Доплеровский измеритель путевой скорости

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам измерения путевой скорости с использованием эффекта Доплера. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения путевой скорости. Это достигается за счет того, что заявленное устройство содержит две антенны, два циркулятора, два направленных ответвителя, четыре смесителя, генератор непрерывных гармонических колебаний, два усилителя, генератор, управляемый напряжением, два полосовых фильтра, блок управления, два амплитудных детектора, генератор тактовых импульсов, управляемый ключ, вычитающее устройство, усилитель-ограничитель, дифференцирующее звено, формирователь импульсов, определенным образом соединенные между собой для достижения указанного технического результата. 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам измерения путевой скорости с использованием эффекта Доплера.

Известно устройство для измерения скорости наземного объекта (патент РФ №2052833 от 10.07.78 г., G01S 13/58), содержащее две антенны, сумматор, блок генератора и детектора и измеритель частоты, причем выходы антенн подключены к соответствующим входам сумматора, выход которого соединен с входом блока генератора и детектора, входы антенн подключены к генераторным выходам блока генератора и детектора, детекторный выход которого соединен с входом измерителя частоты, выход которого является выходом устройства. С целью компенсации влияния угловых эволюций корпуса объекта лучи антенн разведены в противоположные стороны относительно продольной оси объекта на некоторый угол. За счет этого компенсируются ошибки измерения скорости, связанные с изменением курсового угла объекта в процессе движения (поворотами). Однако ошибки, обусловленные широкой полосой принимаемого доплеровского сигнала при ненулевой ширине диаграммы направленности антенн, данным техническим решением не устраняются.

Известен радиолокационный измеритель скорости для железнодорожного транспорта (а.с. №1341594, G01S 13/58 от 08.09.85 г.), содержащий генератор непрерывных СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, смеситель, усилитель доплеровского сигнала, антенну, а также фазовращатель и формирователь импульса строба, в котором для повышения точности измерений используется управление фазой опорного сигнала таким образом, чтобы уменьшить уровень флюктуаций амплитуды принимаемого сигнала и тем самым увеличить его энергию. Данное устройство также не устраняет ошибки измерения, обусловленные фактическим приемом достаточно широкого спектра доплеровского сигнала, а не единственной гармоники при использовании антенны с относительно широкой диаграммой направленности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является доплеровский измеритель путевой скорости, описанный в книге М.И.Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Сов. Радио, 1973, с.86, принятый за прототип.

На фиг.2 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено: 1 - антенна; 2 - циркулятор; 3 - направленный ответвитель; 4 - смеситель; 5 - генератор непрерывных гармонических колебаний; 6 - усилитель доплеровских частот.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные антенну 1, циркулятор 2, смеситель 4 и усилитель доплеровских частот 6, выход которого является выходом устройства, а также последовательно соединенные генератор непрерывных гармонических колебаний 5 и направленный ответвитель 3, первый выход которого соединен со вторым входом циркулятора 2, кроме того, второй выход направленного ответвителя подсоединен ко второму входу смесителя 4.

Устройство-прототип работает следующим образом. Сигнал, вырабатываемый генератором непрерывных гармонических колебаний 5, через направленный ответвитель 3 и циркулятор 2 поступает в антенну 1 и излучается в сторону подстилающей поверхности. Часть мощности данного сигнала в направленном ответвителе 3 отбирается и направляется на второй вход смесителя 4 в качестве гетеродинного напряжения. Сигнал, отраженный от подстилающей поверхности, смещенный на частоту Доплера относительно частоты излучаемого сигнала, принимается антенной 1 и через циркулятор 2 поступает на первый вход смесителя 4. На выходе смесителя 4 выделяется сигнал с частотой Доплера, который усиливается усилителем доплеровских частот 6, выход которого является выходом устройства. Путевая скорость определяется путем измерения частоты выходного сигнала частотомером, отградуированным в единицах скорости.

