Устройство для обеспечения безопасности движения судов, летательных аппаратов и большегрузных автомобилей

 

Изобретение относится к физике и радиоустройствам и может быть применено для повышения безопасности движения пассажирских авиационных и морских лайнеров, больших танкеров, судов с атомными энергетическими установками, больших автомобилей, перевозящих опасные и дорогостоящие грузы. Устройство отличается тем, что дополнительно введен второй канал приема непрерывных колебаний частотной модуляции равносигнальной зоны, ориентированный по направлению курса движения, состоящий из последовательно соединенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, усилителя, громкоговорителя с включателем и выключателем, к второму выходу усилителя последовательно присоединены преобразователь период-цифра, табло; выход передатчика соединен с вторым входом смесителя. Устройство мгновенно обнаруживает объекты, появившиеся на малых дальностях в направлениях наибольших скоростей сближений и вероятностей столкновений и определяет расположение встречного объекта: по курсу, справа или слева от него. 4 ил.

Изобретение относится к физике и радиоустройствам и может быть применено для повышения безопасности движения пассажирских авиационных и морских лайнеров, судов с атомными энергетическими установками, больших танкеров и больших автомобилей, перевозящих опасные и дорогостоящие грузы. Предлагаемое устройство устраняет недостатки радиолокаторов кругового обзора при малых дальностях, когда время устранения инерции движения и выбора направления поворота "вправо" или "влево" и его осуществление ограничено 1-3 мин.

Известно устройство безопасности мореплавания: судовой импульсный радиолокатор кругового обзора, колебаний одинаковых периодов (Радиотехнические системы. / Под ред. Ю.М.Казаринова. М. Высшая школа, 1990, с. 194-197). Он состоит из последовательно соединенных опорного генератора (ОГ), модулятора (М), генератора высокой частоты (ГВЧ), антенного переключателя (АП), антенны (А), последовательно соединенных при приеме антенны, антенного переключателя, усилителя высокой частоты (УВЧ), смесителя (См), усилителя промежуточной частоты и детектора (УПЧ и Д), видеоусилителя (ВУ), электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), к выходу ОГ подключены последовательно соединенные схема электронных меток (СЭМ), второй вход ЭЛТ, а к второму выходу ОГ генератор развертки дальности (РД), третий вход ЭЛТ, к второму выходу антенны подключены последовательно соединенные датчик положения (ДПА), блок развертки по азимуту (РА), четвертый вход ЭЛТ.

Опорным генератором синхронизируют моменты начала импульса модулятора и развертки дальности. Модулятором создают мощный импульс длительности τ_и. Генератором создают колебания сверхвысокой частоты, направляют их на антенну и излучают направленно. В горизонтальной плоскости угол направленности около 1^o. После излучения импульса антенну переключают к УВЧ. Генератором развертки перемещают пучок электронов ЭЛТ с центра по радиусу, совпадающему с направлением оси антенны. Линию развертки дальности и антенну вращают по кругу или в заданном секторе синхронно и равномерно со скоростью 15-20 об/мин. От центра до края экрана пучок электронов перемещают за время t_то 2Д_м/C, где Д_м наибольшая дальность поддиапазона, C 3·10⁸ м/с. Принятый отраженный от объекта сигнал усиливают по высокой и промежуточной частотам, детектируют, усиливают видеоимпульс и направляют его на сетку или катод ЭЛТ. Объект на экране ЭЛТ регистрируют в виде яркой дужки. Узким вращающимся лучом создают на экране радиолокационное изображение местности вокруг судна. На определенных удалениях от центра создают яркие кольца дальности. По расположению ярких дужек определяют дальность и азимут объектов.

