Устройство для измерения амплитуды и фазы радиосигнала

 

Иcпользование: измерительная техника, в геофизических исследованиях, в геодезии в составе измерительных систем. Сущность изобретения: устройство содержит измерительный блок, два генератора низких частот, два коммутатора-формирователя, три переключателя, три приемо-передающие антенны, два задающих генератора, два усилителя мощности, два приемника, два амплитудно-фазовых измерителя, решающий блок, ретранслятор, блок автоматической подстройки фазы. Повышается точность измерения информационных параметров за счет автоматического определения условий, при которых погрешности измерения превышают заданные значения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в геофизических исследованиях, в геодезии в составе измерительных систем.

Известно устройство для измерения амплитуды и фазы радиосигнала, включающее измерительный блок, состоящий из последовательно соединенных задающего генератора, усилителя мощности, антенного переключателя, соединенного с приемо-передающей антенной, приемника и амплитудно-фазового измерителя, второй вход которого подключен к второму выходу задающего генераторе, а также генератора низкой частоты и расположенного между выходом генератора низкой частоты и вторыми входами антенного переключателя, коммутатора-формирователя, вторые выходы которого подключены к вторым входам усилителя мощности, и рентранслятор, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, антенный переключатель, соединенный с приемо-передающей антенной, приемник и блок автоматической подстройки фазы, выход которого подключен к входу задающего генератора, а также расположенные между вторым входом блока автоматической подстройки фазы и вторыми входами антенного переключателя последовательно соединенные генератор низкой частоты и коммутатор-формирователь, вторые выходы которого подключены к усилителю мощности, а третьи к приемнику, и расположенные между вторым выходом задающего генератора и вторым входом блока автоматической подстройки фазы амплитудно-фазовый измеритель, второй вход которого соединен с вторым выходом приемника /авт.св. СССР N 734592, кл. G 01 V 3/12, 1977/.

Недостатком устройства является низкая точность за счет того, что на практике за счет отражений от подстилающих поверхностей имеют место зоны, в которых погрешность измерения информационных параметров радиосигналов недопустимо возрастает.

Техническая задача изобретения повышение точности измерения.

Для этого в устройство для измерения амплитуды и фазы радиосигнала, содержащее измерительный блок и ретранслятор, при этом измерительный блок содержит последовательно соединенные генератор низкой частоты, коммутатор-формирователь, переключатель, соединенный с приемо-передающей антенной, а также содержит задающий генератор, усилитель мощности, приемник, амплитудно-фазовый измеритель, первым входом соединенный с первым выходом задающего генератора, а вторым входом с приемником, вход которого соединен с переключателем, первый вход усилитель мощности соединен с вторым выходом задающего генератора, а второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя, выход усилителя мощности соединен с вторым входом переключателя, ретранслятор содержит последовательно соединенные блок автоматической подстройки фазы, генератор низкой частоты, коммутатор-формирователь, первый переключатель, соединенный с первой приемо-передающей антенной, задающий генератор, усилитель мощности, приемник, амплитудно-фазовый измеритель, первый вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, а второй вход с первым выходом приемника, выход амплитудно-фазового измерителя соединен с первым входом блока автоматической подстройки фазы, вход задающего генератора соединен с вторым выходам блока автоматической подстройки фазы, а второй выход задающего генератора соединен с усилителем мощности, выход которого соединен с первым переключателем, а второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя, второй выход приемника соединен с вторым входом блока автоматической подстройки фазы, первый вход приемника соединен с первым переключателем, а второй вход с третьим выходом коммутатора-формирователя, в измерительный блок введены индикатор и решающий блок, вход которого соединен с выходам амплитудно-фазового измерителя, а выход с входом индикатора, при этом третий выход коммутатора-формирователя измерительного блока соединен с третьим входом амплитудно-фазового измерителя измерительного блока, а в ретранслятор введены вторая приемо-передающая антенна и второй переключатель, первый выход которого соединен с первым входом приемника ретранслятора, а второй с второй приемо-передающей антенной, первый вход второго переключателя ретранслятора соединен с усилителем мощности ретранслятора, а второй вход с пятым выходом коммутатора-формирователя ретранслятора, четвертый выход которого соединен с третьим входам амплитудно-фазового измерителя ретранслятора.

