анализом практической возможности использования
РРЛ канала связи для передачи высокоточной фазовой информации по результатам
проведенных на РРЛ экспериментальных радиофизических исследований. Приведены
различные варианты аппаратуры для измерения и регистрации флуктуаций параметров
измерительных сигналов. Описана методика и технические средства статистической обработки
экспериментальных данных.
Основные результаты по оценке характеристик флуктуаций параметров сигналов одной
и двух разных частот получены для статистически достаточного числа измерений, проведенных
в диапазоне 4-11 ГГц в разных метеоусловиях и в разное время суток. Наиболее важные и
интересные результаты исследований иллюстрируются графиками и таблицами. В частности,
графически отображено поведение спектров флуктуаций, авто- и взаимнокорреляционных
функций амплитуды и фазы сигнала одной частоты, а также фазовых флуктуаций сигналов двух
отличающихся частот, прошедших РРЛ канал. В таблицах приведены количественные

7. характеристики, такие как дисперсия флуктуаций, ширина корреляционных функций, ширина
спектра флуктуаций.
Полученные результаты позволяют определить ожидаемую атмосферную фазовую
ошибку канала РРЛ и, сопоставив ее с допустимой погрешностью, однозначно уяснить
необходимость мер по уменьшению этой ошибки. Статистические характеристики атмосферных
флуктуаций параметров одно- и двухчастотного сигналов в совокупности с отработанной
методикой их измерения и рассмотренными методами компенсации составляют необходимую
основу для разработки практических методов уменьшения этой погрешности в каналах РРЛ.
Наряду с этим, полученные результаты полезны при решении задачи улучшения
точностных измерений фазометрического типа, возрастающие размеры антенного поля которых
приводят к необходимости использования атмосферного радиоканала для синхронной передачи
эталонной частоты на приемные устройства выносных пунктов, удаленных на значительные
расстояния от места сбора и обработки информации.
1.2. Экспериментальное исследование пространственно- временных статистических
характеристик сигнала СВЧ и среды распространения тракта РРЛ
Настоящий раздел содержит результаты исследований распространения
электромагнитных волн сантиметрового диапазона в РРЛ канале связи прямой видимости,
выполненных по плану НИР 21/2 ФАЗА-РРС [24- 26], ответственным исполнителем которой
был автор, на кафедре "Транспортная связь" ХИИТа в 1987-1989 гг. Эксперименты проводились
на аппаратуре "Восход-2М", "NEC", "Электроника-60" (РРЛ системы "КОМПЛЕКС") и "KУРС-
8 ОТ" в диапазонах частот 4-11 Ггц. Длина трассы в большинстве случаев составляла около 27
км, хотя ряд сеансов проводился на трассах длиной около 100 км.
1.2.1. Краткое аналитическое описание атмосферных флуктуаций фазы и огибающей
сигнала приземной РРЛ
1.2.1.1. Статистические свойства флуктуаций амплитуды и фазы электромагнитной
волны при распространении в среде с флуктуациями показателя преломления
Для того чтобы связать наблюдаемые при распространении электромагнитной волны
флуктуации ее параметров с флуктуациями показателя преломления, необходима надежная
теоретическая база, основанная на физической модели атмосферы. Для этого применяется
сравнительно простой, но точный и корректный метод расчета статистических характеристик
флуктуаций амплитуды и фазы волны, возникающих при распространении в случайно-
неоднородной среде. Суть метода состоит в разбиении трехмерного поля показателя
преломления среды на тонкие перпендикулярные направлению распространения волны слои и
последующем разложении двумерного поля внутри каждого слоя по компонентам Фурье с
различными пространственными волновыми числами и значениями полярного угла. Затем
рассчитывается влияние, оказываемое на волну отдельной Фурье- составляющей поля
показателя преломления. После этого последний этап повторяется для всех компонент с
различными волновыми пространственными числами, углами и положениями вдоль пути
распространения, и находится статистическая сумма вызываемых возмущений. Окончательное
решение представляется в виде произведения трех сомножителей:
1)спектральной плотности флуктуаций показателя преломления;
2)члена, связывающего флуктуации в двух точках плоскости приемника;
3)сомножителя, определяющего вклад, вносимый данной неоднородностью в полную
флуктуацию на приемнике. Последний сомножитель обычно рассматривается как фильтрующая
функция. В [1, 31, 35] приведены результаты и конечные формулы аналитического описания
статистических свойств амплитудных и фазовых флуктуаций, в основном, в зависимости от
пространственных флуктуаций показателя преломления. Ниже приведены результаты
статистического описания пространственно- временных флуктуаций амплитуды и фазы [1, 34].
Введем некоторые общие положения. Движение атмосферы, а, следовательно, и
существующих в ней неоднородностей показателя преломления, характеризуется скоростью
ветра v

