什么是遥测?

[拼音]：yaoce

[外文]：telemetering

在远离被测对象的地点获取有关被测对象的参量的测量技术。例如，将飞行中火箭的温度、压力等多种参量利用无线电技术传送到地面，并在控制中心显示其数据值，就属于遥测技术。完成这种测量功能的整个系统，称为遥测系统。利用仪器仪表进行测量，是人们获取有关被测对象信息的重要手段。在许多场合，人们难以接近被测对象。这可能由于远而分散，或所处环境恶劣而不安全，或处于高速运动状态。这时，就需要应用遥测技术来获取被测对象的有关信息。因此，遥测技术在国民经济、科学研究和军事等方面得到广泛的应用。采用遥测技术，可以提高自动化水平，提高劳动生产率，缩短研究试验周期，改善劳动条件和提高管理调度质量。

遥测包括三个基本过程：

（1）将需要测量的变量或参数转变成适于远距离传输的信号，完成这一功能的主要设备是传感器；

（2）将遥测信号(通常同时有许多路信号)通过预先准备好的信道传送到远处的接收观察地点。传送媒质可以是光、声、电（包括利用导线和无线电波）、磁等；

（3）在接收地点对遥测数据进行记录、处理、显示，按观测者的要求形成最终的数据或图形。实用的遥测系统习惯上常按数据传输的方式来分类，如有线遥测系统、无线遥测系统等。现代先进的遥测系统，如航空、航天遥测系统，大多是无线电遥测系统。

20世纪初，无线电遥测开始用于从探空气球传送气象信息给地面观测站。到30年代，无线电遥测用于有人驾驶飞机和无人驾驶飞机的试飞，检查飞机飞行中的性能。第二次世界大战期间和战后年代，由于军事需要，调频-调频、脉幅调制和脉宽调制等模拟体制的遥测系统相继问世。1954年，脉冲编码调制遥测系统研制成功，遥测技术步入数字化时代。1957年，苏、美两国相继发射了人造地球卫星。由于航空、航天技术和武器系统飞速发展的需要，在半导体集成电路工艺和计算机技术发展的推动下，建立在现代通信理论基础之上的航空、航天遥测系统，成为遥测技术领域中最先进的部分。航空、航天遥测系统的新技术，很快被推广到工业和民用部门。

图1为典型的遥测系统的简化框图。被测对象的若干待测参量，经过相应的传感器变换成适于传输的信号，通常是电压或电流。多路复用装置将各路遥测信号按一定的组合方式集合到一起，以便沿单一的信道传送。多路复用装置输出的群信号沿传输信道传送到远离被测对象的观察点。在航空和航天无线电遥测系统中，传输信道通常由发送端的调制器、发射机、发射天线以及接收端的接收天线、接收机和解调器等组成。在最简单的有线电遥测系统中，一根导线即可作为信道。信道输出的群信号由分路装置区分出各路遥测信号，最后经数据处理设备（一般以电子计算机为主体）处理并在显示终端显示出测量结果，或将测量结果送到被测对象的监控中心作为反馈控制信息使用。

遥测系统分类的主要依据是同时传输多路信号的方法，即图1中多路复用设备所依据的方法。现代常用的有频分制遥测系统和时分制遥测系统两类。图2a是频分制遥测系统的简化方框图。N路传感器输出的信号分别对N个副载波振荡器输出的正弦波进行调制。调制方式可以是调幅、调频或调相。副载波振荡器的频率都远远高于被测信号的频率。各路副载波频率彼此相距足够远，使线性相加后各路频谱互不交叠。这样，在接收端的各分路滤波器就能选择出对应的各路副载波信号。图2b是频分制遥测系统的信号频谱分配示意图。

调频系统的抗干扰性能好，设备简单可靠，所以在频分制遥测系统中最常用的是调频－调频遥测系统。在这种系统的发送端副载波的调制方式是调频，对发射机的调制也是调频。调频－调频遥测系统适合于传输频率较高的参量，如振动、冲击等，但测量精度受到模拟电路（副载波振荡器、相加器、调制器、解调器等）的稳定性的影响，同时也受到非线性产生的交叉干扰的限制。交叉干扰不仅限制精度，而且也限制频分制遥测系统的多路传输能力。在实际使用的调频-调频遥测系统中，很少能同时测量20路以上的参量。要增加测量路数就得应用时分制遥测系统。