Введение перечисленных узлов с описанными связями позволяет повысить точность измерения за счет автоматического определения зон с повышенной погрешностью.

Изобретение пoясняется чертежом.

Устройство содержит измерительный блок 1, состоящий из последовательно соединенных генератора низкой частоты 2, коммутатора-формирователя 3, переключателя 4, соединенного с приемо-передающей антенной 5, а также содержит задающий генератор 6, усилитель мощности 7, приемник 8, амплитудно-фазовый измеритель 9, решающий блок 10 и индикатор 11.

Устройство согласно изобретению включает также связанный с измерительным блоком 1 ретранслятор 12, содержащий последовательно соединенные блок автоматической подстройки фазы 13, генератор низкой частоты 14, коммутатор-формирователь 15, первый переключатель 16, соединенный с первой приемо-передающей антенной 17, а также содержит амплитудно-фазовый измеритель 18, задающий генератор 19, усилитель мощности 20, приемник 21, второй переключатель 22, вторую приемо-передающую антенну 23.

Амплитудно-фазовый измеритель 9 первым входом соединен с первым выходом задающего генератора 6, а вторым входом с приемником 8, вход которого соединен с переключателем 4, первый вход усилителя мощности 7 соединен с вторым выходом задающего генератора 6, а второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя 3, выход усилителя мощности 7 соединен с вторым входом переключателя 4, вход решающего блока 10 соединен с выходом амплитудно-фазового измерителя 9, а выход с входом индикатора 11.

Амплитудно-фазовый измеритель 18 соединен первым входом с первым выходом задающего генератора 19, а втором входом с первым выходом приемника 21, выход амплитудно-фазового измерителя 18 соединен с первым входом блока автоматической подстройки фазы 13, задающий генератор 19 входом соединен с вторым выходом блока автоматической подстройки фазы 13, а вторым выходом с усилителем мощности 20, выход усилителя мощности 20 соединен с первым переключателем 16, второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя 15. Второй выход приемника 21 соединен с вторым входом блока автоматической подстройки фазы 13, первый вход приемника 21 соединен с первым переключателем 16, а второй вход с третьим выходом коммутатора-формирователя 15. Второй переключатель 22 соединен выходом с первым входам приемника 21, с приемо-передающей антенной 23, входами с усилителем мощности 20 и с четвертым выходом коммутатора формирователя 15.

Работает устройство следующим образом.

Задающий генератор 6 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал частотой f, который поступает на усилитель мощности 7. Генератор низкой частоты 2 вырабатывает непрерывный сигнал с частотой F, который поступает на коммутатор-формирователь 3, формирующий сигналы управления для усилителя 7, переключателя 4, амплитудно-фазового измерителя 9.

В усилителе мощности 7 осуществляется усиление сигнала от задающего генератора 6 до необходимой величины и формирование выходного радиоимпульсного сигнала под воздействием управляющего сигнала от коммутатор-формирователя 3. Радиоимпульсный сигнал от усилителя мощности 7, пройдя через переключатель 4, излучается в пространство приемопередающей антенной 5 в течение времени . В течение второго интервала усилитель мощности 7 сигналом от коммутатора-формирователя 3 переводится в режим излучения пониженной мощности, вход приемника 8 подключается к приемо-передающей антенне 5.

