Способ радиолокационного измерения расстояния



Способ радиолокационного измерения расстояния
Способ радиолокационного измерения расстояния

 


Владельцы патента RU 2535927:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" (RU)

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 радиотехнике и может быть использовано для построения высотомеров или высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах.

Известен способ радиолокационного измерения дальности на основе излучения зондирующего ЛЧМ-сигнала и приема отраженного сигнала в точке излучения [Г.Б.Белоцерковский. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио. - 1975, с.77]. В нем излучаемый зондирующий ЛЧМ-сигнал смешивается с отраженным, в результате образуется разностный сигнал с частотой биений Fб, которую пересчитывают в дальность Н по формуле

h = F б C T 2 Δ f ,

где С=3·108 м/с - скорость света;

T - период модуляции зондирующего сигнала;

Δf - девиация частоты.

Признаками, общими у этого аналога с заявляемым способом, являются излучение зондирующего ЛЧМ-сигнала в направлении отражающей поверхности, прием отраженного сигнала в точке излучения, смешивание принятого сигнала с зондирующим, формирование сигнала биений и измерение его частоты.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения частоты биений, осуществляемой в этом аналоге методом "счета нулей" (ошибка дискретизации), а также погрешностью установки и нестабильностью величины девиации частоты зондирующего сигнала.

Известен также способ измерения дальности на основе излучения зондирующего ЛЧМ-сигнала по заявке Японии 30-1591, МКИ 5 G01S 13/34 [Реф. журнал "Изобретения стран мира", 1985, №115, с.29].

В этом способе приняты некоторые меры для уточнения точности измерения частоты биений (регистрация в сигнале биений заранее заданных точек - нулей, максимумов, минимумов).

Этот аналог имеет с заявляемым способом те же общие признаки, что и первый аналог.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно низкая точность, обусловленная погрешностью установки и нестабильностью величины девиации частоты зондирующего сигнала.

Существенные меры для уменьшения ошибки за счет нестабильности девиации приняты в способе измерения дальности, реализованном в радиолокационном дальномере, защищенный патентом РФ №2151408, G01S 13/34. Бюллетень изобретений, 2000, №17.

Здесь путем введения ряда дополнительных устройств осуществляется стабилизация крутизны изменения сигнала и устраняются скачки фазы в сигнале биений. Тем самым уменьшаются ошибка за счет нестабильности девиации и ошибка дискретизации.

Этот аналог с заявляемым способом имеет те же общие признаки, что и первые два аналога.

Причинами, препятствующими достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является сложность реализации способа, обусловленная необходимостью введения формирователя частотных меток, интегратора и дискриминатора интервала времени в устройство, реализующее способ, существенная ограниченность частоты работы, а также недостаточная точность работы, обусловленная нестабильностью фильтров, входящих в состав формирователя частотных меток.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является способ измерения малых расстояний до отражающих поверхностей, реализованный в радиолокационном дальномере, защищенном патентом РФ на полезную модель №32287, кл. G01S 13/34, 2003 г."Радиолокационный дальномер" и описанный в ст.: Чекрыгина И.М., Байлов В.В., Чепелев В.И. "Способ повышения точности радарных измерителей уровня жидкости" // Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. - Москва-Таганрог. - 2001, вып.2. - С.153-157.

В соответствии с этим способом в направлении отражающей поверхности излучают зондирующий сигнал с ЛЧМ, в точке излучения принимают отраженный сигнал, смешивают его с зондирующим, формируют сигнал частоты биений, измеряют эту частоту и используют результат измерения для определения расстояния от точки излучения зондирующего сигнала по формуле:

H = F б C τ 2 Δ f ,

где Н - измеряемое расстояние;

Fб - измеренная частота биений;

С - скорость света;

Δf - девиация частоты зондирующего сигнала при его линейной перестройке;

τ - время перестройки частоты зондирующего сигнала от минимально возможной до максимально возможной в одном цикле перестройки.

При этом с целью учета фактической скорости перестройки зондирующего сигнала формируют два высокостабильных СВЧ-сигнала, частоты которых точно совпадают с требуемыми минимальной и максимальной частотами зондирующего сигнала, в моменты совпадений частоты зондирующего сигнала соответственно с первой и второй из этих частот формируют короткие импульсы, измеряют временной сдвиг между этими импульсами и принимают результат измерения в качестве времени τ перестройки частоты в одном цикле при расчете расстояния H.

