Радиолокационный скоростемер

Радиолокационный скоростемер – это радиолокатор, предназначенный для измерения скорости движения, координаты и ускорения тел. Работа прибора основана на явлении Доплера для электромагнитных волн, то есть на изменении частоты принимаемых волн, зависящей от скорости относительного движения излучателя и приемника. Скоростемер применяется на сортировочных горках и входит в комплекс регулирования скорости движения вагонов.

Основными элементами скоростемера являются передатчик, являющийся излучателем электромагнитных волн и приемник отраженных волн. Излученные и отраженные волны сравниваются по частоте в смесителе, и разность частот, пропорциональная скорости измеряется частотомером.

Определим изменение частоты электромагнитных волн после отражения от движущегося вагона, обусловленное явлением Доплера. Для процессов с электромагнитными волнами, распространяющимися со скоростью света, следует применять законы теории относительности Эйнштейна. Пусть вагон удаляется от скоростемера со скоростью V (рис. 13.2). Пусть за некоторое время τ ₀ на частоте ν ₀ передатчиком излучен сигнал из некоторого числа колебаний N = ν ₀ τ ₀. Поместим в вагон наблюдателя, регистрирующего электромагнитные волны. Для наблюдателя время процесса излучения сигнала передатчиком, согласно теории относительности, замедляется

. (13.14)

Здесь , с = 3∙10⁸ м/с – скорость света в вакууме.

За время приема сигнала наблюдателем вагон переместится на расстояние Vτ и длительность принимаемого наблюдателем сигнала дополнительно возрастет на время распространения волной этого расстояния: . Подставив длительность излученного передатчиком сигнала с точки зрения наблюдателя из формулы (13.10), получим . Поделив число колебаний на это время, получим для частоты сигнала, принимаемого наблюдателем формулу

. (13.15)

Электромагнитная волна отражается от стенок вагона с частотой, определяемой по формуле (13.11). Для приемника скоростемера вагон является излучателем. Повторяя предыдущий расчет, получим для частоты, регистрируемой приемником скоростемера, такую же формулу (13.11), только вместо ν ₀ будет ν_ваг: . Подставив частоту отраженного от вагона излучения (13.11), получим для частоты приема . Отсюда скорость вагона можно определить по формуле

(13.16)

Если вагон удаляется от скоростемера, то частота, регистрируемая приемником, уменьшается. Если приближается, то знак скорости вагона следует изменить на противоположный и частота, регистрируемая приемником, увеличивается. Таким образом, по изменению частоты можно определить скорость вагона и направление движения.

Так как скорость вагона значительно меньше скорости электромагнитных волн в 10⁸ раз, то относительное изменение частоты 10^-8 весьма незначительно. Погрешность измерения частоты отраженной волны может превысить искомую разность частот в миллионы раз. Однако малую разность частот гармонических колебаний можно определить методом биений. Для этого в смесителе скоростемера складываются электромагнитные колебания передатчика и приемника:

. (13.17)

Как видно, при сложении колебаний близких частот, результирующее колебание имеет частоту, равную полусумме складываемых частот, а его амплитуда периодически изменятся с частотой, равной половине разности частот (рис. 13.3).

Итак, частота биений равна . Эта частота измеряется частотомером скоростемера. По показаниям частотомера по формуле (13.16) определяется скорость вагона.

Дата добавления: 2014-01-04