Способ измерения расстояния от излучателя до контролируемой среды

Изобретение относится к области ближней локации и, в частности, к измерителям уровня методом ЧМ-локации. Известны методы измерения расстояния, основанные на анализе сигнала разностной частоты (СРЧ). В заявляемом способе расстояние определяется по измеренным значениям частоты зондирования в два момента времени, соответствующие нулям СРЧ, отстоящим между собой на целое число полупериодов СРЧ. Это позволяет снизить необходимую девиацию частоты зондирующего сигнала. Приводятся два варианта реализации предлагаемого способа. Достигаемый технический результат изобретения - измерение расстояния при минимально необходимом диапазоне перестройки частоты. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области ближней локации и, в частности, к измерителям уровня контролируемой среды. Известен способ измерения расстояния [1], являющийся аналогом, состоящий в том, что в направлении контролируемой среды излучают частотно-модулированный сигнал, принимают отраженный от среды сигнал, путем преобразования на смесителе зондирующего и отраженного сигналов получают сигнал разностной частоты (СРЧ), измеряют разностную частоту, по величине которой вычисляют измеряемое расстояние.

Недостаток способа состоит в наличии дискретной ошибки измерения, величина которой может оказаться недопустимо большой. Увеличение точности измерения расстояния при этом возможно за счет увеличения девиации частоты, но при требовании высокой точности величина необходимой девиации может оказаться технически нереализуемой.

Также известны способы измерения расстояния до контролируемой среды [2, 3], являющиеся аналогами и уменьшающие дискретную ошибку. Они основаны на различных способах извлечения информации о расстоянии из СРЧ. Так, в [2] с целью уменьшения дискретной ошибки определяют моменты времени появления характерных точек (например, нулей сигнала разностной частоты), накопление значений весовой функции, соответствующих характерным точкам СРЧ и вычисление расстояния с учетом значений весовой функции.

В способе [3] измерение расстояния производится путем излучения частотно-модулированного сигнала в направлении контролируемой среды, приема отраженного сигнала, получения СРЧ, формирования двух импульсных сигналов в моменты совпадения частоты излучения с двумя заданными эталонными частотами, измерения длительности интервала между этими сигналами, поддержания этого интервала постоянным путем сравнения его с эталонным интервалом времени и необходимого изменения амплитуды симметричного треугольного напряжения модуляции, формирования импульсных сигналов, соответствующих экстремумам СРЧ, изменения знака производной модулирующего треугольного напряжения в момент появления одного из этих импульсов после достижения частотой излучения одного из двух значений эталонных частот, измерения разностной частоты в течение измерительного интервала, выбранного так, чтобы уменьшить дискретную ошибку измерения расстояния до среды.

Аналоги [2, 3] обладают недостатками; требуются повышенные диапазоны перестройки частоты, так как реализованные в них методы обработки требуют достаточно большого числа характерных точек СРЧ при заданном периоде модуляции; вторым недостатком является зависимость ошибки измерения от нелинейности модуляционной характеристики.

Также известен способ измерения расстояния [4], являющийся прототипом, в котором учет нелинейности модуляционной характеристики на ошибку измерения расстояния основан на учете моментов появления характерных точек СРЧ. Недостаток способа заключается в том, что эффективность его зависит от числа характерных точек СРЧ. На малых расстояниях число их уменьшается, что делает необходимым увеличивать диапазон изменения частоты.

Таким образом, и аналоги [2, 3], и прототип [4] реализуют методы обработки сигнала разностной частоты, что требует увеличения диапазона перестройки частоты.

Техническая задача - разработка способа измерения расстояния при минимально необходимом диапазоне перестройки частоты.

1. По первому варианту техническая задача решается следующим образом. В направлении контролируемой среды излучается частотно-модулированный сигнал с симметричной модуляционной характеристикой, принимается отраженный от среды сигнал, путем смешивания его с зондирующим получается сигнал разностной частоты, по нулевым значениям определяется количество полупериодов m сигнала разностной частоты на полупериоде модуляции, измеряется время начала первого полупериода СРЧ - tn, измеряется время окончания m полупериода - tn+m, измеряется частота зондирующего сигнала в моменты tn, tn+m - fn, fn+m, а измеряемое расстояние рассчитывается по формуле (восходящая ветвь модуляционной характеристики):

где ν - скорость электромагнитных волн.