图3a是时分制遥测系统的简化方框图。为了便于说明，图中左边画出一个机械旋转式的时分开关，而实际的时分开关几乎都是半导体线路。时分开关依次接通每一个输入信号。这个过程称为信号采样。图3b表示时分开关输出的信号序列，即采样信号序列。时分开关旋转一周相当于对每个信号采样一次，其周期为T。T的倒数称为采样率Fs，即Fs=1/T。采样定理证明，一个最高频率为fm的连续信号，能够用采样率为2fm的离散信号即采样信号来表示。在实际应用中，为了便于恢复原始信号，一般取采样率为信号最高频率的3～5倍。例如，当信号最高频率为10赫时，采样率可取每秒50次。

通过时分开关采样后形成的脉冲序列的幅值，正比于原始信号在采样时刻的幅值。因此，这样的采样过程称为脉冲幅度调制(PAM)。若时分制遥测系统的第二级调制为调频，则图3是一个脉冲幅度调制-调频遥测系统。这是一种常用的最基本的遥测系统。这种系统可以同时传送几十路以至几百路遥测信号。如果将脉冲幅度调制信号进一步变换，可以得到脉冲宽度调制、脉冲位置调制和脉冲编码调制。

脉冲编码调制是将信号的每一个采样值用一组代表二进制数字的脉冲串来表示。这个系统的第二次调制可以是频率键控、相移键控或幅度键控，从而形成脉冲编码调制-频率键控、脉冲编码调制-相移键控和脉冲编码调制－幅度键控系统。脉冲编码调制属于数字化遥测系统。它的理论依据来自数字通信，是广泛采用的现代遥测系统。随着大规模集成电路工艺、计算机技术和通信理论的发展，编码遥测系统日益显示出其优点。这种系统通信效率高、精度好、可靠性高、使用灵活，还便于数据处理、数据存储和数据调用。

在时分制遥测系统中，接收端的时分开关必须与发送端保持同步工作。这样，才能正确地区分各路信号。因此，在时分系统的接收端，同步信号提取装置是必不可少的。提取同步信号常常要应用相位锁定技术。

频分制和时分制遥测系统采用不同的信号划分方法。信号划分的理论表明，频分制传送信号是借助于频率不同的正弦函数；时分制传送信号是借助于接通时间彼此错开的开关函数。它们分别是在频率域上或时间域上的正交函数。如果采用别的正交函数，如沃尔什函数或正交码，也能相应地形成序率分割或编码分割遥测系统。

在工程应用中，设计或选择遥测系统通常要考虑几个因素：

（1）从遥测数据传输的角度来看，遥测系统实际上是一种通信系统。在选择调制和解调、编码和译码方式时应充分考虑到通信效率，充分利用信道的能力有效而又可靠地传输遥测信息，功率和带宽的占用要尽可能小。这方面经常是以通信理论作为指导。

（2）噪声、各路信号之间的相互干扰和信号本身的失真，是影响测量精度的主要原因。系统应有良好的抑制噪声和抗干扰的能力，并使信号失真很小。选用低噪声的接收设备，提高电路的线性和稳定性，采取必要的校准、均衡和补偿措施等，都是提高测量精度的有效方法。

（3）遥测设备往往安放在环境条件非常恶劣的地方，而且经常要求长时间不间断地工作，提高设备在使用条件下的可靠性和寿命是一项基本任务。因此，元件、器件和材料的选择、结构、装配工艺以及防护手段，都以保证可靠工作为前提条件。

（4）遥测系统对测量任务要有良好的适应能力，这包括系统的灵活性和实时性。灵活性指的是系统对测量任务变动时的快速反应能力；实时性指的是遥测数据处理、存储、显示和传送的快速性。当遥测数据作为自动控制系统(包括航天系统和工业系统)的反馈信息时，实时性尤为重要。以计算机为核心，充分利用数字技术，配以遥测专用的软件系统，是实现遥测系统灵活性和实时性的关键。此外，须考虑成本、复杂性和可维修性等因素。

现代遥测系统由于广泛应用自动跟踪天线、计算机等先进技术，越来越显示出技术上的综合性。通信、仪器仪表、集成电路、计算机、雷达与自动控制等科学技术的发展，推动了遥测技术的发展。然而，从理论方面看，信息论和控制论仍然是遥测系统的理论基础。

参考书目

Elliot L.Gruenberg， Handbook of Telemetry and Remote Control， McGraw-Hill Co.，New York，1967.