Радиолокационное изображение местности вокруг судна повышает безопасность плавания, когда дальности обнаружения большие. Недостатком таких радиолокаторов является наличие непросматриваемых (мертвых зон). Количество РЛС на судах за 15 лет увеличилось в 10 раз (Песков Ю.А. Использование РЛС в судовождении. М. Транспорт, 1986, с. 5), а число столкновений за год не уменьшилось, увеличилось количество столкновений самолетов с возвышенностями и горами. Одна из мертвых зон (ближняя БМЗ) возникает из-за того, что при излучении мощного импульса невозможно осуществлять прием. Она равна 30-50 м. Вторая (динамическая, дальняя на короткой шкале ДМЗ) зависит от курса и скорости. Линейная величина ДМЗ является случайной, но в некоторых случаях она в 10-50 раз больше БМЗ. Свыше 80% всех навигационных аварий происходят при малых D_м. Будем считать, что возникли условия, при которых D_м 1000 м. По курсу появился объект, идущий встречным курсом. Если в этот момент ось антенны совпадает с курсом, отраженные от различных участков объекта сигналы совпадают по фазе, тогда он будет обнаружен мгновенно на дальности 1000 м. Но если в этот момент ось антенны рядом с объектом и вращается от него, их скорости 11 м/с, тогда первый импульс будет направлен на него после сближения на 88 м. Сигналы, отраженные от различных участков, могут складываться со сдвигом фаз (ϕ_от), близким к π, 3π, 5π .... Тогда их суммарная интенсивность будет близка к нулю.

Изменение ϕ_от происходит медленно. Это создает низкочастотный амплитудный шум (Справочник по радиолокации. Пер. с англ. М. Сов. радио, 1976, т. 1, с. 400). Изменение ϕ_от на 180^o происходило бы, если ось антенны находилась в каждом направлении 0,2-0,5 с. При времени поворота 4 с изменение ϕ_от на 180^o происходит после 6-10 оборотов антенны, т.е. когда расстояние между ними стало 472-180 м.

На фиг. 4 изображена диаграмма вероятностей столкновения судов с таким РЛС. По курсу скорость сближения и вероятность столкновения в 10-100 раз больше, чем в других направлениях. При малых дальностях обнаружения радиолокационное наблюдение по курсу не должно прекращаться ни при каких обстоятельствах. При круговом и секторных обзорах имеются промежутки, когда в направлении по курсу наблюдение не ведется даже при плохой зрительной видимости.

Известно устройство, обладающее самой высокой разрешающей способностью при измерении дальности и направления: оптический локатор, описание которого изложено в "Справочнике по радиолокации", т. 4, с. 290. Расстояние определяется измерением интервала времени между моментом генерации импульса и моментом обнаружения отраженного сигнала с помощью счетчика. При этом длительность импульса и угол направленности излучения весьма малые, а используемая полоса частот широкая. Недостатками оптического локатора являются большое время поиска и уменьшение дальности обнаружения объектов во время тумана, смога, дождя в запыленной и задымленной атмосфере.

Известно устройство, осуществляющее непрерывное во времени наблюдение и измерение расстояния до поверхности земли высотомер непрерывного излучения частотно-модулированных колебаний (прототип). Его описание изложено в кн. Радиотехнические системы, с. 344-354. Высотомер (рис. 16.1 этой книги) состоит из последовательно соединенных частотного модулятора, высокочастотного передатчика, передающей антенны, последовательно соединенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, усилителя напряжения биений, частотомера, индикатора дальности, второй выход высокочастотного передатчика соединен с вторым входом смесителя.

Высотомер работает следующим образом.

Частотным модулятором создают треугольное напряжение, которое подают в высокочастотный передатчик, генерирующий частотно-моулированные колебания. С передатчика колебания направляют в передающую антенну, которой их излучают направленно. Частоту излучаемых колебаний меняют от а затем от f_max до f_min и т.д. Незначительную часть мощности передатчика направляют в смеситель. На второй вход смесителя подают отраженные сигналы. Они меняются также по треугольному закону, но приходят к смесителю позже излученных на время t_то 2Д/C, где Д дальность (высота), C 3·10⁸ м/с. Поэтому на выходе смесителя возникают биения частот F_б f_из f_от f_от f_из. Величина F_б пропорциональна Д. Колебания частот F_б усиливают. Сигнал с выхода усилителя напряжения биений подают в частотомер, калиброванный в единицах дальности, и регистрируют в индикаторе.