Формула (1) получается из следующих соображений. Разность фаз между зондирующим и отраженным сигналами

где θ - фаза коэффициента отражения, которая весьма мало зависит от частоты.

Для некоторой fn

где n - неизвестное целое число, соответствующее нулевому значению сигнала разностной частоты.

Аналогично, для fn+m

± - соответствуют восходящей и спадающей ветвям модуляционной характеристики.

В предположении, что θnn+m, получаем (1).

Ошибка определения R в конечном счете будет определяться погрешностью измерения fn+m, fn. Мы будем исходить из естественного допущения, что ошибки независимы, равны и нормально распределены, тогда

Выражение (2) позволяет оценить связь между среднеквадратическими значениями δf и δR:

Ввиду того, что , приходим к выражению

В аналогах и прототипе сглаживание ошибки измерения зависит от числа характерных точек СРЧ, т.е. от величины , которую надо иметь достаточно большой на периоде модуляции несущей. Это достигается за счет увеличения диапазона перестройки частоты, которая составляет 500÷700 МГц.

Из (3) видно, что δR не зависит от m, поэтому девиация частоты выбирается из обеспечения необходимой точности вне зависимости от величины m, что позволяет обойтись меньшей девиацией частоты. Если принять, что измеряемое расстояние лежит в пределах 1÷30 м, a fn+m-fn=150 МГц, то в соответствии с (3) имеем:

R=1 м, δR=0,94·10-6δf [см], δf - [Гц];

R=30 м, δR=2,22·10-5 δf.

Очевидно, что диапазон перестройки частоты 2Δf>fn+m-fn. Для приведенных оценок можно принять 2Δf=200 МГц, при этом точность измерения частоты δf может составлять порядка 105 Гц. Усреднением по нескольким периодам модуляции можно улучшить приведенные оценки.

2. По второму варианту техническая задача решается следующим образом.

В направлении контролируемой среды излучается частотно-модулированный сигнал с симметричной модуляционной характеристикой, принимается отраженный от среды сигнал, путем смешивания его с зондирующим получается сигнал разностной частоты, по нулевым значениям определяется количество полупериодов m сигнала разностной частоты на полупериоде модуляции, измеряется время начала первого полупериода СРЧ - tn, измеряется время окончания m полупериода - tn+m, на смесителе понижается частота зондирующего сигнала с помощью сигнала постоянной частоты f0, совпадающей с центральной частотой зондирующего сигнала. На выходе смесителя частота преобразованного сигнала на интервале полупериода модуляции TM/2 изменяется в пределах от Δf до нуля. Далее преобразованный сигнал поступает на усилитель. Полоса пропускания ΔF выбирается из условия ΔF≥ν/4Rmin (если ν=3·108 м/с, Rmin=1 м, то ΔF≥75 МГц), так что центральная частота усилителя будет равна Δf-ΔF/2. С выхода усилителя сигнал подается на блок измерения в моменты tn, tn+m частот по которым вычисляется расстояние по формуле

Такой вариант упрощает процедуру и повышает точность измерения частоты. Выражение (3) в данном варианте принимает вид:

Предлагаемый способ измерения расстояния обладает совокупностью операций, производимых с зондирующим и отраженным сигналами, которые неизвестны для способов и устройств подобного назначения. Из этого следует, что заявляемый способ соответствует критерию «новизна».

Изобретательский уровень можно оценить исходя из следующих особенностей заявляемого способа.

1. Предлагаемый способ требует меньшей девиации частоты, т.к. его точность не зависит от числа характерных точек СРЧ, что имеет место в аналогах [2, 3] и прототипе [4].

2. Из формул (3) и (5) следует, что ошибка определения расстояния по предлагаемому способу зависит только от точности измерения частот и от их разности (суммы), расстояние неизменно, дискретная ошибка δR=c/8Δf, требующая для ее уменьшения специальных способов обработки СРЧ, отсутствует.