Понижение уровня сигнала, поступающего от усилителя мощности 7, осуществляется до уровня, исключающего искажения в приемнике 8. В течение времени , когда измерительный блок 1 излучает в пространство сигнал пониженной мощности, в амплитудно-фазовом измерителе 9 осуществляется измерение фазового сдвига ϕ₁ между сигналом от задающего генератора 6 и сигналом с выхода приемника 8, равного внутреннему фазовому набегу в измерительном блоке 1, величина которого запоминается в амплитудно-фазовом измерителе 9. Сигнал, излучаемый в пространство измерительным блоком 1 в течение времени , пройдя через среду распространения, принимается первой приемо-передающей антенной 17 ретранслятора 12 и через первый переключатель 16 поступает на вход приемника 21. С выходов приемника 21 усиленный сигнал под воздействием управляющих сигналов от коммутатора-формирователя 15 поступает на амплитудно-фазовый измеритель 18, на второй вход которого подается непрерывный гармонический сигнал частотой f от задающего генератора 19, либо на блок автоматической подстройки фазы 13. Блок автоматической подстройки фазы 13, содержащий синхронные детекторы, обеспечивает формирование управляющего сигнала под воздействием высокочастотной составляющей принимаемого сигнала для подстройки задающего генератора 19 с точностью до фазы. В блоке автоматической подстройки фазы 13 под воздействием низкочастотной составляющей (огибающей) принимаемого сигнала также формируется сигнал синхронизации генератора 14 низкой частоты F, обеспечивающий синхронизацию выходных сигналов коммутатора-формирователя 15 ретранслятора 12 под сигналы коммутатора-формирователя 3 измерительного блока 1. Коммутатор-формирователь 15 служит для формирования сигналов управления усилителем 20 мощности, первым и вторым переключателями 16 и 22 приемником 21, амплитудно-фазовым измерителем 18.

Гармонический сигнал задающего генератора 19 частотой, f фаза которого подстроена сигналом управления от блока автоматической подстройки фазы 13 под фазу принимаемого ретранслятора 12 сигнала за время , поступает на вход усилителя мощности 20. В усилителе мощности 20 осуществляется усиление сигнала до необходимой величины и формирование выходного радиоимпульсного сигнала под воздействием управляющего сигнала от коммутатора-формирователя 15. Радиоимпульсный сигнал от усилителя мощности 20, пройдя через первый переключатель 16, излучается в пространство первой приемо-передающей антенной 17 в течение времени .

В течение второго интервала усилитель мощности 20 сигналом от коммутатора-формирователя 15 переводится в режим излучения пониженной мощности, а приемник 21 подключается к первой приемо-передающей антенне 17. .

В течение времени , когда ретранслятор 12 излучает в пространство сигнал пониженной мощности, в амплитудно-фазовом измерителе 18 измеряется фазовый сдвиг Ψ₁ между сигналом от задающего генератора 19 и сигналом с выхода приемника 21, равный внутреннему фазовому набегу в ретрансляторе 12 и соответствующий сумме фазовых сдвигов сигналов в усилителе 20 мощности, первом переключателе 16, приемнике 21, задающем генераторе 19. Величина измеренного фазового сдвига Ψ₁ засылается в ячейку памяти блока автоматической подстройки фазы 13 и в последующем вычитается из общей фазы ϕ_вых1 принимаемого за время сигнала, навязываемой при ретрансляции задающему генератору 19. Таким образом сигнал, поступающий с выхода задающего генератора 19 на усилитель мощности 20 и излучаемый в пространство первой приемо-передающей антенной 17 в течение времени имеет фазовый сдвиг ϕ_р1=ϕ_вых1-Ψ₁, равный фазовому сдвигу ϕ_р1 сигнала, принимаемого ретранслятором 12 в течение времени , и не содержит фазовых набегов,обусловленных аппаратурой ретранслятора 12. Пройдя вторично через среду распространения, сигнал ретранслятора 12 поступает в измерительный блок 1, принимается приемо-передающей антенной 5, через переключатель 4, приемник 8 поступает на амплитудно-фазовый измеритель 9.

