Способ измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией зондирующих радиоволн (варианты)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению расстояния, например, в закрытых резервуарах при измерении уровня жидкости, и основано на принципе радиолокации с частотной модуляцией зондирующих радиоволн. Достигаемый технический результат - уменьшение погрешности измерения расстояния из-за влияния помех, в том числе при одновременном искажении сигнала паразитной амплитудной модуляцией. Способ измерения расстояния заключается в суммировании выделенного сигнала разностной частоты, в котором, наряду с информационной составляющей, могут присутствовать ряд помеховых составляющих с генерируемым эталонным сигналом, параметры которого подбираются таким образом, чтобы компенсировать погрешность измерения, вызванную помехами и искажениями, в частности паразитной амплитудной модуляцией. Критерием правильного подбора параметров эталонного сигнала является минимум отклонения измеряемой дальности от постоянного значения при изменении центральной частоты диапазона модуляции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению расстояния, например, в закрытых резервуарах при измерении уровня жидкости, и основано на принципе радиолокации с частотной модуляцией (ЧМ) зондирующих радиоволн.

Широко применяется радиолокационный способ измерения расстояния с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе сигнала разностной частоты (СРЧ) при оценке задержки эхо-сигнала τ_R [1, стр.316-381; 2; 3; 4]. При практическом применении используют цифровой спектральный анализ. Частота F_R=Ω_R/2π информационной составляющей СРЧ u_срч(t,τ_R), при линейном законе ЧМ на интервале Т, связана с задержкой эхо-сигнала τ_R, с измеряемым расстоянием R и диапазоном частотной модуляции Δf=Δω/2π линейной зависимостью Ω_R=Δω·τ_R/T=Δω·2R/(v·T), где v - скорость распространения электромагнитных волн. Однако для сигнала, в спектре которого вблизи полезного слагаемого имеются другие слагаемые, эта линейность нарушается и точность указанного способа обычно недостаточна для большинства практических применений.

Для уменьшения погрешности используют различные способы уточнения результатов измерения. В частности, известен радиолокационный способ измерения расстояния, основанный на спектральном анализе СРЧ с последующим уточнением результатов измерений на дополнительном этапе обработки СРЧ, при выполнении которого формируют эталонный сигнал, варьируют его параметры и используют для расчета расстояния, когда параметры спектра эталонного сигнала наиболее близки к параметрам спектра СРЧ [5].

Известен также способ измерения расстояния радиодальномером с непрерывным излучением частотно-модулированных радиоволн и двухэтапной процедурой обработки сигнала [6]. На первом этапе выполняют грубое оценивание расстояния с использованием преобразования Фурье. На втором этапе выполняют уточнение измеренного расстояния методом максимального правдоподобия (ММП) или вычислением сигнальной функции СРЧ по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму функции правдоподобия или глобальному максимуму сигнальной функции.

Если уровень помех, созданных эхо-волнами от мешающих объектов, выше определенного порогового значения, приведенный способ измерения расстояния также не обеспечивает высокую точность измерения.

Для снижения погрешности измерения частоты сигнала, линейно связанной с его задержкой, широко используются априорные сведения о помеховой обстановке в рабочей зоне радиолокационного дальномера [7, 8]. Для этого предварительно оценивают частоты помеховых сигналов, линейно связанные с задержками и удалением мешающих объектов, их амплитуды и записывают в память вычислительного устройства. В дальнейшем эти данные используют для компенсации помеховых сигналов. При этом помеховые слагаемые спектра определяются в процессе калибровки радиодальномера на пустом резервуаре.

Близким по совокупности существенных признаков к заявленному (аналогом) является радиолокационный способ измерения уровня материала в резервуаре радиодальномером с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе СРЧ, учитывающий помеховые слагаемые спектра [9]. Указанный способ включает вычисление спектра СРЧ, вычисление опорного спектра, состоящего из постоянного и варьируемого слагаемых и вычисление меры отличия спектра СРЧ от опорного спектра. Затем производится изменение параметров варьируемого слагаемого опорного спектра до достижения минимума указанной меры отличия спектров. Параметры постоянного слагаемого опорного спектра определяются при калибровке и хранятся в памяти. Калибровка выполняется на рабочем месте при таком уровне заполнения резервуара, когда сигнал отражают все мешающие объекты и отсутствует взаимное влияние боковых лепестков слагаемых спектра СРЧ, соответствующих мешающим объектам, и слагаемого спектра СРЧ, соответствующего отражению от зондируемого материала.

