Журнал «Юный техник»: Юный техник, 2015 № 07

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

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

Ее удобно преобразовать для быстрых расчетов. Поскольку c/ f o= λ, F= 2 V/ 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 электронной концентрации неизбежно приводят к изменению коэффициента отражения, и даже места, от которого отражается сигнал. Из-за этого быстро изменяется как амплитуда, так и фаза отраженного сигнала. В результате вместо чистого синусоидального сигнала, посылаемого к ионосфере, мы получаем сложный псевдошумовой сигнал с размытым спектром.

Решение проблемы стабильности частотыпредложено автором и состоит в использовании несущих частот радиостанций. Они расположены в соответствии со строгой сеткой вещания х5 кГц, и их частота по ГОСТу должна устанавливаться с точностью не хуже 10 Гц. Стабильность частоты радиовещательных KB-станций лучше 10 -8, что означает уходы менее 1 Гц на 100 МГц! Следовательно, дрейф частоты принимаемого сигнала на частотах 2…30 МГц может составлять от 0,02 до 0,3 Гц в худшем случае. Доплеровское смещение, вызываемое движением ионосферы, даже на одном скачке может быть намного больше. Итак, эталоны частоты уже есть в эфире!

«Спектран» можно программно настроить на частоту биений между несущими радиостанций 5 или 10 кГц. Частота выборок должна быть, по крайней мере, вдвое выше частоты биений. В «Спектране» есть частоты выборок 11025 и 22050 Гц. Максимальное разрешение при этом 0,042 и 0,084 Гц. Как показала практика, сетка частот радиовещательных станций на КВ с шагом 5 кГц соблюдается не слишком строго, и приходилось наблюдать частоты биений от 4950 до 5050 Гц или от 9900 до 10100 Гц.

Приемник должен иметь полосу пропускания не менее 5 кГц, а настраивать его надо примерно посередине между несущими частотами станций или с некоторым сдвигом настройки в сторону более слабой станции. Телеграфный гетеродин в приемнике вообще не нужен — для выделения биений включают режим AM. Теперь стабильность его гетеродина не имеет значения, ведь частота биений определяется исключительно частотами двух соседних радиостанций.

Словом, для ионосферных исследований годятся любые дешевые приемники, включая китайские «мыльницы» с веревочным верньером. А уж описанные в нашем журнале детекторные и простые транзисторные приемники, обладая невысокой избирательностью, подходят как нельзя лучше!

Конечно, желательно, чтобы одна из станций была местной, тогда ее сигнал будет чистым и не искаженным ионосферой. К сожалению, такое бывает редко. В случае же двух дальних станций «Спектран» зарегистрирует суммарный доплеровский сдвиг обоих сигналов и суммарное уширение их спектров. Сигналы ведь приходят из разных мест разными путями, и ионосферные возмущения мы наверняка увидим.