3. Нелинейность модуляционной характеристики сильно увеличивает ошибку измерения, если расстояние измеряется по частоте разностного сигнала, т.е. во всех известных ЧМ-уровнемерах, в предлагаемом способе влияние нелинейности сведется к минимуму, определяемому увеличением ошибки измерения .

Указанные отличия не следуют явно из доступных источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критерию «изобретательский уровень».

Возможные структурные схемы двух предлагаемых вариантов реализации заявляемого способа приведены на фиг.1, а), б). Входящие в устройства блоки: 1 - приемо-передающий СВЧ-модуль; 2 - модулятор; 3 - блок обработки СРЧ; 4, 5 - передающая и приемная антенны; 6 - направленный ответвитель; 7 - блок измерения частоты; 8 - микропроцессор; 9 - индикатор; 10 - генератор частоты сдвига; 11 - преобразователь и усилитель частоты. Работа схем сводится к следующему. На модулирующий вход приемо-передающего СВЧ модуля 1 с модулятора 2 подается симметричное треугольное напряжение, модулирующее частоту передатчика. С выхода передающей части блока 1 сигнал через направленный ответвитель 6 подается на передающую антенну 4, со второго выхода направленного ответвителя 6 сигнал подается (по варианту фиг.1, а) на блок измерения частоты 7, по варианту фиг.1, б - на блок преобразования и усиления 11, на второй вход которого с генератора 10 подаются колебания частоты f0, равной средней частоте зондирующего сигнала. С выхода блока 11 колебания, частота которых не превышает величину девиации Δf зондирующего сигнала, подаются на блок измерения частоты 7. Отраженный от контролируемой среды сигнал с помощью приемной антенны 5 подается на приемный вход модуля 1. Сигнал разностной частоты с выхода модуля 1 подается на блок 3, где он фильтруется, усиливается, ограничивается, превращаясь в последовательность прямоугольных импульсов, которая подается на один из входов микропроцессора 8. Со второго выхода модулятора 2 на микропроцессор 8 подаются импульсные сигналы, задающие полупериоды модуляции. Микропроцессор 8 на каждом полупериоде модуляции определяет число полупериодов СРЧ m, формирует короткие импульсные сигналы, совпадающие по времени с началом первого и концом m-го периодов СРЧ. Эти сигналы подаются на блок измерения частоты, определяя моменты начала измерения. С выхода блока 7 измеренные значения частоты подаются на микропроцессор 8, где в соответствии с формулами (1) или (4) вычисляется расстояние. Результаты расчета подаются на индикатор 9.

Предлагаемый способ позволяет измерять расстояние с меньшей девиацией по сравнению с методами, основанными на анализе сигнала разностной частоты, что снижает уровень рассогласования СВЧ-тракта, а значит снижает паразитную амплитудную модуляцию сигнала разностной частоты, повышая точность измерения tn и tn+m и, в конечном итоге, расстояния до среды. Снижение девиации частоты упрощает реализацию ЧМ, что особенно существенно при цифровом синтезе частоты зондирующего сигнала. Важным является отсутствие в предлагаемом способе дискретной ошибки, обратно пропорциональной девиации частоты.

Библиографические данные

1. Теоретические основы радиолокации. / Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970. 560 с.

2. Заявка Японии 30-1591, МКИ G01S 13/34. / Изобретения стран мира. 1985. №15.

3. Патент РФ №2151408, G01S 13/34.

4. Патент РФ №2234108 от 10.08.2004 г.

1. Способ измерения расстояния от излучателя до контролируемой среды, включающий излучение в направление среды радиосигнала с периодической частотной модуляцией, прием отраженного сигнала, смешивание его с излучаемым сигналом и получение сигнала разностной частоты, отличающийся тем, что на каждом полупериоде модуляции определяют число полупериодов «m» сигнала разностной частоты, далее определяют время начала первого полупериода tn и время окончания m-го полупериода tn+m, измеряют частоты зондирующего сигнала fn, fn+m, соответствующие указанным моментам времени, а расстояние рассчитывают по формуле:

ν - скорость электромагнитных волн над средой.