В амплитудно-фазовом измерителе 9 осуществляется измерение амплитуды С1 и фазы ϕ_вх1 принятого сигнала. В амплитудно-фазовом измерителе 9 из полученной величины фазового сдвига входного сигнала ϕ_вх1 вычитается величина измеренного ранее фазового сдвига ϕ₁ (ϕ_и1=ϕ_вх1-ϕ₁). В фазовом сдвиге ϕ_и1 полностью исключены собственные аппаратурные фазовые набеги измерительного блока 1 и ретранслятора 12, а значение амплитуды С1 и величина фазового сдвига ϕ_и1 сигнала, прошедшего дважды через исследуемую среду, равная времени запаздывания радиоволн в точке приема по отношению к моменту их излучения, используется в качестве интерпретационных параметров при геоэлектрических исследованиях методом радиоволнового просвечивания.

При этом погрешности измерения фазы, обусловленные фазовой нестабильностью от времени и воздействием дестабилизирующих факторов (температуры, изменений питающих напряжений и т.д.) на узлы измерительного блока 1 и ретранслятора 12 автоматически исключаются из результатов фазовых измерений.

В соответствии с приведенным выше описанием в течение интервалов времени Т_и2, Т_р2 излучаются и принимаются сигналы приемо-передающей антенной 5 измерительного блока 1 и второй приемо-передающей антенной 23 ретранслятора 12. При этом сигнал, поступающий с выхода задающего генератора 19 на усилитель мощности 20 и излучаемый в пространство второй приемо-передающей антенной 23 в течение времени имеет фазовый сдвиг ϕ_р2=ϕ_вых2-Ψ₂ и не содержит фазовых набегов Ψ₂,обусловленных аппаратурой ретранслятора в интервале работы Т_р2.

В амплитудно-фазовом измерителе 9 измерительного блока 1 осуществляется измерение амплитуды С2 и фазы ϕ_вх2 принятого сигнала в интервале времени T_р2 , а затем из полученной величины фазового сдвига входного сигнала ϕ_вх2 вычитается величина измеренного ранее фазового сдвига ϕ₁ (ϕ_и2=ϕ_вх2-ϕ₁).

В фазовом сдвиге ϕ_и2 полностью исключены собственные аппаратурные фазовые набеги измерительного блока 1 и ретранслятора 12, значения амплитуды С2 и фазового сдвига ϕ_и2 сигнала, прошедшего дважды через исследуемую среду, могут использоваться в качестве интерпретационных параметров при геоэлектрических исследованиях. Измеренные величины C1, ϕ_и1/ , С2, ϕ_и2 из амплитудно-фазового измерителя 9 заносятся в решающий блок 10 для анализа результатов.

Однако вторая приемо-передающая антенна 23 расположена на расстоянии l от первой приемо-передающей антенны 17 ретраслятора 12 и соединена со вторым переключателем 22 через антенный фидер длиной l₂ а первая антенна 17 соединена с первым переключателем 16 через антенный фидер длиной l₁, где l₁, l₂ электрические длины фидеров, соединяющих выходы переключателей 16 и 22 с соответствующими антеннами 17 и 23.

Для работы устройства в решающий блок 10 в режиме начальной установки заносятся извне коды чисел, определяющие соответственно электрическую длину фидера l₁, расстояние между антеннами 17 и 23 и электрическую длину фидера l₂. Расстояние l, на которое должны быть разнесены антенны 17 и 23 между собой с целью автоматического определения зон с повышенной погрешностью измерения зависит от высоты поднятия антенн измерительного блока и ретранслятора над поверхностью земли, от диапазона рабочих частот устройства, от характера подстилающей поверхности, от расстояния между измерительным блоком и ретранслятором. При этом величины модуля и аргумента коэффициента отражения меняются в широких пределах. На практике расстояние l целесообразно выбирать величиной в несколько длин волн (λ) поскольку при l≈ λ имеет место взаимное влияние антенн друг нa друга, а при l>10λ практически сложно работать с устройством при развертывании.