, определяемой средней скоростью V

и ее флуктуациями v~ . Если учитывать перенос
только со скоростью V

, а также считать, что неоднородности не меняют заметно своей формы
и интенсивности за время перемещения, определяемое их собственным размером l, то
пространственные флуктуации показателя преломления можно представить в виде:
)0,(~),(~ tVrtr

−=µµ , (1.1)

8. r
 - пространственный разнос точек наблюдения на приемной апертуре.
Если флуктуации µ~
конечны на трассе распространения длиной L, то, соответственно
вышесказанному, корреляционная функция, описывающая флуктуации амплитуды или фазы
волны, имеет следующий вид:
∫ ∫
∞
=−
L
a dmtVrB
0 0
, )0,( ηϕ

ædæФn(æ)J0(æ, ϕ,) aftVr

− (æ). (1.2)
Здесь m=2 2
π , æ- текущее значение пространственной частоты, определяемой
размерами неоднородностей на трассе, 2 π /Lo ≤ æ ≤ 2 π /lo (Lo - внешний, lo-внутренний
масштаб неоднородностей); af (æ)-пространственная фильтрующая функция амплитудных,
ϕf (æ)- фазовых флуктуаций. Усреднение спектральных компонент показателя преломления
для всех пространственных частот и усреднение всех слоев толщиной dη на длине трассы L
определено соответствующим интегрированием. Jo- модифицированная функция Бесселя
нулевого порядка.
Если пространственный разнос равен нулю, то для трассы фиксированного размера L
можно получить следующие выражения для аналитического описания корреляционных функций
амплитуды и фазы [1]:
∫
∞
=
0
22
2),( LkLBa πτ ædæJ0(æv⊥τ) af (æ)Фn(æ), (1.3)
∫
∞
=
0
22
2),( LkLB πτϕ ædæJ0(æv⊥τ) ϕf (æ)Фn(æ). (1.4)
При необходимости для расчета взаимной корреляционной функции амплитуды и фазы
можно воспользоваться соотношением
∫
∞
=
0
22
2),( LkLBa πτϕ ædæJ0(æv⊥τ) ϕaf (æ)Фn(æ). (1.5)
В приведенных аналитических выражениях v⊥- скорость переноса неоднородностей
поперек трассы. Если ось абсцисс совпадает с направлением распространения, то v⊥= 22
zy vv + ,
vy, vz- скорости переноса вдоль осей Y и Z, k- волновое число, равное 2 π / ,λ λ - длина
волны.
Частотный спектр флуктуаций амплитуды и фазы вычисляется через Фурье-
преобразование их корреляционных функций
∫
∞
=
0
,, cos),(4 τωττϕϕ dLBW aa . (1.6)
Дисперсия временных флуктуаций амплитуды и фазы определяется как значение
функции автокорреляции в нуле:
∫
∞
∞−
== ωωσ dWLB aaa )()0,(2
, ∫
∞
∞−
== ωωσ ϕϕϕ dWLB )()0,(2
.
(1.7)
Приведенные формулы позволяют полностью описать статистические характеристики
флуктуаций амплитуды и фазы плоской волны при распространении в атмосфере с известными
спектральными флуктуациями Фn(æ), скоростью переноса ⊥v

и заданными пространственными
размерами неоднородностей. Несколько подробнее остановимся на фильтрующей функции f(æ),
которая служит для селективного взвешивания спектральной плотности флуктуаций показателя
преломления. Она характеризует меру влияния неоднородности с пространственным волновым
числом æ в заданной точке трассы η.
Фильтрующая функция зависит от геометрических факторов η, æ, L, волнового числа
электромагнитной волны и размера передающей апертуры σ. Простейшие фильтрующие
функции были получены Татарским. При r= 0
fa(æ)= 1-
kL
kL
/
)/æsin( 2
, fϕ(æ)= 1+
kL
kL
/
)/æsin( 2
, faϕ(æ)=
kL
kL
2/æ
)2/æ(sin
2
22
Fаф(х)=
2k/(Lx )*sin (Lx/2k). (1.8)

