无线电遥测

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无线电遥测技术是近几十年发展起来的一门学科,它是无线电通信的一部分,也是运动学中的一个分支。按使用对象来分,遥测可以分成工业遥测及无线电遥测。工业遥测通常是利用有线电通信方法把各种工业生产设备的工作状态数据传送给控制中心的计算机,或调度站的调度员以便于生产的集中管理,因而工业遥测基本上是有线遥测。无线电遥测是用于各种飞行物体的,如飞机、火箭、导弹、人造卫星及宇宙飞船等。利用无线电通信方法把这些飞行物体的运行参数及其周围环境的参数,传送到地面给人或数据处理设备。这两类遥测在目的上有些类似,但实现的方法有很大的不同。

无线电遥测最初用于探空火箭,作测量高空环境等科学研究之用,以后很快转向军事目的,用于火箭及导弹的研制。

近十年来,无线电遥测的另一应用领域是用在人造卫星及宇宙飞船中,在宇宙飞行中需要用遥测方法来测量卫星在高空飞行时内部电子设备工作情况,卫星飞行状态的数据,控测外层空间的微流星数目,各种高能及低能粒子的辐射强度,磁场强度以及高空云层图象、地球表面图象、各种星球表面图象等。此外,当宇宙飞船中载有人及生物时,也要把高空环境对人及生物的影响,以及高空飞行中生物实际情况及时传送到地面,便于科学实验。上述这些数据不但传送路数很多而且很复杂。早期的卫星数据传送只有三、四路,近几年发射的气象卫星等需要传送下来的数据增加到五、六百路。

这样多的数据,离地面又这样远,用什么方法才能把这些数据传送到地面,并保证一定的精确度呢?这就是遥测技术所要解决的问题。

大家知道,用测量仪表,测量各式各样的数据,这些被测量的数据都转换成电信号的形式(电压或电流)。这些电信号若用导线传送,因导线的衰减及周围的干扰,传送距离是很难达到较远距离的,而且以线路用普通方法传送上述信号,一对导线只能传送一路信号。因此,无线电遥测要解决的两个根本问题,一是用什么办法对被传送信号进行变换及处理,使周围的干扰及通信道的衰减影响最小,增加传送距离。这就是对信号采用什么调制制度问题。另一个问题就是用什么方法可以使一个无线电通信道能传送多路信号,增加通信道的效率。这就是信号通道的划分方法问题。随所采用的不同调制制度,不同的通道划分方法以及两者的不同组合,在无线电遥测发展过程中,曾用过的系统是很多的,但到目前为止,广泛采用的遥测系统,只有三种:即调频—调频(FM—FM)系统,脉辐调制—调频(PAM—FM)系统,脉码调制—调频(PCM—FM)系统。

图1
图1 🔍原图 (1117×434)
图2
图2 🔍原图 (1394×692)

多路数据远距离传送的遥测系统,就其工作功能来分,包括以下几个部分(见图1,2):即传感器、遥测发送机、超高频发射机、超高频接收机、遥测接收机及数据处理六个部分。传感器,也称为变送器,由它把各种电量或非电量的测量数据转换成为电压或电流的变化输出,再由遥测发送机,给以一定的调制,增加信号抗衰减及抗干扰的能力便于远距离传送;另外还把信号按一定方式组合,以便单一通道传送多路信号。遥测发送机输出的信号,送入超高频发射机,使之载驮在便于天线辐射的载波上。在接收端经过解调后,恢复成为原来由遥测发送机输出的信号。超高频接收机的输出送入遥测接收机,进行处理,把收到的综合信号进行噪声过滤、校正、波形切割,增加信号精度;并把综合的输入信号进行分路,再采取过滤等手段,恢复出每路信号的原来连续形式。最后由数据处理设备,将收到的信号进行存储、挑选、运算整理、打印,绘出曲线,或用仪表显示出来。

由于篇幅的限制这里只重点介绍一下遥测系统的几种主要形式及工作原理。

图3
图3 🔍原图 (909×865)