Недостатком высотомера является то, что если его применить для поиска объектов в горизонтальной плоскости на малых дальностях в направлениях наибольших скоростей сближения и вероятностей столкновения, он не определяет, где появился встречный объект: по курсу или в удалении от него. При малых дальностях обнаружения (ориентировочно до 2000 м), когда до столкновения несколько минут, начало гашения инерции движения, выбор правильного поворота, если это необходимо, должны быть осуществлены без потери времени. При стесненных условиях движения малые дальности обнаружения создаются не из-за недостаточной мощности излучения, а конфигурацией берега, извилистостью пути, препятствиями полету: здания, возвышенности, провода, деревья, гористая местность. Наибольшее количество аварий происходит при таких условиях движения.

Целью изобретения является повышение безопасности движения.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно введены передающая антенна равносигнальной зоны, вход которой соединен с входом передающей антенны, громкоговоритель, вход которого подключен к выходу усилителя напряжения биений, к выходу усилителя напряжения биений подключены последовательно соединенные преобразователь период-цифра, табло, дополнительно введен второй канал приема непрерывных частотно-модулированных колебаний равносигнальной зоны, ориентированной по направлению курса движения, состоящий из последовательно соединенных второй приемной антенны, второго усилителя высокой частоты, второго смесителя, второго усилителя напряжения биений, второго громкоговорителя, к выходу второго усилителя напряжения биений подключены последовательно соединенные второй преобразователь период-цифра, второе табло, второй выход высокочастотного передатчика соединен с вторым входом второго смесителя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема изобретения; на фиг. 2 - суммарная диаграмма направленности излучения и приема двух антенн с равносигналной зоной; на фиг. 3 изменения частоты во времени: f_из - излученных, f_от отраженных колебаний; на фиг. 4 диаграмма вероятностей столкновений в зависимости от направления движения при применении радиолокатора кругового обзора одинаковых периодов излучаемых колебаний.

Предлагается на морских судах и летательных аппаратах применить действующие радиолокаторы кругового обзора, дополнительно к ним применить устройство безопасности движения (фиг. 1). Радиолокатор кругового обзора на большегрузных автомобилях нецелесообразен. Устройство безопасности движения (фиг. 1) является дополнительным к зрительному наблюдению. Предлагаемое устройство состоит (фиг. 1) из последовательно соединенных частотного модулятора 1, высокочастотного передатчика 2, передающей антенны 3, к входу передающей антенны подключен вход дополнительной передающей антенны 4 равносигнальной зоны, последовательно соединенных приемной антенны 5, усилителя высокой частоты 6, смесителя 7, усилителя напряжения биений 8, громкоговорителя 9, к выходу усилителя напряжения биений подключены последовательно соединенные преобразователь период-цифра 10, табло 11. Устройство также состоит из последовательно соединенных во втором канале приема равносигнальной зоны второй приемной антенны 12, второго усилителя высокой частоты 13, второго смесителя 14, второго усилителя напряжения биений 15, второго громкоговорителя 16, к выходу второго усилителя напряжений биений подключены последовательно соединенные второй преобразователь период-цифра 17, второе табло 18. Второй выход высокочастотного передатчика соединен с вторыми входами первого и второго смесителей.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Оно обнаруживает объекты в секторе угла 36^o, ось которого совпадает с направлением курса движения на дальностях от 20 до 2000 м. Измеряет дальность до объекта, преимущественно до того, который движется наиболее опасным для столкновения встречным курсом. Звуковым сигналом концентрирует внимание командира о появлении объекта в секторе 36^o. При появлении на обоих световых табло одинаковых цифр дальностей определяют, что объект расположен в наиболее опасном направлении (по курсу движения). При помощи частотного модулятора 1 создают напряжение, изменяющееся по треугольному закону, и направляют его в высокочастотный передатчик 2. Генерируют колебания передатчиком, частоты которых меняют по треугольному закону и направляют их в антенны 3 и 4, которые излучают (f_из, фиг. 3) направленно. В горизонтальной плоскости угол направленности каждой антенны 20^o, суммарный угол направленности излучения двух антенн 36^o, угол перекрытия антенн равносигнальной зоны 4^o. В заявленном устройстве большегрузных автомобилей эти углы более узкие. Колебания антенн 3 и 4 излучают в фазе и направляют по курсу движения. В направлении равносигнальной зоны ±2^o амплитуда сигнала значительно больше, чем в углах от 2 до 20^o. Такое излучение является согласованным с диаграммой вероятностей столкновений (фиг. 4). Наибольшие дальности обнаружения получают в направлениях максимальных вероятностей навигационных аварий (наибольших скоростей сближения). В этих направлениях наблюдение непрерывное. Малую мощность высокочастотного передатчика направляют в смесители 7 и 14.