9. В заключение рассмотрения статистических характеристик флуктуаций амплитуды и
фазы приведем соотношения для широко используемой в теоретических расчетах аналитической
функции пространственных флуктуаций показателя преломления Фn(х)= 0,033Сnх, называемой
спектром Колмогорова. Сn -структурная характеристика показателя преломления,
характеризующая мощность его флуктуаций, которая при некоторых ограничениях имеет
аналитический вид
Сn= 1,9*6nхо, (1.9)
6n-дисперсия флуктуаций показателя преломления , хо= 2п/Lo.
Обычно рассчитывают дисперсию логарифма уровня амплитудных флуктуаций Х=
ln[A(t)/Ao], где A(t)-флуктуации амплитуды, Ао- их среднее значение. В частности, при v= 0 и
однородной атмосфере
6х= 0,307Сnk L. (1.10)
Для расчета дисперсии флуктуаций фазы 6ф нельзя использовать колмогоровский
спектр Фn. В этом случае удобно применить спектр Кармана
Фn(х)= 0,033Сn(@)х ехр(-х/xm), xm= 5,91/lo. (1.11)
В результате получим
L L - @
6ф= 0,326k Sd@Cn(@)Lo [6/5 + ReГ(1,1/6,iг-----)], (1.12)
0 kLo
ReГ- реальная часть конфлюэнтной гипергеометрической функции,
г= @/L (для плоской волны г= 1). Для сферической волны 6х= 0,124Сnk L.
Определенный интерес представляет и расчет структурной функции фазы Dф(L,r), т.е.
пространственной дисперсии флуктуаций разности фаз сигналов, принимаемых приемниками,
разнесенными на расстояние r. При Сn(@)=СОNST и разносе приемных пунктов r>> лL
структурная функция
Dф(L,r)= 1,0924k LCnr. (1.13)
Анализируя расчетные формулы для оценки дисперсии, необходимо иметь ввиду, что
величина Сn должна быть измерена соответствующими измерительными приборами, например,
радиорефрактометрами.
Возможность аналитического расчета временных спектров флуктуаций амплитуды
(огибающей) и фазы рассмотрена в [1]. В результате для колмогоровского спектра Фn(х)
получены приближенные соотношения
Wф(w) 2Wx(w) при w 0 , Wф(w) Wx(w) при w, (1.14)
Wx(w)= 7,13*6x/wt*(w/wt) при w .Частота wt определяется из соотношения wt= v k/L.
1.2.1.2.Статистические характеристики флуктуаций амплитуды и фазы
электромагнитных волн двух различных частот при распространении в среде с флуктуациями
показателя преломления
Рассмотрим задачу статистического описания флуктуаций двух волн различных частот
f1 и f2 с волновыми числами k1= 2п/л1 и k2= 2п/л2 при распространении в среде с
флуктуациями показателя преломления м. Корреляционные функции флуктуаций амплитуды
(огибающей) Вх(k1,k2,r,т), фазы Вф(k1,k2,r,т) и взаимная корреляционная функция
Вхф(k1,k2,r,т) могут быть представлены общими выражениями
Вх(k1, k2, r, т)= <X(k1, r, t1)X(k2, r, t2)>, (1.15)
Bф(k1, k2, r, т)= <ф(k1, r, t1)ф(k2, r, t2)>, (1.16)
Bxф(k1, k2, r, т)= <X(k1, r, t1)ф(k2, r, t2)>. (1.17)
Фурье- образы этих корреляционных функций представляют частотные спектры
W(k1,k2,r,w)= 2 S B(k1,k2,r,т)exp(-iwт)dт. (1.18)

10. Формальное вычисление каждого из спектров сводится к подстановке в правую часть
(1.18) соответствующей корреляционной функции. В обратном преобразовании
В(k1,k2,r,т)= 1/п SW(k1,k2,r,w)eхр(iwт)dw. (1.19)
Общие выражения для корреляционных функций и спектров получены Татарским:
L
B(k1,k2,r,т) = 2k1k2 Sd@Sxdxg(x)Jo(xv т)Фn(х). (1.20)
0 0
Анализ полученного соотношения показывает, что оно идентично случаю одночастотной
корреляции для F(x)= g(x) и k1= k2. Соответственно g(x) вычисляется по формулам
gx(x)= Re[h1h2*-h1h2], gф(х) = Re[h1h2*+h1h2] , gxф(х) =-Im[h1h2*+h1h2] ,
h1= exp[-iг(L-@)x/(2k1)] , h2= exp[-iг(L-@)x/(2k2)], (1.21)
h2*- комплексно сопряженная величина, Re, Im - реальная и мнимая части.
Взаимные частотные спектры могут быть найдены из формулы
L
W(k1,k2,r,w)= 8п k1k2 Sd@Sxdxg(x)Фn(x)[(xv ) - w ]. (1.22)
0 w/v
В общем случае взаимная корреляционная функция В(k1,k2,r,т) не обязательно является
четной, поэтому взаимный спектр W(k1,k2,r,w) может быть комплексным, так что
W(k1,k2,r,w)= C(k1,k2,r,w) - iQ(k1,k2,r,w), (1.23)
С и Q- вещественная и мнимая составляющие спектра соответственно. Тогда можно
ввести понятие степени когерентности, определяемое как
coh(k1,k2,w)= [C(k1,k2,w) + Q(k1,k2,w)]/[W(k1,k1,w)W(k2,k2,w)]. (1.24)
Для случая плоской волны г = 1 получаем
gx(x) = cos[(1/k1-1/k2)(L-@)x/2] - cos[(1/k1+1/k2)(L-@)x/2], (1.25)
gф(х) = cos[(1/k1-1/k2)(L-@)x/2] + cos[(1/k1+1/k2)(L-@)x/2]. (1.26)
В нашем эксперименте нас будет интересовать лишь случай k1 k2 k, что соответствует
f1/f2 1,f1= f2+ f, где f не превышает 10-30 МГц в то время как f1 и f2 составляют единицы ГГц.
Для колмогоровского спектра флуктуаций Фп(х) можно получить
cohx(k1,k2,0) = (k2/k1) {[(1+k1/k2)/2] -[(1-k1/k2)/2] } 1 , n=11/3,
cohф(k1,k2,0) = (k2/k1) {[(1+k1/k2)/2] +[(1-k1/k2)/2] }. (1.27)
Если провести качественное сравнение аналитических соотношений для случаев
распространения одно- и двухчастотного сигналов, то можно заметить идентичность формул для
корреляционных функций и спектров при k1= k2 u F(x)= g(x).
Косвенные результаты экспериментальных исследований, дающие основание судить о
степени корреляции флуктуаций амплитуды и фазы, приведены в [27]
Измерение поляризационной развязки двух ортогональнополяризованных сигналов,
передаваемых на одной несущей в диапазонах 4 и 8 ГГц в РРЛ канале с длиной пролета L= 45-
55 км показало, что при изменении несущей частоты на 30 МГц поляризационная развязка не
изменялась. Оценка величины развязки проводилась по результатам измерений амплитуды и
ГВЗ сигналов через каждые 5 МГц в полосе 30 МГц.
Результаты измерений [27] показывают, что дисперсия флуктуаций амплитуды и
разностей фаз сигналов, принимаемых на несущей 28 ГГц и боковых 264 МГц оставалась
постоянной, т.е. не зависела от частоты. Фазы сигналов боковых полос не чувствительны к
линейным изменениям фазы с частотой, что соответствует равномерной временной задержке.
Детальное исследование причин, вызывающих дисперсию фазы, показывает, что их
происхождение вряд ли обязано отражениям от неоднородности атмосферы или многолучевости
распространения.
Подводя итоги этого пункта, можно сделать следующие выводы. Практическое
использование аналитических зависимостей для определения степени корреляции сигналов на
разных частотах при модельной атмосфере вряд ли целесообразно, поскольку требует задания
ряда параметров, таких как размеры неоднородностей, скорость ветра, структурная
характеристика, изменяющихся в реальных условиях существенным образом.