Все перечисленные признаки способа-прототипа, основанного на излучении в направлении отражающей поверхности зондирующего СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме в точке излучения отраженного сигнала, смещении 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, за исключением формирования высокостабильных СВЧ-сигналов с заданными частотами и остальных операций по определению интервала времени τ, входят и в состав заявляемого способа.

Причинами, препятствующими достижению в способе-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, являются относительная сложность реализации способа и невысокая точность. Сложность обусловлена необходимостью введения в состав устройства, реализующего способ, высокостабильных генераторов импульсов, фильтров, умножителей частоты, смесителей, узкополосных усилителей. Недостаточная точность обусловлена тем обстоятельством, что моменты времени совпадения частоты зондирующего сигнала с эталонными частотами, равными требуемым минимальной и максимальной частотами, определяются с большой погрешностью. Кроме того, ни в прототипе, ни в остальных аналогах не учитывается, что в реальных устройствах, реализующих указанные способы, частотная модуляция не является строго линейной. Реальная модуляционная характеристика, строго говоря, нелинейна, то есть крутизна перестройки, строго говоря, непостоянна. Это приводит к определенной погрешности измерения.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения расстояния.

Для достижения указанного технического результата в известном способе измерения малых расстояний, основанном 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, измеряют крутизну перестройки частоты зондирующего сигнала как функцию времени, прошедшего от начала перестройки, результат измерения записывают в оперативную память устройства, реализующего способ, а расстояние H от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности определяют из соотношения:

,

где H - измеряемое расстояние;

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.

Отсутствуют какие-либо источники информации, в которых вновь введенные действия и операции были описаны в совокупности с остальными действиями и операциями заявляемого способа. Поэтому предлагаемый способ следует считать новым и имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

- на фиг.1 - типовые модуляционные характеристики генератора зондирующего сигнала;

- на фиг.2 - соответствующие этим характеристикам зависимости крутизны перестройки частоты от времени, отсчитываемого от начала цикла перестройки частоты.

Предлагаемый способ измерения расстояния заключается в следующем.

Формируют зондирующий СВЧ-сигнал с линейной частотной модуляцией. Этот сигнал излучают в направлении подстилающей отражающей поверхности, расстояние до которой подлежит измерению. Точку излучения располагают, как правило, над отражающей поверхностью. В способах измерения высоты в качестве отражающей поверхности может служить, например, земная или водная поверхность, а точка излучения зондирующего сигнала вместе со всей аппаратурой, реализующей способ, - на летательном аппарате, высота полета которого подлежит измерению. В уровнемерах при измерении уровня жидкости или сыпучего вещества, хранящихся в больших резервуарах, в качестве отражающей поверхности служит поверхность этого вещества, а точку излучения зондирующего сигнала располагают на краю резервуара с контролируемым веществом или выше края на точно известном фиксированном расстоянии от него.

Отраженный от контролируемой поверхности сигнал принимают в точке излучения и смешивают с излученным зондирующим сигналом. Излучение и прием сигнала осуществляют, как правило, одной и той же приемопередающей антенной. Остальная часть аппаратуры, реализующей способ, может быть расположена на необходимом по условиям размещения расстоянии от антенны. В результате смешения формируются сумма и разность излученного и зондирующего сигналов, которые пропускают через полосовой фильтр. Суммарный сигнал этим фильтром подавляется, а разностный с частотой биений Fб усиливается. Частоту Fб биений измеряют и используют в дальнейшем для измерения расстояния между точкой излучения зондирующего сигнала и отражающей поверхностью.

В упомянутых выше аналогах и прототипе измеренную частоту Fб биений преобразуют в расстояние Н в соответствии с формулой:

H = F б C τ 2 Δ f ,

где С - скорость света;

Δf - девиация частоты зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией;

τ - время линейной перестройки частоты зондирующего сигнала от минимально возможной fн до максимально возможной fв (фиг.1, а).