Недостатком устройства-прототипа являются значительные ошибки измерения путевой скорости, обусловленные тем, что при облучении подстилающей поверхности непрерывным гармоническим сигналом, излучаемым антенной, луч которой ориентирован под углом к направлению движения (вектор скорости) и имеет ширину θ, отраженный сигнал содержит не одну гармоническую составляющую, смещенную на частоту Доплера относительно частоты излучаемого сигнала, а имеет сплошной спектр шириной (см. фиг.1)

где ν - движения объекта;

с - скорость света;

f₀ - частота излучаемого сигнала;

θ - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны, которую полагаем малой;

- отклонение максимума главного лепестка диаграммы направленности антенны от горизонтального направления.

Из выражения (1) следует, что уменьшить ошибку измерения доплеровской частоты и путевой скорости можно путем уменьшения ширины главного лепестка диаграммы направленности антенны (ДНА), однако этот способ требует значительного увеличения размеров антенны, что затрудняет практическую эксплуатацию такого устройства.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение точности измерения путевой скорости доплеровским измерителем.

Для устранения указанных недостатков в доплеровский измеритель путевой скорости, содержащий последовательно соединенные первую антенну, первый циркулятор, первый смеситель и первый усилитель доплеровских частот, а также последовательно соединенные генератор непрерывных гармонических колебаний и первый направленный ответвитель, первый выход которого соединен со вторым входом первого циркулятора, второй выход первого направленного ответвителя соединен со вторым входом первого смесителя, согласно изобретению введены последовательно соединенные вторая антенна, второй циркулятор, второй смеситель, второй усилитель доплеровских частот, четвертый смеситель, второй полосовой фильтр и второй амплитудный детектор, а также последовательно соединенные третий смеситель, первый полосовой фильтр и первый амплитудный детектор, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора, причем выход вычитающего устройства через последовательно соединенные усилитель-ограничитель, дифференцирующее звено и формирователь импульсов подключен к управляющему входу управляемого ключа, кроме того, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, блок управления, представляющий собой генератор пилообразного напряжения, и генератор, управляемый напряжением, частота которого линейно изменяется в пределах возможного изменения доплеровских частот по пилообразному закону, выход генератора, управляемого напряжением, соединен со вторыми входами третьего и четвертого смесителей, а также второй направленный ответвитель, вход которого соединен с выходом генератора непрерывных гармонических колебаний, первый выход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом второго циркулятора, а второй выход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом второго смесителя, при этом выход первого усилителя доплеровских частот соединен с первым входом третьего смесителя, выход указанного блока управления соединен с сигнальным входом управляемого ключа, выход которого является выходом устройства, причем амплитуда импульса напряжения на выходе управляемого ключа пропорциональна доплеровской частоте, которая пропорциональна путевой скорости объекта, кроме того, оси первой и второй приемных антенн в вертикальной плоскости разведены на угол, равный ширине главного лепестка их диаграммы направленности по уровню половинной мощности.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.4, где обозначено: 1, 7 - первая и вторая антенны; 2, 9 - первый и второй циркуляторы; 3, 8 - первый и второй направленные ответвители; 4, 10, 12, 14 - первый-четвертый смесители; 5 - генератор непрерывных гармонических колебаний; 6, 11 - первый и второй усилители; 13 - генератор, управляемый напряжением; 15, 17 - первый и второй полосовые фильтры; 16 - блок управления; 18, 20 - первый и второй амплитудные детекторы (АД); 19 - генератор тактовых импульсов; 21 - управляемый ключ; 22 - вычитающее устройство; 23 - усилитель-ограничитель; 24 - дифференцирующее звено; 25 - формирователь импульсов.