11. Экспериментальные исследования в этой ситуации более предпочтительны, даже если они
проведены в климатических условиях, отличающихся от эксплуатационных.
1.2.1.3. Анализ влияния флуктуаций показателя преломления на амплитуду и фазу
волны при распространении в РРЛ канале с ЧМ модуляцией
Современная радиорелейная система в техническом отношении представляет сложный
радиоэлектронный комплекс, характеризуемый диапазоном рабочих частот, видом передаваемой
информации, способами кодирования и декодирования, условиями распространения и т.д.
Возможности применения такой системы для организации информационной сети между
измерительными пунктами СВТИ прежде всего требуют детального изучения принципов
действия и аппаратурного состава радиорелейного комплекса. Эта задача решается достаточно
просто посредством изучения соответствующих техописаний и источников, посвященных
вопросам теоретического рассмотрения принципов функционирования РРЛ систем связи [33,
39].Специфика решаемой задачи состоит в оценке степени влияния флуктуационных эффектов
на информационный сигнал СВТИ, передаваемый по заранее заданному каналу РРЛ.
Необходимый теоретический анализ возможно провести, если задать информационный
сигнал и выбрать способ его кодирования и декодирования для передачи по каналу, а также
способ его возвращения в пункт формирования первичного информационного сигнала после
прохождения по трассе. При такой постановке задачи можно пользоваться лишь
основополагающими принципами передачи информации в РРЛ канале с заданным видом
модуляции и демодуляции, диапазоном рабочих частот, геометрическими характеристиками
канала и видом диаграмм направленности приемо-передающих устройств. В качестве объекта
исследования используется аппаратура "КУРС" с частотной модуляцией несущей [39],
работающая в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц. Передача и прием ЧМ сигнала в прямом направлении
между соседними РРЛ- станциями осуществляется на нижней или верхней половине полосы
излучения. План частот радиоканалов для нижней половины полосы fn= fo-208+ 29n, МГц, для
верхней половины fn'= fo+ 5+ 29n, МГц, n= 1, 2, 3, 4, 5, 6. Т.е., при возвращении сигнала на
другой половине полосы частотный разнос между прямым и обратным каналом составит 213
МГЦ. Возможны и другие значения разноса, например, 266 МГц.
Выберем в качестве источника информационного сигнала высокостабильное
гармоническое колебание
Uo= Umosin(@ot+ ф). (1.28)
Осуществим частотную модуляцию промежуточного сигнала wп, как это делается в
радиорелейной аппаратуре, и осуществим перенос ЧМ сигнала на нужную боковую частоту:
Unр = Unosin[wпt + wп/@o*sin@ot]. (1.29)
При переносе переменного напряжения промежуточной частоты осуществляется
гетеродинирование Unр сигналом wn и выделение нужной боковой полосы. Сигнал, излучаемый
передатчиком, в общем случае имеет сложную форму U(w,t) = A(w,t)exp[iФ(w,t)].
За период модуляции низкочастотным сигналом
@ U(w)= A(w)exp[iФ(w)]. (1.30)
Нетрудно заметить, что излучаемый сигнал представляет собой набор спектральных
компонент, отстоящих друг от друга на частотный интервал @o. Если обозначить номер каждой
спектральной составляющей индексом i= 1,2,...,то можно представить огибающую и фазу
передаваемого сигнала следующим образом:
Ai(w) = [Pi(w+@) + Pi(w-@)]/Pi(w)cos{[фi(w+@) + фi(w-@) - 2фi(w)]/2}/2,
Фi(w) = [фi(w + @) - фi(w - @)]{1 - фi(w)/[фi(w + @) + фi(w - @)]},
i-номер спектральной компоненты, Pi(w+@)- уровень амплитуды для i-й спектральной
компоненты частоты w+@, аналогично фi(w+@)- фазовый сдвиг, Pi(w)- уровень амплитуды
сигнала частоты w = wподст + wп, фi(w)- фаза для этой же частоты, wподст- частота гетеродина,
wп - промежуточная частота.
Проводить дальнейший анализ достаточно сложно и нецелесообразно. Удобнее выбрать
лишь одну компоненту с частотой wо. Фазовый сдвиг можно представить в виде нескольких
слагаемых
ф(wо)= фо(wо)- 2пL/c+ фл(w)+ фн(w)+ фф(w)+ фс(w). (1.31)