Следует отметить, что в реальных перестраиваемых по частоте генераторах СВЧ-сигналов закон перестройки частоты считать линейным можно только в первом приближении. То есть модуляционная характеристика, показанная на фиг.1, а, строго говоря, чисто теоретическая, таковой ее можно считать лишь для малой девиации Δf зондирующего сигнала. Реальные СВЧ-генераторы, перестраиваемые в достаточно широких пределах, имеют нелинейную модуляционную характеристику (зависимость частоты от времени t, отсчитываемого от начала цикла перестройки частоты). Она может быть выпуклой (фиг.1, б), вогнутой (фиг.1, в) или выпукло-вогнутой (фиг.1, г), или их комбинацией. Кроме того, фактические значения минимальной fн и максимальной fв частот, а следовательно, и девиация Δf частоты могут отличаться от расчетных вследствие нестабильности СВЧ-генераторов во времени.

Существует ряд мер уменьшения нестабильности СВЧ-генераторов и нелинейности их модуляционных характеристик. Однако эти меры значительно усложняют реализацию способа и уменьшают его надежность. Кроме того, нелинейность перестройки частоты хотя и уменьшается, но в определенной степени все равно остается. Это вызывает изменение крутизны у перестройки частоты во времени, в том числе в процессе цикла перестройки. На фиг.2, а показана зависимость (точнее независимость) крутизны γ перестройки частоты от времени для линейной модуляционной характеристики, а на фиг.2, б-2, г зависимости γ(t) крутизны перестройки частоты от времени, отсчитываемого с начала цикла перестройки, соответствующие соответственно выпуклой, вогнутой и выпукло-вогнутой модуляционным характеристикам. Указанные обстоятельства приводят как к изменению частоты Fб биений в процессе перестройки, так и к отклонению девиации Δf частоты от расчетной, что вызывает, в свою очередь, ошибку измерения расстояния H, то есть снижает точность прототипа и остальных аналогов.

Для исключения или, как минимум, уменьшения этой ошибки измерения в заявляемом способе в генераторе зондирующего сигнала предварительно измеряют крутизну (скорость) перестройки частоты, то есть производную модуляционной характеристики как функцию γ(t) времени t, отсчитываемого от начала цикла перестройки частоты. Результаты этого измерения записывают в оперативную память устройства, реализующего предлагаемый способ. Эти операции выполняются не с каждым циклом перестройки частоты, а эпизодически, дополнительно к процессу измерения расстояния H. Период обновления результатов измерения крутизны перестройки частоты и перезаписи этих результатов выбирают таким, чтобы за время этого периода модуляционная характеристика перестраиваемого генератора не успевала существенно измениться. Частоту Fб(t) биений также измеряют как функцию времени t, отсчитываемого от начала цикла перестройки частоты, а измеряемое расстояние H определяют из соотношения:

.

Использование этого соотношения позволяет учесть реальное изменение частоты Fб(t) биений, вызванное нелинейностью модуляционной характеристики перестраиваемого генератора, и исключить связанную с этой нелинейностью ошибку измерения расстояния H.

Это позволяет сделать вывод, что точность измерения у заявляемого способа выше, чем у прототипа.

Предлагаемый способ достаточно легко реализуем.

Формирование сигнала биений и измерение его частоты могут быть реализованы на основе высокостабильного генератора тактовых импульсов, контроллера, генератора пилообразного напряжения, модулятора, приемно-передающего модуля, направленного ответвителя, усилителя-формирователя и приемно-передающей антенны, как это реализовано в радиолокационном дальномере, защищенном патентом РФ №32387 на полезную модель. Для формирования сигнала, пропорционального крутизне γ(t) перестройки частоты в устройство, реализующее предлагаемый способ, достаточно ввести элемент задержки, смеситель и полосовой фильтр. Перестраиваемый по частоте зондирующий СВЧ-сигнал необходимо пропускать через элемент задержки. При этом с помощью смесителя сигналы с входа и с выхода элемента задержки следует смешивать, а с помощью фильтра из полученной смеси сигналов выделять разностный сигнал. Его частота пропорциональна крутизне γ(t) перестройки частоты зондирующего сигнала и может быть измерена контроллером.

Способ радиолокационного измерения расстояния, основанный 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, отличающийся тем, что измеряют крутизну 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:
.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиовысотомерам с частотной модуляцией зондирующего сигнала. Достигаемый технический результат - упрощение устройства и повышение его надежности и помехозащищенности.

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.

Радиолокационный уровнемер относится к радиотехнике и может быть использован для построения высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах и высотомеров малых высот.

Изобретение относится к области ближней локации и, в частности, к измерителям уровня методом ЧМ-локации. .

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 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