Для расчета измеряемого расстояния используют параметры опорного спектра, при которых обнаружен минимум меры отличия.

В трех последних способах измерения расстояния следовало бы ожидать существенного уменьшения погрешности измерения, так как запись эталонных спектров выполняют на рабочем месте при калибровочном проливе резервуара. Однако в действительности уменьшения погрешности не происходит из-за невозможности точного подбора параметров опорного спектра. Изменение температуры резервуара, его заполнение и др. факторы приводят к значительным деформациям резервуара. Из-за изменений структуры рассеянного поля в резервуаре под влиянием деформации резервуара, а также из-за осаждения на антенне и элементах конструкции резервуара малоподвижных фракций материала зондируемого объекта, меняются амплитудные и фазовые соотношения в слагаемых СРЧ и, соответственно, в спектрах. Кроме того, частотную модуляцию генерируемого сигнала всегда сопровождает паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), параметры которой меняются, например, при изменении температуры. В результате со временем опорные спектры и сигналы, сохраняемые в памяти, перестают совпадать со спектрами и сигналами, используемыми при измерении.

Следует также учитывать, что существуют помеховые слагаемые в СРЧ и, соответственно, в спектре, которые появляются только при наличии полезного сигнала. Примером такого мешающего сигнала является сигнал, возникающий из-за эхо-волн из угла, образованного зондируемым материалом и вертикальной стеной резервуара при проведении измерений вблизи его боковой стены. Задержка такого мешающего сигнала незначительно отличается от задержки полезного сигнала и изменяется в соответствии с изменением измеряемого расстояния.

Наиболее близким к заявляемому способу (прототипом) по совокупности существенных признаков является способ измерения расстояния [10] радиодальномером с ЧМ зондирующих радиоволн, включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них СРЧ, содержащего информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку СРЧ и аналого-цифровое преобразование СРЧ. По цифровым отсчетам СРЧ вычисляют спектр, его центральную частоту, расстояние до зондируемой поверхности и количество интервалов расстояния, укладывающихся в измеряемом расстоянии и соответствующих целому числу периодов СРЧ. Затем, применяя многошаговую итерационную процедуру, уменьшают начальный диапазон частотной модуляции до такого состояния, когда в измеряемом расстоянии укладывается целое число интервалов расстояния. Сразу рассчитать требуемую величину диапазона частотной модуляции невозможно, т.к. пока не достигнуто указанное условие, расстояние вычисляется с большой погрешностью. Эта погрешность постепенно уменьшается по мере приближения к нужной величине диапазона частотной модуляции.

Сущность первого этапа известного способа заключается в том, что боковые лепестки спектра уменьшаются, когда число периодов СРЧ становится целым. В этом случае отсутствует взаимное смещение максимумов слагаемых спектра, расположенных на положительной и отрицательной областях частот.

После того, как найден требуемый диапазон частотной модуляции, начинается второй итерационный этап определения расстояния, который заключается в уточнении значения начальной и, соответственно, центральной частоты диапазона модуляции. Значение центральной частоты диапазона модуляции уточняют на каждом отдельном шаге итерационной процедуры и используют на следующем шаге. При этом спектр вычисляют по сигналу, полученному уже на нескольких периодах частотной модуляции. Величина диапазона частотной модуляции на этом этапе не изменяется, и все время поддерживается равной значению, полученному на первом этапе.

Окончательное вычисление расстояния производится с использованием найденного на втором этапе значения центральной частоты спектра, являющимся наиболее точным только при выполнении условий первого и второго итерационных этапов, т.е. при поддержании найденных значений диапазона частотной модуляции и начальной частоты этого диапазона. Эти величины изменяются при изменении расстояния, поэтому оба этапа итерационной процедуры постоянно повторяются.

Последний способ измерения расстояния также не обеспечивает достаточную точность измерения, если существуют мешающие сигналы.

Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения расстояния из-за влияния помех, в том числе при одновременном искажении сигнала ПАМ.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, включающем генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление спектра по цифровым отсчетам СРЧ и вычисление центральной частоты спектра, вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра СРЧ, уменьшение начального диапазона частотной модуляции и изменение центральной частоты диапазона частотной модуляции при сохранении неизменным уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисление расстояния при уменьшенном диапазоне частотной модуляции, с соблюдением следующих условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий. Начальный диапазон частотной модуляции уменьшают на заданную величину, а центральную частоту уменьшенного диапазона частотной модуляции изменяют в пределах разности между начальным и уменьшенным диапазонами частотной модуляции, вычисляют зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисляют меру отличия этой зависимости от постоянного значения, при превышении мерой отличия контрольного уровня дополнительно многократно генерируют эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов по известным значениям уменьшенного диапазона частотной модуляции генерируемого радиочастотного сигнала и его центральной частоты, а также по заданным значениям времени задержки, амплитуды и фазы, вычисляют результирующий сигнал суммы СРЧ и эталонного сигнала, вычисляют результирующий спектр результирующего сигнала, используя результирующий спектр, вычисляют расстояние, зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции и меру отличия этой зависимости от постоянного значения, изменяют задержку и амплитуду эталонного сигнала до получения наименьшего значения меры отличия от постоянного значения, а результирующий сигнал, при котором обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния. При этом генерирование радиочастотного сигнала выполняют в виде последовательности радиочастотных сигналов, дискретные частоты в которой эквидистантно распределены по диапазону частот модуляции, а уменьшение начального диапазона частотной модуляции в первом варианте способа выполняют путем уменьшения разности между соседними дискретными частотами при сохранении количества дискретных частот.

Во втором варианте способа уменьшение начального диапазона частотной модуляции выполняют путем уменьшения количества дискретных частот при сохранении разности между соседними дискретными частотами, при этом изменение центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции выполняют дискретно с шагом, кратным разности между соседними дискретными частотами.

В обоих вариантах способа целесообразно меру отличия от постоянного значения вычислять как разность между максимальным и минимальным значениями расстояния. Предпочтительно меру отличия от постоянного значения вычислять как сумму двух слагаемых с заданными весовыми коэффициентами. Первое слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по центральной частоте результирующего спектра, а второе слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по фазе результирующего спектра на его центральной частоте.

Эталонный сигнал генерируют в форме цифровых отсчетов с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала, который соответствует неискаженному помехами и паразитной амплитудной модуляцией сигналу разностной частоты, с центральной частотой спектра цифровых отсчетов, отличной от центральной частоты основного лепестка спектра выделенного СРЧ менее чем на половину ширины его основного лепестка.

Величину уменьшенного диапазона частотной модуляции задают как долю, например 3/4, от начального диапазона частотной модуляции.

В обоих вариантах способа целесообразно при минимуме меры отличия дополнительно уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму функции правдоподобия, при этом базисную функцию функции правдоподобия формируют в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и с заданными значениями его фазы и амплитуды, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала.

В обоих вариантах способа предпочтительно при минимуме меры отличия дополнительно вычислять сигнальную функцию результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного сигнала СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и с заданным значением его фазы, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.

Оба варианта способа обеспечивают получение одного и того же технического результата.

Без изменения сущности возможно осуществление способа во временной области без вычисления спектров. В этом случае расстояние и зависимость расстояния от центральной частоты диапазона частотной модуляции вычисляют по количеству и положению характерных точек СРЧ. В качестве характерных точек целесообразно использовать нули СРЧ [11].

Сущность способа состоит в том, что смещение центральной частоты спектра и, соответственно, погрешность измерения расстояния, из-за влияния даже нескольких помех, созданных эхо-волнами от нескольких мешающих объектов, и при наличии ПАМ и других искажений могут быть снижены при суммировании СРЧ с дополнительным сигналом (эталонным сигналом), в частности при суммировании СРЧ с эталонным сигналом в виде отрезка гармонического колебания. Параметры эталонного сигнала (частота, эквивалентная задержке, амплитуда и фаза) должны быть подобраны таким образом, чтобы компенсировать погрешность измерения, вызванную помехами и искажениями, в частности ПАМ. Следует учитывать, что в этом случае не происходит глубокой компенсации помех, т.к. несколько помеховых слагаемых, к тому же с ПАМ, не могут быть скомпенсированы одним слагаемым в виде отрезка гармонического колебания. Критерием правильного подбора параметров эталонного сигнала является минимум отклонения измеряемой дальности от постоянного значения при изменении центральной частоты диапазона модуляции.

