Юный техник, 2015 № 07 [Журнал «Юный техник»] (fb2) читать постранично, страница - 24

итальянскими радиолюбителями с позывными I2PHD и IK2CZL, предназначена для исследования спектров звуковых сигналов, наблюдения слабых сигналов в шуме и т. д. Она распространяется бесплатно и доступна на многих радиолюбительских сайтах в сети Интернет. Ее часто используют для визуального приема телеграфных сигналов. Вот пример записи сигнала авиационного маяка на средних волнах (СВ).

Скриншот с экрана программы «Спектран».

Спектр тонального сигнала маяка.

Сигнал маяка тональный, с частотой 1000 Гц. После длительной посылки маяк дважды передает букву W, и затем цикл повторяется. Для удобства чтения телеграфа «водопад» запускают по горизонтали и подбирают скорость «протяжки». Этот сигнал чистый, сильный и неискаженный, поскольку маяк находился близко и принимался земной волной.

Иное дело при приеме дальних станций на коротких волнах (КВ). Сигнал приходит после одного, а то и нескольких отражений от ионосферы, иногда даже двумя-тремя лучами. Ионосфера, как правило, состоит из нескольких отражающих слоев, концентрация электронов (которая, собственно, и определяет отражающую способность) в них сильно изменяется ото дня к ночи, зависит от времени года, солнечной активности и многих других факторов. Хотя газ в ионосфере очень разрежен, там дуют ветры со скоростями до многих сотен метров в секунду. Одним словом, «погода» в ионосфере еще изменчивее, чем на поверхности Земли.

Эффект Доплера состоит в изменении частоты сигнала, принимаемого от движущегося объекта. Всем знакомо повышение тона гудка приближающегося поезда, и понижение — удаляющегося. Частота ударов волн о днище моторной лодки повышается, если идти навстречу волне. Эффект этот проявляется с волнами любой природы, в том числе и электромагнитными. Первый радиолокатор, созданный в нашей стране под руководством П.К. Ощепкова еще в 1934 году, работал на эффекте Доплера.

Передатчик метровых волн (УКВ) был установлен на крыше здания, где размещалась лаборатория, на нынешней улице Радио в Москве. Он излучал в восточном направлении. Приемник был вынесен примерно на 10 км вперед, в Новогиреево, тогда ближнее Подмосковье (любопытно заметить, что в первом месте я сейчас работаю, а во втором — живу). С аэродрома в Монино поднимали самолет, летавший к Москве и обратно. На вход приемника поступали два сигнала: прямой от передатчика и отраженный от самолета. Поскольку частота отраженного сигнала была сдвинута из-за движения, в приемнике возникали биения низкого тона, слышимые в телефонах. Испытания прошли успешно, но до широкого использования этого радара в войсках дело тогда не дошло.

Формула для доплеровского сдвига частоты F при отражении от движущегося объекта проста:

F = 2Vfo/c, где V — радиальная скорость объекта, fo — частота передатчика, с — скорость распространения радиоволн, равная скорости света.

Ее удобно преобразовать для быстрых расчетов. Поскольку c/fo = λ, F = 2V/λ. Итак, доплеровский сдвиг частоты равен числу полу

волн, проходимых объектом за секунду в радиальном направлении (к передатчику или от него). Когда объект находится на траверсе приемопередатчика и расстояние до него не изменяется (радиальная скорость нулевая), доплеровского сдвига частоты нет, то есть F = 0.

Сейчас доплеровские РЛС широко использует дорожная полиция для контроля скорости автомобилей. Луч ручного радара (спид-гана) направляют вдоль шоссе, следя за приближающимися или удаляющимися автомобилями. Несложно сосчитать, что при длине волны

3 см и скорости автомобиля 30 м/с (108 км/ч) доплеровский сдвиг составит 2 кГц. Схема радара крайне проста: он содержит генератор, смеситель, УНЧ, частотомер и, конечно, направленную антенну. На смеситель поступает часть сигнала передатчика и его отражение от автомобиля. На выходе смесителя выделяется низкочастотный сигнал биений, частота которого зависит от скорости автомобиля.

Схема изменения доплеровского сдвига частоты.

Именно этот эффект используют для исследования ионосферы. Подъем или опускание отражающего слоя должны приводить, соответственно, к понижению или повышению частоты принятого сигнала, по которым легко вычислить скорость движения слоя. Однако, поскольку двигаться слои могут очень медленно, доплеровский сдвиг может измеряться долями, в лучшем случае единицами герц.

Измерить такой сдвиг несложно ионозонду, когда передатчик и приемник рядом (как в спид-гане), но оказывается проблемой при приеме удаленных станций. Все дело в стабильности и точности установки частоты как радиостанции, так и гетеродинов приемника.

Однако ионосфера — это турбулентная среда, в которой возникают не только медленные изменения, но и вихри, и прочие крупно- и мелкомасштабные неоднородности.

Флуктуации