12. Здесь фо(wо)- сдвиг фазы на выходе передающего тракта, 2пL/c- фазовый набег за счет
пройденного сигналом расстояния, фл(w), фн(w)-линейная и нелинейная составляющие фазовых
сдвигов в тракте формирования ЧМ колебания, фф(w)-флуктуационная составляющая,
обусловленная шумами, фс(w)- случайная составляющая, обусловленная влиянием флуктуаций
показателя преломления в радиоканале. Составляющие фазы, за исключением фф(w) u фс(w),
являются постоянными или медленно меняющимися. В процессе обратной передачи
осуществляется перенос как регулярных, так и случайных компонент на несущую частоту
излучаемого передатчиком обратного сигнала, с учетом частотного сдвига в 216 или 266 МГц.
Таким образом, флуктуационная составляющая принятого сигнала будет содержать
информацию о флуктуациях фазы на частотах w и w+ w, где w- частота фиксированной
подставки. Тогда флуктуационная часть фазы принятого на исходном пункте сигнала будет
состоять из компонент
ф(w,w + w) = фф(w) + фс(w) + фф(w + w) + фс(w + w). (1.32)
После приведения ее к основной частоте @ получим информационную случайную фазу
ф(@) = фф + фс. (1.33)
Таким образом, информационное колебание, несущее сведения о влиянии флуктуаций
среды распространения, имеет вид: Uu = Uumsin(@t - фф - фс).
Аналогичные выкладки можно привести и для огибающей А(@,t), с той лишь разницей,
что в процессе демодуляции сигнала при первом приеме флуктуации амплитуды будут
клиппированы усилителем- ограничителем, имеющимся в составе РРЛ- ствола.
Поскольку в приемном тракте предусмотрена автоматическая регулировка усиления
(АРУ), то фактически интересующие нас флуктуации амплитуды проще всего извлекать именно
из блока АРУ. При наличии амплитудных флуктуаций сигнал АРУ будет содержать
информацию о влиянии среды на огибающую сигнала в виде
Uаpy = Uаpyo[1 + m(Aф)sin@ct]. (1.34)
Здесь m(Aф)-коэффициент глубины модуляции некоторой граничной частоты @c,
определяемой как частота среза фильтра нижних частот на выходе АРУ.
Ожидаемые результаты исследования статистических свойств амплитуды и фазы
прежде всего позволят выявить возможность регистрации флуктуаций, обусловленных влиянием
среды распространения, на фоне амплитудно-фазовых шумов аппаратуры. Поскольку нас
интересует исследование радиоканала при нормальных условиях функционирования, т.е. в
отсутствие аномальных ситуаций типа глубоких замираний, необходимо при проведении
экспериментальных исследований априорно изучить эти явления по результатам эксплуатации
радиоканала в штатном режиме, фиксируемым в журнале дежурного оператора РРЛ- станции.
Достаточно большой интерес вызывает и сама возможность оценки шумовых свойств РРЛ
канала связи нетрадиционными методами. Такой подход может выявить резервы в решении
проблемы повышения надежности его эксплуатации при применении в качестве технического
средства передачи измерительной информации в системах внешних траекторных измерений.
1.2.1.4. Результаты анализа влияния случайно- неоднородной тропосферы на работу
систем связи СВЧ
Приведенные выше сведения указывают на существенное влияние атмосферных
эффектов на распространение радиоволн (РРВ) сантиметрового диапазона. При этом
практическая реализация систем связи и использование существующих средств типа РРЛ для
передачи фазометрической информации связаны с рядом фундаментальных ограничений.
Свойства атмосферы изменяются в широких пространственно-временных пределах.
Средние значения крупномасштабных изменений поддаются измерению и могут быть
использованы для оценки величин отдельных явлений при РРВ. Мелкомасштабные изменения
вносят вклад в такие эффекты распространения, априорную оценку и, следовательно,
эффективную компенсацию которых осуществить не удается. Существенная неоднородность и
нестационарность атмосферных явлений предъявляет ряд специфических требований к системам
передачи информации, главное из которых состоит в обеспечении их работоспособности в
широком диапазоне атмосферных условий. Одним из важных ограничений, налагаемых
эффектами РРВ, является возникновение непредусмотренной связи между работающими на
одной частоте каналами (перекрестные искажения). Возможность возникновения такого рода
помех нужно также учитывать как влияющий на работу линий связи фактор.