Кроме того, при минимуме меры отличия, из-за небольшой погрешности определения расстояния по центральной частоте результирующего спектра, глобальный экстремум сигнальной функции практически совпадает с задержкой информационной составляющей СРЧ, что позволяет дополнительно снизить погрешность измерения.

Совокупность приведенных отличительных признаков приводит к появлению качественно новых свойств предлагаемого способа - возможности компенсации погрешности и повышения точности измерений без глубокой компенсации помех.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого способа (вариантов), положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью устройства схематично изображенного на фиг.1, графиками, изображенными на фиг.2 - фиг.5.

На фиг.2 и 3 приведены зависимости частоты генерируемого радиочастотного сигнала для первого и второго вариантов способа соответственно.

На фиг.4 приведены зависимости измеренного расстояния до зондируемого объекта от центральной частоты диапазона модуляции при наличии двух мешающих отражателей для случая, когда эталонный сигнал отсутствует и для заявленного способа при минимуме меры отличия.

На фиг.5 приведены зависимости погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта при наличии двух мешающих отражателей для прототипа и для заявленного способа.

Радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн (фиг.1) содержит: схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 1 с одним входом и тремя выходами; антенну 2; управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 3 с одним входом и двумя выходами; синтезатор частоты (СЧ) 4 с двумя входами и одним выходом; последовательно соединенные делитель мощности (ДМ) 5 и направленный ответвитель (НО) 6 (или циркулятор) каждый с одним входом и двумя выходами; смеситель (См) 7 с двумя входами и одним выходом; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 8 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 с двумя входами и одним выходом;

Вход УГРС 3 соединен с выходом СЧ 4, входы которого соединены с первым выходом СЦОС 1 и первым выходом УГРС 3. Выход УГРС 3 соединен с последовательно соединенными ДМ 5 и НО 6, а первый выход НО 6 соединен со входом АВУ 2. Вторые выходы ДМ 5 и НО 6 соединены с входами См 7, выход которого соединен с последовательно соединенными СПАО 8 и АЦП 9. Выход АЦП 9 соединен с первым входом СЦОС 1, а второй вход АЦП 9 соединен со вторым выходом СЦОС 1. Третий выход СЦОС 1 является информационным выходом радиодальномера.

СЦОС 1 может быть выполнена стандартной, содержащей генератор импульсов синхронизации и цифровой процессор, включающий устройство памяти и арифметическое устройство.

Практическая реализация устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами «ANALOG DEVICES», «MOTOROLA», «MICRONETICS», «PEREGRINE» и др.

С помощью радиодальномера с частотной модуляцией зондирующих радиоволн способ измерения расстояния осуществляют следующим образом.

Одна часть генерируемого радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией, в виде последовательности радиочастотных сигналов, N известных дискретных частот в которой эквидистантно распределены по начальному диапазону частот модуляции Δω_max с центральной частотой ω_0max и с шагом Δω_дискр=Δω_max/(N-1), от УГРС 3 (фиг.1), управляемого синтезатором частоты 4, через ДМ 5 и НО 6, поступает в антенну 2, которая формирует направленное излучение в направлении зондируемого объекта. После отражения от зондируемой поверхности эхо-волны принимаются антенной 2 и преобразуются в отраженный сигнал, который через НО 6 поступает на вход смесителя 7. В качестве гетеродинного сигнала используют выделенную ДМ 5 часть генерируемого сигнала. Выходной сигнал смесителя обрабатывается СПАО 8 путем фильтрации и усиления. В результате выделяется сигнал разностной частоты u_срч(t, τ_R), содержащий информацию о дальности до зондируемого объекта. При этом в выделенном сигнале разностной частоты могут присутствовать также помеховые составляющие, созданные мешающими объектами, которые приводят к погрешности измерения.