В решающем блоке 10 сравниваются значения v_и1 и ϕ_и2. Условие характеризует снижение точности измерения устройством за счет возникновения отражений излучаемых сигналов от подстилающей поверхности, что приводит к потере работоспособности устройства. Здесь Δϕ_o предельное значение погрешности измерения фазового сдвига данным устройством.

При условии l₁ l₂, r₁ ≈ r₂ величина Δϕ_o будет определяться случайной составляющей погрешности измерения фазового сдвига, где: r₁ и r₂ расстояния между антенной 5 измерительного блока 1 и антеннами 17, 23 ретранслятора 12 соответственно.

Полученная информация выводится из решающего блока 10 на индикатор 11.

Длительность цикла работы Тц устройства выбирается таким образом, чтобы за время действия радиоимпульса в ретрансляторе 12 и в измерительном блоке 1 успевали выполняться фазовая автоподстройка задающего генератора 19 и измерение фазы в амплитудно-фазовых измерителях 9 и 18. Т_ц Т_и1 + Т_р1 + Т_и2 + Т_р2.

Таким образом введение решающего блока 10 и индикатора 11 в измерительный блок 1, второго переключателя 22 с приемо-передающей антенной 23 по крайне мере в ретранслятор 12 и соответствующими связями позволяет повысить точность измерения информационных параметров за счет автоматического определения условий, при которых погрешности измерения превышают заданные значения, что повышает достоверность измерения информационных параметров. Второй переключатель и вторая приемопередающая антенна,разнесенная на расстояние l от первой антенны могут быть введены и в измерительный блок. При этом устройство работает аналогично описанному, а цикл работы Тц увеличивается на интервалы времени для работы измерительного блока 1 с егo второй приемопередающей антенной.

Формула изобретения

Устройство для измерения амплитуды и фазы радиосигнала, содержащее измерительный блок и ретранслятор, при этом измерительный блок содержит последовательно соединенные генератор низкой частоты, коммутатор-формирователь, переключатель, соединенный с приемопередающей антенной, а также задающий генератор, усилитель мощности, приемник, амплитудно-фазовый измеритель, первый вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, а второй вход с выходом приемника, вход которого соединен с переключателем, первый вход усилителя мощности соединен с вторым выходом задающего генератора, а второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя, выход усилителя мощности соединен с вторым входом переключателя, ретранслятор содержит последовательно соединенные блок автоматической подстройки фазы, генератор низкой частоты, коммутатор-формирователь, первый переключатель, соединенный с первой приемопередающей антенной, задающий генератор, усилитель мощности, приемник, амплитудно-фазовый измеритель, первый вход которого соединен с первым выходом задающего генератора, а второй вход с первым выходом приемника, выход амплитудно-фазового измерителя соединен с первым входом блока автоматической подстройки фазы, вход задающего генератора соединен с вторым выходом блока автоматической подстройки фазы, а второй выход задающего генератора соединен с усилителем мощности, выход которого соединен с первым переключателем, а второй вход с вторым выходом коммутатора-формирователя, второй выход приемника соединен с вторым входом блока автоматической подстройки фазы, первый вход приемника соединен с первым переключателем, а второй вход с третьим выходом коммутатора-формирователя, отличающееся тем, что измерительный блок дополнительно содержит индикатор и решающий блок, вход которого соединен с выходом амплитудно-фазового измерителя измерительного блока, а выход с входом индикатора, при этом третий выход коммутатора-формирователя измерительного блока соединен с третьим входом амплитудно-фазового измерителя измерительного блока, а ретранслятор дополнительно содержит вторую приемопередающую антенну и второй переключатель, первый выход которого соединен с первым входом приемника ретранслятора, а второй с второй приемопередающей антенной, первый вход второго переключателя ретранслятора соединен с усилителем мощности ретранслятора, а второй вход с пятым выходом коммутатора-формирователя ретранслятора, четвертый выход которого соединен с третьим входом амплитудно-фазового измерителя ретранслятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1