13. Теоретическое описание статистических эффектов распространения демонстрирует как
серьезные трудности учета реальных условий РРВ, так и необходимость дальнейшего развития и
совершенствования теории, учитывающей адекватную помеховую обстановку. С другой
стороны, теоретическое описание статистических характеристик сигналов различного типа,
передаваемых по каналу РРЛ в условиях влияния среды распространения, позволяет при
некоторых ограничениях на модели атмосферных явлений и самого канала оценить возможные
количественные границы эффектов РРВ.
1.2.2. Экспериментальные исследования на РРЛ
1.2.2.1. Принцип действия и аппаратурный состав экспериментальной установки для
регистрации амплитуды и фазы на основе измерителя группового запаздывания
Групповое время запаздывания (ГВЗ) есть производная от фазочастотной
характеристики (ФЧХ) ВЧ тракта канала РРЛ:
T(w) = - d/dw[ф(w)].
Выше показано, что в общем случае ФЧХ РРЛ канала состоит из регулярной и
случайной составляющей. Поскольку для передачи информации используется ЧМ сигнал, то
весьма важными являются сведения о фазовых искажениях всех спектральных компонент в
полосе сигнала. Фактически ГВЗ прямо пропорционально мгновенной фазовой задержке каждой
спектральной составляющей, проходящей радиоканал. Для измерения ГВЗ в передающий тракт
(например, на вход по промежуточной частоте) от специального устройства подается
измерительный сигнал. Он представляет собой несущую, модулированную по частоте двумя
сигналами: качания и насадки. Сигнал качания обычно пилообразный или гармонический с
частотой 16- 70 Гц. Он качает частоту несущего колебания, модулированного вторым сигналом-
высокочастотной насадкой- в пределах рабочей полосы частот радиоствола. Частотная
модуляция ВЧ насадкой (fн от 80 кГц до 8 МГц) имеет малый индекс, так что спектр
измерительного сигнала содержит только несущую и боковые составляющие fo+ fн. Параметры
реального канала, т.е. его АЧХ и ГВЗ высокочастотного тракта, вызывают определенные
изменения амплитуд и начальных фазовых углов спектральных составляющих сигнала
измерения. В результате этого в законе модуляции происходят изменения, сложным образом
связанные с реальным видом этих характеристик. После демодуляции измерительного сигнала
его амплитуда и фаза изменяются относительно некоторой опорной зависимости частотной
модуляции ВЧ насадки НЧ сигналом. Изменение фазы насадки происходит по закону
фн(w) = -т(х)w,
х = w - wо - текущая расстройка.
Таким образом, изменение фазы прямо пропорционально ГВЗ .
На основе этого принципа измерений ГВЗ группой под руководством В.В. Печенина
была разработана аппаратура для измерения фазовых флуктуаций. Автором было разработано
устройство для управления поляризацией радиоволны [12-18]. Амплитудные флуктуации
регистрировались по цепи АРУ приемного тракта стандартного канала РРЛ.
В состав аппаратуры измерителя фазовых флуктуаций входят: 1- кварцевый генератор,
2- генератор ЧМ сигнала ВЧ насадки, 3- генератор НЧ, 4- фазовый модулятор, 5- усилитель, 6-
смеситель, 7- схема АПЧ fo= 70 МГц, 8- генератор fo= 70 МГц, 9- формирователь частотных
меток, 10- блок видеоконтроля, 11- частотный детектор, 12-усилитель, 13-амплитудный
детектор, 14-АЦП, 15- цифропечатающее устройство, 16- схема управления и синхронизации,
17- аналоговый самописец (см.рис.1.1).
Сигнал промежуточной частоты fo=70 МГц формируется с помощью кварцевого
генератора 1 и фазового модулятора 4. Модуляция сигнала ВЧ насадки осуществляется сигналом
генератора низкой частоты 3, который одновременно служит для создания горизонтальной
развертки на экране видеоконтрольного устройства 10. ЧМ сигнал с выхода генератора 2 через
усилитель 5 поступает на один из входов смесителя 6. На его второй вход поступает сигнал с
выхода фазового модулятора 4. В результате на выходе смесителя 6 формируется ЧМ сигнал,
содержащий ПЧ fo=70 МГц и частоты спектральных составляющих fo+ p(fн+ fк), fк- частота
качания, вырабатываемая генератором 3.
Сформированный таким образом сигнал поступает на вход ПЧ тракта передатчика
радиорелейной линии, где осуществляется перенос и выделение соответствующей полосы
(верхней или нижней) в СВЧ диапазоне. Принимаемый сигнал с выхода ПЧ приемного тракта
поступает на вход схемы АПЧ 7 (fo=70 МГц), удерживающей частоту настройки генератора 8