Выделенный сигнал разностной частоты u_срч(t, τ_R) через АЦП 9 поступает на первый вход СЦОС 1. С применением СЦОС 1 выполняют все действия над сигналом разностной частоты, управляют синтезатором СЧ 4 заданием кодов дискретных частот и синхронизируют работу АЦП 9.

По цифровым отсчетам u_цсрч(t, τ_R), (где n=0, …, N-1; N - число известных дискретных частот последовательности радиочастотных сигналов) СРЧ u_срч(t, τ_R) с помощью СЦОС 1 вычисляют спектр S_срч(τ_R), вычисляют центральную частоту спектра, например, по частоте максимума спектра, вычисляют и записывают в память СЦОС 1 расстояние по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра. Затем уменьшают начальный диапазон частотной модуляции Δω_max до Δω для получения возможности изменения центральной частоты диапазона ЧМ в пределах разности начального и уменьшенного диапазонов ЧМ и выполняют дискретное изменение центральной частоты диапазона ЧМ ω_j0=ω_0max-(Δω_max-Δω)·[0,5-j/(M-1)] (где j=0,…, M-1; M - число дискретных значений центральной частоты диапазона ЧМ). Начальный диапазон частотной модуляции Δω_max выполняют максимально возможным и ограниченным сверху либо техническими возможностями, либо разрешенной величиной.

В первом варианте способа уменьшение начального диапазона ЧМ выполняют путем уменьшения разности между соседними дискретными частотами последовательности радиочастотных сигналов, при сохранении количества N дискретных частот Δω_1диск=Δω/(N-1).

Во втором варианте способа уменьшение начального диапазона ЧМ выполняют путем уменьшения количества дискретных частот N₁=1+(N-1)Δω/Δω_max последовательности радиочастотных сигналов при сохранении разности между соседними дискретными частотами Δω_дискр. При этом изменение центральной частоты диапазона частотной модуляции ω_j0 выполняют дискретно с шагом, кратным разности между соседними дискретными частотами Δω_дискр.

Дискретно изменяя центральную частоту уменьшенного диапазона ЧМ, вычисляют расстояния, соответствующие этим значениям центральных частот и записывают их в память. По записанной зависимости расстояния от центральной частоты диапазона ЧМ вычисляют меру отличия зависимости расстояния от постоянного значения.

Меру отличия от постоянного значения вычисляют как разность между максимальным и минимальным значениями расстояния. Предпочтительно меру отличия вычислять как сумму двух слагаемых с заданными весовыми коэффициентами. Первое слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по центральной частоте результирующего спектра. Второе слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по фазе результирующего спектра на его центральной частоте.

При превышении мерой отличия контрольного уровня с помощью СЦОС 1 многократно генерируют эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов u_цijklэ(n, τ_iэ) (где n=0,…, N-1 для первого варианта способа и n=0,…, N₁-1 для второго варианта способа) с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала который соответствует СРЧ, неискаженному помехами и ПАМ. Эталонный сигнал генерируют по известным значениям диапазона частотной модуляции Δω генерируемого радиочастотного сигнала на интервале Т_j и его центральной частоты ω_j0, а также по заданным значениям времени задержки τ_iэ, амплитуды U_kэ и фазы φ_lэ. Вычисляют результирующий спектр суммы спектра S_срч(τ_R) со спектром S_ijklэ(τ_iэ) цифровых отсчетов u_цijklэ (n, τ_iэ) эталонного

сигнала, вычисляют и записывают в память СЦОС 1 меру отличия зависимости расстояния от постоянного (среднего) значения и записывают также заданные значения времени задержки τ_iэ, амплитуды U_kэ и фазы φ_lэ, соответствующие указанной мере отличия. Многократно изменяют время задержки τ_iэ и амплитуду U_kэ эталонного сигнала u_цijklэ(n, τ_iэ) до получения наименьшего значения меры отличия, а результирующие спектр и сигнал , при которых обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния.

Время задержки эталонного сигнала τ_iэ задают таким, чтобы центральная частота спектра цифровых отсчетов эталонного сигнала отличалась от центральной частоты основного лепестка спектра цифровых отсчетов выделенного СРЧ менее чем на половину ширины основного лепестка указанного спектра.