Предлагаемое устройство содержит два идентичных канала, первый из которых состоит из последовательно соединенных первой антенны 1, первого циркулятора 2, первого смесителя 4, первого усилителя доплеровских частот 6, третьего смесителя 12, первого полосового фильтра 15 и первого амплитудного детектора 18, а второй канал состоит из последовательно соединенных второй антенны 7, второго циркулятора 9, второго смесителя 10, второго усилителя доплеровских частот 11, четвертого смесителя 14, второго полосового фильтра 17 и второго амплитудного детектора 20. Кроме того, устройство содержит генератор непрерывных гармонических колебаний 5, выход которого соединен с входом первого циркулятора 2 через первый направленный ответвитель 3 и с входом второго циркулятора 9 через второй направленный ответвитель 8, вторые выходы направленных ответвителей 3 и 8 соединены со вторыми входами первого 4 и второго 10 смесителей соответственно. Выход генератора тактовых импульсов 19 подключен к входу блока управления 16, выход которого соединен с входом генератора, управляемого напряжением 13 и сигнальным входом управляемого ключа 21, выход которого является выходом устройства. Выход генератора, управляемого напряжением 13, соединен со вторыми входами третьего 12 и четвертого 14 смесителей. Выходы первого 18 и второго 20 амплитудных детекторов подключены к соответствующим входам вычитающего устройства 22, выход которого подключен к входу усилителя-ограничителя 23, выход которого через последовательно соединенные дифференцирующее звено 24 и формирователь импульсов 25 соединен с управляющим входом управляемого ключа 21.

Устройство работает следующим образом. Гармонический сигнал, вырабатываемый генератором 5, через первый 3 и второй 8 направленные ответвители поступает в первый 2 и второй 9 циркуляторы и излучается в сторону подстилающей поверхности первой 1 и второй 7 антенн соответственно. Одновременно часть сигнала, вырабатываемого генератором 5, в направленных ответвителях отбирается, и со второго выхода первого направленного ответвителя 3 подается на второй вход первого смесителя 4, а со второго выхода второго направленного ответвителя 8 подается на второй вход второго смесителя 10, выполняя в первом 4 и втором 10 смесителях роль гетеродинного напряжения. Сигналы, отраженные от подстилающей поверхности, имеющие в результате движения объекта доплеровский сдвиг частоты, принимаются антеннами 1 и 7 и, пройдя через циркуляторы 2 и 9, поступают на первые входы первого 4 и второго 10 смесителей соответственно. На выходах смесителей выделяется напряжение разностной частоты, которая соответствует доплеровской частоте сигнала, принимаемого первой 1 и второй 7 антеннами соответственно. Поскольку оси антенн 1 и 7 в вертикальной плоскости разведены на угол, равный ширине главного лепестка ДНА по уровню половинной мощности, то доплеровские спектры сигналов, выделяемых на выходах первого 4 и второго 10 смесителей не совпадают, но пересекаются (см. фиг.3), причем их средние частоты, соответствующие направлениям максимумов диаграмм направленности первой 1 и второй 7 антенн, равны (см. фиг.1) соответственно:

где f_∂1, f_∂2 - средние частоты доплеровских спектров на выходе первого и второго смесителей;

^_ угловое отклонение максимума главного луча первой и второй антенны от горизонтального направления.

Сигналы с выхода первого 4 и второго 10 смесителей усиливаются в первом 6 и втором 11 усилителях доплеровских частот и поступают на первые входы третьего 12 и четвертого 14 смесителей соответственно. На вторые входы третьего 12 и четвертого 14 смесителей поступает сигнал генератора, управляемого напряжением 13, частота которого линейно изменяется в пределах возможного изменения доплеровских частот по пилообразному закону. Сигналы с выходов третьего 12 и четвертого 14 смесителей, пройдя соответственно первый 15 и второй 17 полосовые фильтры, поступают на входы соответственно первого 18 и второго 20 амплитудных детекторов, на выходах которых, таким образом, формируется сигнал, пропорциональный уровню частотных составляющих доплеровского спектра, развернутый во времени. По существу, генератор, управляемый напряжением 13, а также третий смеситель 12, первый полосовой фильтр 15 и первый амплитудный детектор 18 - с одной стороны и четвертый смеситель 14, второй полосовой фильтр 17 и второй амплитудный детектор 20 - с другой стороны, представляют собой два параллельных анализатора спектра доплеровского сигнала (см. фиг.5а, б).