2. Способ измерения расстояния от излучателя до контролируемой среды, включающий излучение в направление среды радиосигнала с периодической частотной модуляцией, прием отраженного сигнала, смешивание его с излучаемым сигналом для получения сигнала разностной частоты, смешивание его с несущей частотой зондирующего сигнала, отличающийся тем, что на каждом полупериоде модуляции определяют число полупериодов «m» сигнала разностной частоты, далее определяют время начала первого полупериода tn и время окончания m-го полупериода tn+m, измеряют частоту сигнала, полученного путем понижения частоты зондирующего сигнала на величину несущей частоты в моменты tn, tn+m, а расстояние вычисляют по формуле:

где , - измеренные частоты пониженного по частоте зондирующего сигнала; ν - скорость электромагнитных волн над средой.



 

Похожие патенты:

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.

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.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и позволяет осуществлять дистанционный контроль радиоэлектронных средств (РЭС) (радиолокационные станции, радиолинии связи и управления и др.).

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в РЛС НИ для определения дальности с "разрешением" на основе линейно-частотной модуляции (ЛЧМ) излучаемых сигналов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидких или сыпучих материалов, а также для измерения расстояния. .

Изобретение относится к области локации и связи с помощью радио или акустических средств и может быть использовано для обнаружения отраженных или связных сигналов.

Изобретение относится к области радиотехники и позволяет осуществлять радиотехническую разведку радиоэлектронных средств (РЭС) вероятного противника (РЛС, радиолинии связи и управления и др.).

Изобретение относится к радиолокации и может быть использован для выполнения посадки воздушными судами различных классов в экстремальных условиях. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению расстояния, и основано на принципе радиолокации с непрерывным излучением и периодической частотной модуляцией зондирующего сигнала.

Радиолокационный уровнемер относится к радиотехнике и может быть использован для построения высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах и высотомеров малых высот. Радиолокационный уровнемер содержит высокостабильный генератор 1, делители 2 и 3 частоты, контроллер 4, генератор 5 пилообразного напряжения, модулятор 6, приемно-передающий модуль 7, направленный ответвитель 8, антенну 9, узкополосные фильтры 10, 11 и 12, усилители-формирователи 13 и 14, смесители 15 и 16 и фильтр 17 разностной частоты. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано при разработке бортовых средств измерения высоты полета летательных аппаратов. Рециркуляционный радиовысотомер содержит генератор старт-импульсов, генератор тактовых импульсов, два элемента И, два элемента ИЛИ, три линии задержки, передатчик, направленный ответвитель, развязывающий блок, антенный блок, амплитудный детектор, СВЧ-выключатель, триггер, приемник, следящий блок и блок расчета высоты, определенным образом соединенные между собой. Достигаемый технический результат - упрощение радиовысотомера и повышение его надежности, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности текущего контроля точности измерения. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией зондирующего сигнала. Достигаемый технический результат - упрощение устройства и повышение его надежности и помехозащищенности. Указанный результат достигается за счет того, что радиовысотомер с частотно-модулированным зондирующим сигналом содержит приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты с автоматической регулировкой усиления, частотный дискриминатор, блок цифрового управления скоростью перестройки частоты передатчика, модулятор, передатчик частотно-модулированного сигнала и передающую антенну, генератор тактовых импульсов и блок контроля, управления и расчета высоты, определенным образом соединенные между собой. 1 ил.

Изобретение может быть использовано для построения высотомеров или высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения расстояния. Указанный результат заключается в том, что заявленный способ основан на излучении в направлении отражающей поверхности зондирующего СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме в точке излучения отраженного сигнала, смешении принятого сигнала с зондирующим, формировании сигнала частоты биений зондирующего и отраженного сигналов, измерении этой частоты и определении по результатам измерения расстояния от точки излучения до отражающей поверхности как величины, пропорциональной измеренной частоте, измерении крутизны перестройки частоты зондирующего сигнала как функции времени, прошедшего от начала цикла перестройки, результат измерения записывают в оперативную память устройства, реализующего способ, а расстояние Н от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности определяют из соотношения: , где Н - измеряемое расстояние; С-3·108 м/с - скорость света; Fб(t) и γ(t) - частота биений и крутизна перестройки частоты зондирующего сигнала как функции времени, отсчитываемого от начала цикла перестройки частоты. 2 ил.