Без изменения сущности изобретения при осуществлении второго варианта способа возможно однократное получение цифровых отсчетов выделенного СРЧ с использованием начального диапазона ЧМ. При этом цифровые отсчеты выделенного СРЧ сохраняют в дополнительном блоке памяти, входящем в состав СЦОС 1, до окончания поиска наименьшего значения меры отличия и вычисления точного значения расстояния. В этом случае N₁ новых цифровых отсчетов сигнала выделенного СРЧ, из N записанных в дополнительный блок памяти, передают в арифметическое устройство при каждом новом значении ω_j0 и новых значениях τ_iэ, U_kэ в генерируемом эталонном сигнале.

При минимуме меры отличия возможно получение точного значения расстояния из числа записанных значений.

При минимуме меры отличия можно выполнить измерение с начальным диапазоном ЧМ, используя результирующий сигнал с найденными значениями τ_iэ, U_kэ, φ_lэ.

Если начальный диапазон ЧМ соизмерим или превышает значение центральной частоты начального диапазона ЧМ (сверхширокополосная модуляция), то целесообразно дополнительно либо дискретно варьировать фазу φ_lэ эталонного сигнала, либо генерировать эталонный сигнал со значением несущей частоты ω_jэ=n·ω_j0, где n≥2. Если начальный диапазон ЧМ не превышает 20% от его центральной частоты, варьирование фазы эталонного сигнала нецелесообразно. При этом φ_lэ=_const и, в частности, может быть равна нулю.

Время задержки эталонного сигнала t_iэ задают таким, чтобы центральная частота спектра S_ijklэ(τ_iэ) цифровых отсчетов эталонного сигнала u_цijklэ(n, τ_iэ) отличалась от центральной частоты основного лепестка спектра цифровых отсчетов u_цсрч(n, τ_R) информационной составляющей СРЧ менее чем на половину ширины основного лепестка указанного спектра.

В обоих вариантах способа целесообразно при минимуме меры отличия, дополнительно уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму функции правдоподобия, при этом базисную функцию функции правдоподобия формируют в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и с заданными значениями его фазы и амплитуды, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала.

При минимуме меры отличия предпочтительно дополнительно вычислять сигнальную функцию C_рез(τ) результирующего сигнала

где W(n) - весовая функция, например, весовая функция Кайзера-Бесселя;

u_ц(n,τ) - цифровые отсчеты базисной функции с огибающей дискретных отсчетов в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала τ и с заданным значением его фазы φ, а также с известными значениями центральной частоты φ_j0 и диапазона частотной модуляции Δω частотно-модулированного радиочастотного сигнала.

И уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.

При минимуме меры отличия СЦОС 1 производит вычисление точного значения измеряемого расстояния.

Со второго выхода СЦОС 1 результат вычисления точного расстояния поступает на выход устройства.

На фиг.4 пунктирной линией 10 показана зависимость измеренного расстояния до зондируемого объекта от центральной частоты диапазона ЧМ при наличии двух мешающих отражателей, создающих неразрешаемые по дальности помеховые сигналы с амплитудами по 10% от полезного, для случая, когда эталонный сигнал отсутствует. Расстояние до зондируемого отражателя 1,5 метра. Расстояние до мешающих отражателей 1,575 и 1,665 метров. Уменьшенный диапазон ЧМ Δω=0,75 ГГц. Начальный диапазон ЧМ Δω_max=1 ГГц. На той же фиг.4 сплошной линией 11 приведена зависимость измеренного расстояния, полученная в результате осуществления способа при минимуме меры отличия.

На фиг.5 пунктирной линией 12 показана зависимость погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта, перемещаемого в пределах 1,47…1,53 метров при наличии двух мешающих отражателей для прототипа, а сплошной тонкой линией 13 показана зависимость погрешности измеренного расстояния, полученная в результате осуществления способа. Для прототипа зависимость погрешности получена с начальным диапазоном модуляции 1 ГГц. Из чертежа следует, что при наличии помех осуществление способа приводит к снижению максимальных значений погрешности от 7 до 15 раз при использовании для оценки расстояния только преобразования Фурье.