最早应用的是频分制遥测系统,它的结构原理见图3。这种系统的核心,在发送机方面是“副载波调频振荡器”;在接收机方面是“鉴频器”。各传感器输出的电信号用来调制副载波振荡器的中心频率,使之产生一定的频偏。各路副载波的输出信号在相加器中混合放大后即送去调制超高频发射机的中心频率,所以也称为“调频—调频制”(FM—FM制)。带有消息的信号经调制后载驮在超高频载波中,由天线辐射出去。地面接收站天线搜捕到的信号,经超高频接收机放大、解调后,经过带通滤波器过滤,即把混合信号一路一路分离出来,分别送入相应的鉴频器,把频偏转换成电压幅度的变化,再通过低通滤波器滤去高频分量,即得出同传感器输出成比例的电压形式的连续信号,最后由指针仪表显示或由记录装置记录并绘制成曲线。

FM—FM制遥测系统的主要优点是抵抗噪声干扰的能力比调幅制强;其次由于采用通道频率划分法,各路信号在时间上是并连传送,互相影响小,便于传送快速变化的信号。缺点是能传送信号路数的能力有限,实用的很少超过10路。

在无线电遥测发展史上,继FM—FM制遥测系统之后得到广泛使用的系统,为脉幅调制—调频—调频(PAM—FM—FM)系统,或简称PAM制。这种系统在调制上同FM—FM制一样,采用调频制;在通道划分方法上则正好相反,各路信号按一定时间顺序周期地循环传送,每路信号都占据同样的带宽。这种系统的原理结构见图4。在遥测发送机方面的核心部份是机械或电子式的时间划分开关。它将各传感器输出的连续信号在某特定瞬间周期地取样,排列成一固定次序的脉冲序列,送入超高频发射机振荡器中转换成频偏的变化,最后由天线发射出去。在接收端,遥测信号经过鉴频器解调后;由分路时分开关将综合的信号取样,并一路一路分开。原来发送出的信号脉冲是有间隔的,需经过取样保持及平滑电路,连接起来并加以平整,以恢复出原来的连续形式的信号、然后即可用仪表显示或用记录设备绘出连续的曲线。为了使收发两端的时间划分开关能完全准确地工作,在发送、接收设备中,都置有同步设备(图中未绘出),并且在信号脉冲序列中还配以同步脉冲。

图4
图4 🔍原图 (731×603)

PAM制遥测系统有几个主要的优点:首先,传送信息的路数容量比频分制大大增加,可以由几十路到几百路,而且体积及耗电都较小。其次,每路通道的频带宽,很容易任意改变。这种系统的主要缺点是由于有许多模拟量的转换环节,精度提不高,信号的存储比较困难;抗干扰能力也不是最好的;另外,地面的接收分路设备比频分制复杂。

近几年得到广泛采用的系统为脉码遥测系统(PCM制)。它也是时间划分制遥测系统的一种。它的主要特点是继承了PAM遥测系统的优点,但除去了PAM系统的缺点,精度和抗干扰能力都大为提高。

PCM系统同PAM系统在发送部份的主要区别,为在时分开关的后面加入一个“编码器”(见图5),也称为“模数转换器”,它把表征信号大小的脉冲幅度转换成一组二元脉冲码(二进制码),脉码由两个电平代表,表示“O”及“1”两个符号。所有信号码先排成串联形式,送入超高频发射机调制后传送出去。同时分制相似,在PCM制中,时间划分开关的准确工作也是靠收、发两端的同步设备控制的。

图5
图5 🔍原图 (791×683)

脉码信号在传送及接收过程中,因用断续形式传送,只要能识别出“O”及“1”两个电平即可,因而接收端可靠接收要求的信噪比很低。超高频接收机恢复出来的码脉冲序列即送入PCM接收机中去处理。首先是将信号恢复,将串联形式的码转换成以“字”为单位的并联码。这种码一方面可记入磁带记录设备储存,以便事后进行数据处理;也可送入“数一模转换器”将二进制脉冲码变成模拟量,再利用时分开关把并联码按“字”分开,最后用数字仪表或电表显示出来。

以上所述仅是几个主要遥测系统的基本组成部分和简单工作原理,实际结构和工作当然要比这里介绍的复杂得多。无线电遥测技术,现在还正处于它的青年时期,有着宽广的发展前途,随着生产发展及科学实验的需要,新的遥测系统正不断出现,这里就不一一介绍了。(姜昌)