Устройство для измерения фазы радиосигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения фазы радиосигнала, например в геофизических исследованиях. Цель изобретения - повышение точности измерения фазы радиосигнала за счет исключения перекрестных помех. Устройство состоит из измерительного блока и ретранслятора, каждый из которых содержит опорный генератор, решающий блок, синтезатор частот, усилитель мощности, антенну, антенный переключатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, усилитель-ограничитель, фазовый детектор и коммутатор-формирователь. Кроме того, ретранслятор содержит фазовращатель. При приеме сигналов в ретрансляторе измеряют сдвиги фаз относительно опорного сигнала, а при передаче фазовращатель ретранслятора вводит в сигналы измеренные сдвиги. В результате ретранслятор излучает сигналы в тех же фазах, которые имели принимаемые сигналы. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения фазы радиосигнала в геофизических исследованиях. Цель изобретения - повышение точности измерения фазы радиосигнала за счет исключения перекрестных помех. На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.3 приведена структурная схема фазового детектора; на фиг.4 приведен формирователь импульсов, вариант выполнения; на фиг.5 - структурная схема решающего блока. Устройство содержит измерительный блок 1, состоящий из последовательно соединенных усилителя мощности 2, антенного переключателя 3, смесителя 4, усилителя 5 промежуточной частоты, усилителя-ограничителя 6, фазового детектора 7, решающего блока 8, синтезатора частот 9, опорного генератора 10, коммутатора-формирователя 11, антенны 12. Ретранслятор 13 содержит последовательно соединенные фазовращатель 14, усилитель мощности 15, антенный переключатель 16, смеситель 17, усилитель промежуточной частоты 18, усилитель-ограничитель 19, фазовый детектор 20, решающий блок 21, синтезатор частот 22, опорный генератор 23, коммутатор-формирователь 24, антенну 25. Фазовый детектор 7 (20) содержит (фиг.3), элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26, счетчик 27, регистр 28, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29, счетчик 30, регистр 31, генератор 32 импульсов, элемент совпадения 33, формирователь 34 импульсов, формирователь 35 ортогонального сигнала. Формирователь 34 импульсов (фиг.4) содержит последовательно соединенные формирователь 36, первый элемент задержки 37, второй элемент задержки 38, третий элемент задержки 39, элемент ИЛИ 40. Решающий блок 8 (21) содержит микропроцессорный модуль 41, шина адреса которого соединена с адресными входами постоянного запоминающего элемента 42, оперативного запоминающего элемента 43 и входами дешифраторов 44, 45, выходы которых соединены с управляющими входами запоминающих элементов 42 и 43, управляющие выходы микропроцессорного модуля 41 "Чтение", "Запись" соединены с входами управления постоянного 42 и оперативного 43 запоминающих элементов соответственно, информационные входы - выходы микропроцессорного модуля 41 соединены с выходами постоянного запоминающего элемента 42, с информационными входами - выходами оперативного запоминающего элемента 43, с входами регистров 46-50, выходы дешифратора 44 соединены через элементы И 51-55 с входами управления регистров 46-50. Устройство работает следующим образом. Опорные генераторы 10, 23 вырабатывают непрерывные гармонические сигналы частотой f_пр, которые поступают на коммутаторы-формирователи 11, 24 и синтезаторы частот 9, 22. Синтезаторы частот 9 и 22 вырабатывают для излучения опорный сигнал частотой f₀ и несколько вспомогательных сигналов с частотами f₁, f₂...f_i, кроме того, в синтезаторах частот 9 и 22 формируются сигналы гетеродина для смесителей 4 и 17 с частотами f_0г, f_1г, f_2г...,..., f_iг, при этом управление частотой излучаемых (принимаемых) сигналов осуществляется решающим блоком 8, причем f₀ - f_0г= f_пр, f₁- f_1н = f_пр, f₂ - f_2г = f_пр, f_i - f_iп = f_пр, где f_пр - промежуточная частота, выделяемая усилителями 5, 18, на которой осуществляется измерение фазы принятых усилителями сигналов. Коммутаторы - формирователи 11, 24 вырабатывают сигналы управления для усилителей 2 (фиг.2а) переключателя 3 и детектора 7 (фиг.2б), переключателя 16 и детектора 20 (фиг.2В), усилителя 15 (фиг.2г). Временные диаграммы (фиг.2) приведены для установившегося рабочего режима устройства, когда временные интервалы излучения и приема сигналов измерительного блока 1 синхронизированы с соответствующими интервалами ретранслятора 13. Здесь Т_ц - временной цикл работы устройства; t - интервал излучения (приема) опорного сигнала частотой f₀; 2t - интервал излучения (приема) вспомогательных сигналов с частотами f₁; t_п - длительность паузы. В усилителе мощности 2 осуществляется усиление сигналов от синтезатора частот 9 до необходимой величины и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя 11 (фиг.2а). Радиомпульсный сигнал от усилителя мощности 2, пройдя через антенный переключатель 2, излучается в пространство приемо-передающей антенной 12 (фиг.2д). Сигнал, излучаемый в пространство измерительным блоком 1 в течение времени Т_ц, пройдя через среду распространения, принимается приемо-передающей антенной 25 ретранслятора 13 и через антенный переключатель 16 поступает на вход смесителя 17. На второй вход смесителя 17 подаются сигналы от синтезатора частот 22 с частотами f_0г, f_1г, f_2г, f_1г (фиг.2в). В смесителе 17 осуществляется преобразование принимаемого сигнала на частоту f_пр (причем f₀ - f_0г = f_пр, f₁ - f_1г = f_пр и т.д.), в усилителе промежуточной частоты 18 сигналы частотой f_пр фильтруются и усиливаются, а затем нормируются по амплитуде в усилителе-ограничителе 19 и поступают на фазовый детектор 20. В фазовом детекторе 20 под воздействием управляющих сигналов (фиг.2в) осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги ϕ₀₁,ϕ₀₂...,ϕ_oi,ϕ_oi^I опорных сигналов частоты f_o (фиг.2в) и фазовые сдвиги ϕ₁,ϕ₂...ϕ_iвспомогательных сигналов частотами f₁, f₂,...,f_i. Информация с фазового детектора 20 поступает в решающий блок 21, в котором в течение интервалов t_n вычисляются фазовые соотношения; = ;... (1) ϕ₁^I-ϕ₁=Δϕ₁;ϕ₂^I-ϕ₂=Δϕ₂;...ϕ_i^I-ϕ_i=Δϕ_i.(2) Полученные значения фазы Δϕ₁,Δϕ₂...Δϕ_i запоминаются в решающем блоке 21. В течение интервале Т_р получаются в пространство сигналы от ретранслятора 13, при этом управление частотой и фазой излучаемых сигналов осуществляется решающим блоком 21 через синтезатор 22 и фазовращатель 14 соответственно. В моменты времени t, когда ретранслятором 13 излучаются в пространство основные сигналы частотой f₀, фазовращатель 14 решающим блоком 21 установлен в исходное (нулевое) состояние, излучаемые опорные сигналы частотой f₀, имеют фазу сигнала f опорного генератора 23. В течение интервалов 2t, когда ретранслятором 13 излучаются в пространство вспомогательные сигналы частотами f₁, f₂,...,f_i, сигналами управления от решающего блока 21 устанавливаются в фазовращатель 14 фазовые сдвиги Δϕ₁,Δϕ₂...Δϕ_i соответственно. Таким образом, в течение интервала Т_р ретранслятор 13 излучает вспомогательные сигналы, фаза которых равна фазе принятых сигналов в течение интервала Т_ц от измерительного блока 1, а также опорные сигналы, фаза которых равна фазе опорного генератора 23. В усилителе мощности 15 осуществляется усиление сигналов от фазовращателя 14 и формирование выходных радиоимпульсных сигналов под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя 24 (фиг.2г). Радиоимпульсный сигнал от усилителя мощности 15, пройдя через антенный переключатель 16, излучается в пространство приемо-передающей антенной 25 (фиг.2е). Сигнал, излучаемый в пространство ретранслятором 13 в течение времени Т_р, пройдя через среду распространения, принимается приемо-передающей антенной 12 измерительного блока 1 и через антенный переключатель 3 поступает на вход смесителя 4, на второй вход которого подаются сигналы от синтезатора частот 9 с частотами f_0г, f_1г, f_2г..._fiг(фиг.2б). В смесителе 4 осуществляется преобразование принимаемого сигнала на частоту f_пр (причем f₀ - f_0г = f_пр, f₁ - f_1г = f_пр и т.