При дополнительном уточнении расстояния по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции, максимальные значения погрешности снижаются в 60 раз (сплошная толстая линия 14).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Виницкий А.С. «Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн» М.: Издательство «Советское радио», 1961.

2. Патент США №5546088 13.08.1996.

3. Патент США №6107957 22.08.2000.

4. Патент США №5504490 A, G01S 13/08, от 02.04.1996.

5. Патент №2234688 РФ, МКИ G01F 23/28, G01N 27/26. Способ измерения электрофизических параметров зондируемого материала и расстояния до него (варианты), устройство для его осуществления и способ калибровки этого устройства / Б.А.Атаянц, В.М.Давыдочкин, В.В.Езерский, В.А.Пронин. №2003101694/09; заявл. 23.01.2003; опубл. 20.08.2004, Бюл. №23.

6. Давыдочкин В.М., Паршин B.C. Измерение расстояния уровнемером с частотной модуляцией излучаемого сигнала при наличии мешающих отражений малой интенсивности. // Труды Российского НТО РЭС им. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. 8-я Международная конференция Вып. VIII - 2. Москва. 2006. С.530-533.

7. Brumbi D. Fundamentals of Radar Technology for Level Gauging. 3-rd Revision, Krohne Messtechnik, Duisburg, 1999.

8. Bruimbi D. Low power FMCW radar system for level gauging // 2000 IEEE MTT-S International microwave symposium digest, vol.3, 2000. P.1559-1562.

9. Патент РФ №2244268, МКИ G01F 23/28, G01S 13/08. Заявл. 04.03.2003 г.; №2003105994; опубл. 10.01.2005 г. Бюл. №1. Способ измерения уровня материала в резервуаре. Б.А.Атаянц, В.В.Езерский, В.С.Паршин.

10. Патент РФ №2234717, G01S 13/34, 04.03.2003. Способ измерения расстояния / Б.А.Атаянц, В.М.Давыдочкин, В.В.Езерский, Д.Я.Нагорный. Заявл. 4.03.2003; №2003105993; опубл. 20.08.2004, Бюл. №23.

11. Патент РФ №2234108, G01S 13/34, 18.12.2002 г. Способ измерения расстояния (варианты) / Б.А.Атаянц, В.В.Езерский, И.В.Баранов, В.А.Болонин, В.М.Давыдочкин, В.А.Пронин. Заявл. 18.12.2002 г.; №2002133946; опубл. 10.08.2004, Бюл. №22.

1. Способ измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление спектра по цифровым отсчетам сигнала разностной частоты СРЧ и вычисление центральной частоты спектра, вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра сигнала разностной частоты СРЧ, уменьшение начального диапазона частотной модуляции и изменение центральной частоты диапазона частотной модуляции при сохранении неизменным уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисление расстояния при уменьшенном диапазоне частотной модуляции, отличающийся тем, что начальный диапазон частотной модуляции уменьшают на заданную величину, а центральную частоту уменьшенного диапазона частотной модуляции изменяют в пределах разности между начальным и уменьшенным диапазонами частотной модуляции, вычисляют зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисляют меру отличия этой зависимости от постоянного значения, при превышении мерой отличия контрольного уровня дополнительно многократно генерируют эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов по известным значениям уменьшенного диапазона частотной модуляции генерируемого радиочастотного сигнала и его центральной частоты, а также по заданным значениям времени задержки, амплитуды и фазы, вычисляют результирующий сигнал суммы сигнала разностной частоты (СРЧ) и эталонного сигнала, вычисляют результирующий спектр результирующего сигнала, используя результирующий спектр, вычисляют расстояние, зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции и меру отличия этой зависимости от постоянного значения, изменяют задержку и амплитуду эталонного сигнала до получения наименьшего значения меры отличия от постоянного значения, а результирующий сигнал, при котором обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния, при этом генерирование радиочастотного сигнала выполняют в виде последовательности радиочастотных сигналов, дискретные частоты в которой эквидистантно распределены по диапазону частот модуляции, а уменьшение начального диапазона частотной модуляции выполняют путем уменьшения разности между соседними дискретными частотами при сохранении количества дискретных частот.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что меру отличия от постоянного значения вычисляют как разность между максимальным и минимальным значениями расстояния.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что меру отличия от постоянного значения вычисляют как сумму двух слагаемых с заданными весовыми коэффициентами, первое из которых включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по центральной частоте результирующего спектра, а второе слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по фазе результирующего спектра на его центральной частоте.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что эталонный сигнал генерируют в форме цифровых отсчетов с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала, который соответствует неискаженному помехами и паразитной амплитудной модуляцией сигналу разностной частоты, с центральной частотой спектра цифровых отсчетов, отличной от центральной частоты основного лепестка спектра выделенного СРЧ менее чем на половину ширины его основного лепестка.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину уменьшенного диапазона частотной модуляции задают как долю, например 3/4, от начального диапазона частотной модуляции.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при минимуме меры отличия вычисляют сигнальную функцию результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и заданным значением его фазы, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточняют измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при минимуме меры отличия вычисляют функцию правдоподобия результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и заданными значениями его фазы и амплитуды, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточняют измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму функции правдоподобия.