Сигналы с выходов первого 18 и второго 20 амплитудных детекторов поступают на входы вычитающего устройства 22, на выходе которого в каждом периоде изменения частоты генератора, управляемого напряжением 13, формируется двухполярный импульс, отрицательный перепад напряжения в котором соответствует времени пересечения разверток доплеровских спектров на выходах первого 18 и второго 20 амплитудных детекторов (см. фиг.5в). После усиления в усилителе-ограничителе 23 длительность отрицательного перепада сформированного импульса значительно сокращается (см. фиг.5г). Дифференцирующее звено 24 формирует из каждого поступающего с выхода усилителя-ограничителя импульса три коротких импульса, соответствующих положению фронтов входного импульса. Импульсом отрицательной полярности с выхода дифференцирующего звена 24, совпадающим по времени с моментом равенства доплеровских частот в первом и втором каналах устройства, запускается формирователь импульсов 25, формирующий импульс такой полярности и длительности, которые необходимы для открывания ключа 21 и записи напряжения на выходе всего устройства (см. фиг.5д). Импульс с выхода формирователя импульсов 25 поступает на управляющий вход управляемого ключа 21. Ключ открывается и на выход устройства проходит напряжение с выхода блока управления 16, который представляет собой генератор пилообразного напряжения, запускаемый генератором тактовых частот 19.

Таким образом, на выходе устройства в каждом такте появляется импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна доплеровской частоте, прошедшей оба канала устройства (см. фиг.5). Поскольку доплеровская частота, в свою очередь, также пропорциональна путевой скорости объекта, измеритель выходного напряжения может быть отградуирован в единицах скорости.

Следовательно, более высокая точность измерения скорости предлагаемым устройством получается за счет того, что угловой сектор, в пределах которого напряжение на выходе вычитающего устройства изменяет знак, при разносе максимумов главных лепестков диаграмм направленности первой и второй антенн на указанный угол, составляет 5-10% от ширины диаграммы направленности каждой из антенн по уровню половинной мощности (см. М.И.Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Сов. Радио, 1973, с.389-392). Соответственно ширина доплеровского спектра сигнала, общего для обоих каналов устройства, также уменьшается до 5-10% от ширины спектра доплеровского сигнала в каждом из каналов.

Доплеровский измеритель путевой скорости, содержащий последовательно соединенные первую антенну, первый циркулятор, первый смеситель и первый усилитель доплеровских частот, а также последовательно соединенные генератор непрерывных гармонических колебаний и первый направленный ответвитель, первый выход которого соединен со вторым входом первого циркулятора, второй выход первого направленного ответвителя соединен со вторым входом первого смесителя, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные вторая антенна, второй циркулятор, второй смеситель, второй усилитель доплеровских частот, четвертый смеситель, второй полосовой фильтр и второй амплитудный детектор, а также последовательно соединенные третий смеситель, первый полосовой фильтр и первый амплитудный детектор, выход которого соединен с первым входом вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго амплитудного детектора, причем выход вычитающего устройства через последовательно соединенные усилитель-ограничитель, дифференцирующее звено и формирователь импульсов подключен к управляющему входу управляемого ключа, кроме того, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, блок управления, представляющий собой генератор пилообразного напряжения, и генератор, управляемый напряжением, частота которого линейно изменяется в пределах возможного изменения доплеровских частот по пилообразному закону, выход генератора, управляемого напряжением, соединен со вторыми входами третьего и четвертого смесителей, а также второй направленный ответвитель, вход которого соединен с выходом генератора непрерывных гармонических колебаний, первый выход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом второго циркулятора, а второй выход второго направленного ответвителя соединен со вторым входом второго смесителя, при этом выход первого усилителя доплеровских частот соединен с первым входом третьего смесителя, выход блока управления соединен с сигнальным входом управляемого ключа, выход которого является выходом устройства, причем амплитуда импульса напряжения на выходе управляемого ключа пропорциональна доплеровской частоте, которая пропорциональна путевой скорости объекта, кроме того, оси первой и второй приемных антенн в вертикальной плоскости разведены на угол, равный ширине главного лепестка их диаграммы направленности по уровню половинной мощности.