Изобретение относится к радиолокации протяженных целей. Изобретение может быть использовано в бортовых радиовысотомерах. Достигаемый технический результат - снижение флюктуационной погрешности измерения высоты за счет учета корреляционных связей в каналах приема. Указанный результат достигается за счет излучения сигнала в сторону поверхности Земли, приема отраженных сигналов на N периодах повторения, фильтрации принятого сигнала в фильтре, согласованном с модуляцией зондирующего сигнала, нахождения на N периодах повторения огибающей мощности отраженного сигнала с шагом выборки, соответствующим разрешению зондирующего сигнала, расчета предварительных оценок высоты, дисперсии сигнала с шумом и дисперсии шума, формирования гипотез о высоте ЛА, расчета для каждой гипотезы матрицы-гипотезы взаимных дисперсий, определителя матрицы-гипотезы взаимных дисперсий и обратной матрицы-гипотезы взаимных дисперсий, расчета функционала соответствия принятого сигнала гипотезе, нахождения гипотезы, соответствующей максимуму функционала соответствия, соответственно задержки отраженного сигнала и высоты. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 1 прилож.
Изобретение относится к области обработки радиосигналов и может быть использовано в радиолокационной технике. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности измерения радиальной скорости движущегося объекта при сохранении возможности измерения дальности до объекта. Указанный результат достигается за счет того, что устройство моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов состоит из двух идентичных каналов обработки зондирующего и отраженного линейно-частотно модулированных (ЛЧМ) импульсов, подключенных к первому и второму выходам электронного ключа, при этом поступающие на электронный ключ зондирующий ЛЧМ импульс и отраженный от движущегося объекта ЛЧМ импульс коммутируются с соответствующим каналом обработки, причем каждый из каналов обработки состоит из последовательно соединенных полосового фильтра, перемножителя, на один вход которого с выхода полосового фильтра поступает ЛЧМ импульс, а на второй вход - тот же импульс, но задержанный в линии задержки, интегратора, схемы фазовой автоподстройки частоты, измерителя частоты, при этом выход измерителя частоты из состава каждого канала соединен с входом устройства сравнения, выход которого соединен с решающим устройством. 2 ил.

Изобретение относится к системам вооружения и может быть использовано при реализации комплексов защиты объектов от средств нападения противника. Достигаемый технический результат - возможность защиты объектов с использованием преимуществ, обеспечиваемых применением четырехчастотного частотного радиолокатора, а именно, точность наведения ракеты на цель. Способ наведения реализуется с помощью радиолокационной станции (РЛС), содержащей четыре приемо-передающие антенны (ППА), десять генераторов сигналов (Г), двенадцать смесителей (СМ), двенадцать фильтров (Ф), четыре усилителя мощности (УМ), четыре частотомера (Ч), пять цифроаналоговых преобразователя (ЦАП), вычислитель коэффициента, две схемы умножения, две схемы вычитания, два электронных ключа (ЭК). Изобретение основано на использовании непрерывных сигналов с частотной модуляцией, осуществленной по одностороннему пилообразно линейно спадающему закону. 2 н.п. ф-лы.

Изобретение относится к области ближней локации и технике промышленных уровнемеров. Достигаемый технический результат - исключение методической ошибки дискретности, упрощение за счет сокращения объема измерения, простота реализации при аналоговой и цифровой модуляции излучаемого сигнала. Указанный результат достигается за счет того, что способ основан на методе обработки сигнала разностной частоты, получаемого путем смешивания излучаемого сигнала, модулированного по частоте по линейному закону, и отраженного, при этом обработка ведется во временной области и включает измерение на интервале анализа числа полупериодов сигнала разностной частоты, времени начала первого полупериода, времени окончания последнего полупериода сигнала разностной частоты и на их основе, с учетом параметров модуляции, вычисление измеряемого расстояния. 3 ил.
Наверх