8. Способ измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них СРЧ, содержащего информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку СРЧ, аналого-цифровое преобразование СРЧ, вычисление спектра по цифровым отсчетам сигнала разностной частоты СРЧ и вычисление центральной частоты спектра, вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра сигнала разностной частоты СРЧ, уменьшение начального диапазона частотной модуляции и изменение центральной частоты диапазона частотной модуляции при сохранении неизменным уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисление расстояния при уменьшенном диапазоне частотной модуляции, отличающийся тем, что начальный диапазон частотной модуляции уменьшают на заданную величину, а центральную частоту уменьшенного диапазона частотной модуляции изменяют в пределах разности между начальным и уменьшенным диапазонами частотной модуляции, вычисляют зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции, вычисляют меру отличия этой зависимости от постоянного значения, при превышении мерой отличия контрольного уровня дополнительно многократно генерируют эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов по известным значениям уменьшенного диапазона частотной модуляции генерируемого радиочастотного, сигнала и его центральной частоты, а также по заданным значениям времени задержки, амплитуды и фазы, вычисляют результирующий сигнал суммы СРЧ и эталонного сигнала, вычисляют результирующий спектр результирующего сигнала, используя результирующий спектр, вычисляют расстояние, зависимость расстояния от центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции и меру отличия этой зависимости от постоянного значения, изменяют задержку и амплитуду эталонного сигнала до получения наименьшего значения меры отличия от постоянного значения, а результирующий сигнал, при котором обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния, при этом генерирование радиочастотного сигнала выполняют в виде последовательности радиочастотных сигналов, дискретные частоты в которой эквидистантно распределены по диапазону частот модуляции, а уменьшение начального диапазона частотной модуляции выполняют путем уменьшения количества дискретных частот при сохранении разности между соседними дискретными частотами, при этом изменение центральной частоты уменьшенного диапазона частотной модуляции выполняют дискретно с шагом кратным разности между соседними дискретными частотами.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что меру отличия от постоянного значения вычисляют как разность между максимальным и минимальным значениями расстояния.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что меру отличия от постоянного значения вычисляют как сумму двух слагаемых с заданными весовыми коэффициентами, первое из которых включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по центральной частоте результирующего спектра, а второе слагаемое включает разность между максимальным и минимальным значениями расстояния при вычислении расстояния по фазе результирующего спектра на его центральной частоте.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что эталонный сигнал генерируют в форме цифровых отсчетов с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала, который соответствует неискаженному помехами и паразитной амплитудной модуляцией сигналу разностной частоты, с центральной частотой спектра цифровых отсчетов, отличной от центральной частоты основного лепестка спектра выделенного СРЧ менее чем на половину ширины его основного лепестка.

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что величину уменьшенного диапазона частотной модуляции задают как долю, например 3/4, от начального диапазона частотной модуляции.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что при минимуме меры отличия вычисляют сигнальную функцию результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и заданным значением его фазы, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточняют измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что при минимуме меры отличия вычисляют функцию правдоподобия результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и заданными значениями его фазы и амплитуды, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточняют измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму функции правдоподобия.