д,), в усилителе 5 промежуточной частоты сигналы частотой f_пр фильтруются и усиливаются, а затем нормируются по амплитуде в усилителе-ограничителе 19 и поступают на фазовый детектор 7. В фазовом детекторе 7 под воздействием управляющих сигналов (фиг.2б) осуществляется измерение фазовых сдвигов принятых сигналов, при этом измеряются фазовые сдвиги Ψ₀₁, Ψ₀₂. . .Ψ_0i,Ψ_0i^I опорных сигналов частоты f₀ (фиг.2б) и фазовые сдвиги Ψ₁,Ψ₂...Ψ_i вспомогательных сигналов частотами f₁- f₂...f_i. Информация с фазового детектора 7 поступает в решающий блок 8, в котором в течение интервалов f_n вычисляются фазовые соотношения = = ... (3) Ψ₁^I-Ψ₁=ΔΨ₁;Ψ₂^I-Ψ₂=ΔΨ₂...Ψ_i^I-Ψ_i=ΔΨ_i.(4) Полученные значения фазовых сдвигов ΔΨ₁,ΔΨ₂...ΔΨ_iзапоминаются в решающем блоке 8, а затем используются в решающем блоке 8 для устранения многозначности фазовых отсчетов. На практике частоты f₀, f₁, f₂...f_iвыбираются таким образом, чтобы выполнялись соотношения f₀ = f₁ = F₁, f₀- f₂ = F₂,... f₀ - f_i = F_i, F₁/F₂ = m₁, F₂/F₂ = m₂,...F_(i-1)/F_i = m_i. Здесь F₁ - частота точной ступени (рабочая частота устройства); F₂, F₃...F_i - частоты грубых ступеней; m₁, m₂...m_i- коэффициенты сопряжения частот. Таким образом, величина фазового сдвига ΔΨ₁ с учетом коррекции при устранении многозначности соответствует сигналу частотой F₁, прошедшему дважды через исследуемую среду, соответствует времени запаздывания радиоволн в точке приема по отношению к моменту их излучения и может использоваться в качестве интерпретационного параметра при геоэлектрических исследованиях методом радиоволнового просвечивания. Кроме того, предложенное устройство можно использовать для точного определения расстояния r между измерительным блоком 1 и ретранслятором 13 при известной скорости распространения радиоволн и измеренной величине ΔΨ₁ по формуле r = , (5) где с - скорость распространения радиоволн. В случае, если опорные генераторы 10 и 23 имеют недостаточную долговременную стабильность частот, в измерительном блоке 1, накапливая информацию в решающем блоке 8 об изменениях фазовых сдвигов ΔΨ , например, для частоты f₀, т.е. Ψ₀₁,Ψ₀₂,...Ψ_0i за один или несколько циклов работы устройства Т_ц, можно определить отклонение Δf частоты опорного генератора 10 от частоты опорного генератора 23 за время наблюдения Δf за отклонением частоты генераторов. Код отклонения частоты опорного генератора 10 Δf поступает от решающего блока 8 на вход управления опорного генератора 10, обеспечивая изменение его выходной частоты и уменьшения Δf до нуля. Формирование двух интервалов излучения (приема) для опорной частоты f₀ относительно каждого интервала излучения (приема) для вспомогательных частот f₁, f₂ и т. д. позволяет повысить точность измерения информационных параметров - фазовых сдвигов принимаемых сигналов при последовательном излучении сигналов во времени и большей скорости движения объекта. Фазовые детекторы 7, 20 целесообразно реализовать на основе ортогональных фазоизмерительных ограниченных сигналов по структурной схеме фиг.3. Прямоугольные импульсы с выхода усилителя-ограничителя 6 или 19 частотой f_пр, подаются на элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26, 29. Формирователь 35 ортогонального сигнала вырабатывает из сигналов опорного генератора 10 или 23 два прямоугольных квадратурных колебания частотой, равной f_пр, первое колебание поступает на элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26, второе, сдвинутое на 90^о относительно первого, на элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29. Элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 и 29 обеспечивают выполнение операций перемещения сигналов с выходов ограничителя и с выходов формирователя 35 ортогонального сигнала. Импульсные последовательности с