14. равной 70 МГц. С помощью формирователя меток 9 формируются метки с частотой 1 МГц,
5МГц, 10 МГц, позволяющие определить ширину полосы измерительного ЧМ сигнала.. С
помощью блока 11 и усилителя 12 осуществляется формирование измерительного НЧ сигнала,
который подается на вертикальные пластины индикатора 10. В результате мы видим на экране
наклонную линию относительно прямоугольной системы координат. Горизонтальная координата
есть сетка мгновенных частот, промаркированная частотными метками, вертикальная
координата есть временная задержка, т.е. фазовый набег, измеряемый в нс; в каждой точке,
выбранной на светящейся наклонной линии, можно определить мгновенную фазу для частоты,
отсчитываемой по горизонтальной координате.
Далее сигнал с выхода блока 11 (вид сигнала совпадает с сигналом НЧ, подаваемым на
горизонтальные пластины) поступает на амплитудный детектор 13 и АЦП 14. АЦП состоит из
двух идентичных измерителей флуктуаций, принцип действия которых основан на измерении
отклонений входного напряжения от эталонной подставки. Второй измеритель предназначен для
измерения флуктуаций амплитуды в тракте АРУ.
Далее измеренные и преобразованные в цифровую форму сигналы поступают на 8-
разрядную цифровую печать 15. Управление работой АЦП и цифровой печати осуществляется
схемой управления 16. Одновременно производится запись выходного напряжения самописцем
с компенсацией постоянной составляющей АД-13.
Экспериментальная установка для регистрации амплитудных и фазовых флуктуаций
обеспечивала регистрацию фазовых флуктуаций с разрешающей способностью 0,1- 0,14 градуса,
а амплитудных-с разрешающей способностью 0,1 мВ. Максимальная частота регистрации
отсчетов блоком цифровой печати составила 50 Гц при разрешающей способности печати в
младшем разряде по фазе 0,1 градуса на десятичный знак, по амплитуде - 0,1 мВ на десятичный
знак. Полоса фильтра амплитудного детектора 13 равнялась 10- 15 Гц. Разрешающая
способность самописца равнялась 0,1 мВ/мм. Общее время одиночного сеанса измерений при
регистрации на цифропечатающем устройстве со скоростью два отсчета в секунду составляло 25
минут.
1.2.2.2. Аппаратурный состав и принцип действия экспериментальной установки для
регистрации фазовых флуктуаций двухчастотного сигнала
Фазовые флуктуации двухчастотного сигнала могут быть зарегистрированы на основе
известных и широко распространенных методов измерения длины радиоканала. Так, например,
в системах СВТИ определение длины радиоканала осуществляется посредством измерения
фазовых сдвигов сигналов различных частот. Подобный метод используется и в высокоточных
геодезических радиодальномерах. Суть фазового метода измерения длины радиоканала сводится
к следующему. Пусть задано исходное колебание вида
е(t) = Eocos[wot + 0(t)].
При ЧМ функция 0(t) является интегралом от передаваемого сообщения S(t):
S(t) = sin@t,
@ = 2пF - частота измерительного сигнала.
Так как интегрирование является линейным преобразованием, то при ЧМ спектр
функции 0(t) состоит из тех же компонент, что и спектр S(t). Используя [40], запишем
излучаемое колебание в виде
е(t)= Eocos[wot+msin@t],
m= w/wo-индекс ЧМ,
w-девиация частоты.
При m<<1 имеют место приближенные равенства
sin(msin@t) msin@t; cos(msin@t) 1.
Тогда
е(t) Ao[coswot+m/2cos(wo+@)t-m/2cos(wo-@)t].
Полученное соотношение описывает по сути АМ колебание с той лишь разницей, что
одна из боковых составляющих имеет фазовый сдвиг п.
При использовании двух частот F1 и F2 и малом индексе ЧМ получим спектр,
содержащий несущую wo и боковые частоты wo+@1 и wo+@2. Выделяя любую из боковых