Приемные антенны 5 и 12 имеют такие же диаграммы направленности, как антенны 3 и 4. Отраженные сигналы (f_от, фиг. 3) с приемных антенн направляют в блоки 6 и 13, при помощи которых их усиливают по высокой частоте и направляют в смесители 7 и 14. На выход смесителей возникают колебания частот биений F_б=f_из-f_от=f_от-f_из. Изменения частоты f_из делают такими, при которых F_б в пределах заданных дальностей приобретает одно из значений от 500 до 3000 Гц. При суммировании колебаний разных частот происходит непрерывный набег разности фаз. За время периода биений (сотые и тысячные доли секунды) сигнал принимает максимальное и минимальное значения, его мощность усредняется. Блоками 8 и 15 фильтруют и усиливают сигналы биений. Громкоговорителями 9 и 16 преобразуют электрические колебания в звуковые. Блоками 10, 11, 17, 18 изображают дальность в цифровом виде на табло, расположенном в малом удалении от командира.

Прием в двух каналах при применении равносигнальной зоны позволяет определить, каким курсом движется объект наиболее опасным для столкновения встречным или другим. Если объект появился по курсу движения, тогда звуковой сигнал и изображение цифр дальностей возникают в обоих каналах (фиг. 2,б). В этом направлении интенсивность сигнала существенно больше. Когда объект появляется в курсовом угле от 2 до 20^o одного из бортов, например в правом, звуковой сигнал и изображение цифр возникают только в канале правого борта.

Положительный эффект заключается в том, что устраняют время поиска объектов, появляющихся на малых дальностях в направлениях набольших вероятностей столкновений. Эти объекты обнаруживают мгновенно, так как время усреднения мощности непрерывных отраженных сигналов частотной модуляции (плавного изменения периодов) сотые доли секунды. Командир принимает сигнал о появлении объекта в направлениях, близких к курсу движения, не отвлекаясь от других обязанностей. Он определяет, каким курсом движется объект наиболее опасным для столкновения встречным курсом или в удалении от него. Все это повышает безопасность движения.

Формула изобретения

Устройство для обеспечения безопасности движения судов, летательных аппаратов и большегрузных автомобилей, содержащее последовательно соединенные частотный модулятор, высокочастотный передатчик, передающую антенну, содержащее первый канал приема непрерывных частотно-модулированных колебаний равносигнальной зоны, выполненный в виде последовательно соединенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, усилителя напряжения биений, второй выход высокочастотного передатчика соединен с вторым входом смесителя, отличающееся тем, что дополнительно введены дополнительная передающая антенна равносигнальной зоны, вход которой соединен с входом передающей антенны, громкоговоритель, вход которого подключен к выходу усилителя напряжения биений, к выходу усилителя напряжения биений подключены последовательно соединенные преобразователь период цифра, табло, дополнительно введен второй канал приема непрерывных частотно-модулированных колебаний равносигнальной зоны, ориентированный по направлению курса движения, состоящий из последовательно соединенных второй приемной антенны, второго усилителя высокой частоты, второго смесителя, второго усилителя напряжения биений, второго громкоговорителя, к выходу второго усилителя напряжения биений подключены последовательно соединенные второй преобразователь период цифра, второе табло, второй выход высокочастотного передатчика соединен с вторым входом второго смесителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4