выходов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 и 29 поступают на управляющие входы счетчиков 27 и 30 соответственно. Сигналы с выходов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 26 и 29 используются для управления режимом работы счетчиков 27 и 30, которые подсчитывают количество импульсов, поступающих от генератора 32 импульсов через элемент совпадения 33. По окончании времени измерения t (2t), формируемого формирователем 34 импульсов (фиг. 4), элемент совпадения 32 закрывается, коды чисел К₁ и К₂, накопленные в счетчиках 27 и 30 соответственно за измерительный интервал переписываются по сигналам управления от формирователя 34 в регистры 28 и 31 соответственно. По сигналам управления от формирователя 34 в решающий блок 8 (21) считывается измерительная информация последовательно с регистров 28, 31 (К₁, К₂). Счетчики 27 и 30 затем устанавливаются в исходное (нулевое) состояние сигналом от формирователя 34, элемент совпадения 33 открывается, и цикл повторяется. Решающий блок 8 (21) вычисляет функцию арктангенса отношения измеренных величин, т.е. ϕ= arc tg K₁/K₂ Формирователь 34 импульсов (фиг.4) выполняет функции формирования управляющих сигналов, необходимых для организации обмена информацией между счетчиками 27, 30, регистрами 28, 31, решающим блоком 8 (21). Формирователь 36, включенный на входе формирователя 34 импульсов, обеспечивает формирование импульсов по окончании измерительного цикла t (2t) для переписи информации из счетчиков 27 и 30 в регистры 28 и 31. Сигнал с выхода формирователя 36 проходит элемент задержки 37 и подключает выходы регистра 28 к входной шине решающего блока 8 (21) для считывания информации из регистра 28 в решающий блок 8 (21) по сигналу управления, поступающему через элемент ИЛИ 40. Затем по сигналу с элемента 38 считывается информация из регистра 31, а сигналом с выхода элемента 39 счетчики 27, 30 обнуляются. Повышение точности измеpения фазы pадиосигнала достигается за счет отсутствия пеpекpестных помех от модуляции несущей частоты.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ РАДИОСИГНАЛА, состоящее из измерительного блока и регистратора, каждый из которых содержит опорный генератор, решающий блок, синтезатор частот, усилитель мощности, антенну, антенный переключатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, усилитель-ограничитель и фазовый детектор, причем выход опорного генератора подключен к первому входу синтезатора частот, первый выход которого соединен с первым входом смесителя, выход усилителя мощности соединен с входом антенного переключателя, выход которого подключен к второму входу смесителя, а вход - выход антенного переключателя соединен с антенной, при этом выход смесителя через последовательно соединенные усилитель промежуточной частоты и усилитель-ограничитель соединен с первым входом фазового детектора, выход которого подключен к входу решающего блока, а первый выход решающего блока соединен с вторым входом синтезатора частот, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, как в измерительный блок, так и в ретранслятор введен коммутатор-формирователь, вход которого соединен с выходом опорного генератора, выход опорного генератора соединен с вторым входом фазового детектора, первый выход коммутатора-формирователя подключен к управляющему входу усилителя мощности, второй выход подключен к управляющему входу антенного переключателя, а третий выход соединен с третьим входом фазового детектора, кроме того, в измерительном блоке второй выход синтезатора частот соединен с входом усилителя мощности, второй выход решающего блока подключен к управляющему входу опорного генератора, а третий выход соединен с вторым входом коммутатора-формирователя, при этом в ретрансляторе второй выход синтезатора частот подключен к входу усилителя мощности через фазовращатель, а второй выход решающего блока соединен с управляющим входом фазовращателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5