15. полос, можно сформировать, например, излучаемый сигнал, состоящий из несущей и двух
боковых частот. При распространении в радиоканале фазы колебаний приобретают регулярный
сдвиг и искажаются под воздействием флуктуаций показателя преломления. В процессе
ретрансляции происходит восстановление исходного ЧМ сигнала и его переизлучение в
обратном направлении. При этом используется боковая полоса, противоположная излучаемой,
т.е. в сигналы боковых полос вносится фазовый скачок п. Однако на флуктуационные эффекты
это не оказывает никакого влияния. В силу технических особенностей преобразования сигнала
при ретрансляции амплитудные флуктуации принимаемого колебания обусловлены его
прохождением лишь в обратном направлении. В то же время фазовые флуктуации боковых
частот обусловлены как прямым, так и обратным прохождением сигнала по радиоканалу. Кроме
того, имеется фиксированный частотный разнос между прямым и обратным каналом порядка
213-266 МГц. Это обстоятельство может повлиять лишь на взаимнокорреляционные свойства
амплитуды и фазы. В то же время информация о корреляционных и спектральных
характеристиках амплитудных и фазовых флуктуаций сохраняется в полном объеме. В
дальнейшем происходит выделение исходных колебаний с частотами F1 и F2 и измерение их
фаз и амплитуд.
Структурная схема экспериментальной установки для формирования колебаний частот
F1 и F2 и регистрации фазовых задержек приведена на рис.1.2. В состав передающей части
установки входят: опорный кварцевый генератор 1,импульсные формирователи опорных частот
2 (F1), 3 (F2), 4 (F3), фильтры 5, 6, 7, сумматор 8, делители частоты 15. В состав приемной и
измерительной части входят фильтры и усилители 9, 10, 11, измерители разности фаз опорных и
измерительных частот 12, 13, 14, блок управления и синхронизации 16, блок цифровой печати
17.
Работа экспериментальной установки сводится к следующему.
Опорный кварцевый генератор 1 генерирует стабильные колебания частотой 1 МГц.
Импульсный формирователь 2 частоты F1=50 кГц является триггерным делителем частоты 1
МГц. Импульсный формирователь 3 частоты F2 = 100 кГц также представляет собой делитель
кварцованной частоты 1 МГц. Импульсный формирователь 4 позволяет формировать любую из
трех частот F3=1, 5, 10 МГц. Делитель 15 обеспечивает приведение любой из этих трех
устанавливаемых частот к одной опорной частоте 100 кГц. Это сделано для того, чтобы
исследовать статистические характеристики сигналов частот F2 и F3 с разносом 1-10 МГц при
равных измерительных погрешностях соответствующих фазометров. При проведении
экспериментальных исследований на вход сумматора 8 подавались лишь две из возможного
набора измерительных частот. Фильтры 5, 6, 7 позволяют формировать колебания в виде
гармонических сигналов с малым уровнем нелинейных искажений. Суммарный сигнал (или,
точнее, групповой спектр) поступал на вход модулятора РРЛ. Передающий пункт РРЛ
формировал и излучал с необходимой мощностью ЧМ сигнал, перенесенный в СВЧ диапазон на
верхней или нижней боковой полосе частот соответственно.
Приемный и регистрирующий тракт измерительной установки работал следующим
образом. Суммарный СВЧ сигнал, принятый после ретрансляции, преобразовывался в приемном
тракте РРЛ до исходного спектрального состава и с выхода демодулятора поступал на входы
резонансных фильтров 9,10,11. Фильтр 9 обеспечивал дискретную перестройку в диапазоне 1,5
и 10 МГц. Далее гармонические сигналы поступали на фазовые измерители 12, 13, 14, к
опорным входам которых были подведены соответствующие по частоте импульсные сигналы
формирователей 2 и 3 и делителя 15. Фазовые измерители выполнены на основе преобразования
входных сигналов в последовательность импульсов, соответствующих их переходам через
нулевое значение. Далее осуществлялось измерение временного интервала между
одноименными входными опорными импульсами путем их заполнения счетными метками
образцовой частоты. Результат измерения в виде двоично-десятичного цифрового кода
регистрировался с помощью устройства цифровой печати 17. Управление и синхронизация
работы измерительной части установки осуществляется блоком 16.
С помощью данной измерительной системы возможна регистрация и флуктуаций
амплитуды по любому из выходных напряжений фильтров 9-11. В этом случае используется
измеритель, применяемый в ранее описанной установке. Выход этого измерителя подключается
вместо одного из фазовых к информационному входу устройства цифровой печати 17.
Практическая реализация разработанной установки осуществлена на базе трех
универсальных частотомеров ЧЗ-34. Выбранный режим работы соответствовал измерению
временного интервала по входам В и Г. При этом на вход "внешний генератор" всех
частотомеров подавалась опорная высокостабильная частота 1 МГц, получаемая от такого же
измерителя ЧЗ-34 (выход "метки ВЧ") в режиме "контроль частоты". Непосредственно в корпус
частотомеров были встроены активные узкополосные фильтры. Фильтр 5 установленным на
задней стенке прибора ЧЗ-34 переключателем перекоммутировался на частоты 1, 5, 10 МГц.