МНОГОШКАЛЬНОЕ ФАЗОВОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ M ПАРАМЕТРОВ Российский патент 1995 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к области определения нескольких параметров по результатам неоднозначных измерений электрических величин, в частности полных фаз сигналов, линейно связанных с параметрами.

Устройство может быть использовано для определения углов направления на источник электромагнитного излучения в пространстве в составе многобазовых фазовых пеленгаторов с линейной, плоской или объемной антенной решеткой (АР), для определения дальности фазовым методом с использованием многочастотного сигнала, в радионавигации при относительных определениях и угловой ориентации объектов в составе фазовых интерферометров, в связи для передачи конфиденциальной информации по нескольким каналам с использованием многочастотного сигнала и модуляции фаз частотных составляющих сигнала линейными комбинациями передаваемых сообщений.

Известно фазовое многошкальное устройство для измерения одного параметра, содержащее блок формирования импульсов шкал, временное положение которых по оси времени определяется неоднозначными измерениями параметра, и перемножитель импульсов, причем входы перемножителя подключены к выходам блока формирования импульсов шкал [1].

Недостатками устройства являются низкое быстродействие, обусловленное необходимостью применения фазовременного преобразователя, невысокие достоверность (вероятность правильного устранения неоднозначности) и точность вследствие реализующегося здесь последовательного способа устранения неоднозначности и использования в итоге измерения лишь по одной самой точной шкале.

Известно многошкальное устройство в составе фазового многобазового пеленгатора для измерения двух параметров - углов направления на искусственный спутник земли [2] . Оно состоит из двух отдельных многошкальных устройств, каждое из которых определяет лишь один параметр по результатам измерений разностей фаз сигналов в элементах АР, расположенных соответственно на двух взаимно перпендикулярных прямых линиях плоскости, образующих крест Миллса. Каждое отдельное многошкальное устройство содержит блок преобразования разностей фаз в код и вычислитель, который реализует фактически последовательный способ устранения неоднозначности.

Устройство обладает высоким быстродействием вследствие использования преобразователя разностей фаз в цифровой код. Однако оно имеет невысокие достоверность и точность определения углов, свойственных последовательному способу устранения неоднозначности. Другим недостатком устройства является требование размещения элементов АР на двух взаимно перпендикулярных линиях плоскости, образующих два ряда, что исключает размещение элементов АР около окружности или неэквидистантное размещение элементов на всей части плоскости, отведенной под АР.

Изобретение направлено на повышение достоверности и точности измерений.

Указанный технический результат достигается тем, что в многошкальное фазовое устройство измерения m параметров, содержащее n фазовых датчиков, отсчеты фаз с выходов которых образуют n шкал по отношению к каждому измеряемому параметру, введены n первых весовых сумматоров, каждый из которых имеет n входов, m вторых весовых сумматоров, каждый из которых имеет n-m+1 входов, и m блоков умножения, при этом выход каждого i-го фазового датчика подключен к объединенным i-м входам первых сумматоров, где i = , первые входы блоков умножения соединены соответственно с выходами вторых сумматоров, объединенные вторые входы блоков умножения подключены к клемме кода частоты, одноименные входы с первого по (n-m)-й вторых сумматоров объединены и подключены соответственно к выходам первых сумматоров с первого по (n-m)-й, а (n-m+1)-е входы вторых сумматоров подключены соответственно к выходам первых сумматоров с (n-m+1)-го по n-й.

Векторный параметр = (v₁,...,v_m)^т в рассматриваемой многошкальной измерительной системе при отсутствии ошибок измерений фаз связан линейной зависимостью с вектором полных фаз так, что
= + = N = v+v+...+v, (1) где верхний индекс т означает транспонирование вектор-строки в вектор-столбец;
= ( ϕ₁,... ϕ_n)^т - вектор измеренных фаз; ϕ_i - дробная часть i-й полной фазы, выраженной в единицах 2π , 0 ≅ ϕ_i < 1, i = ;
= (k₁,...,k_n)^т - вектор целых частей полных фаз (целых циклов фаз), называемый в дальнейшем вектором неоднозначности (ВН);
N = (,..., ) - матрица линейной связи, вектор-столбцы = (n_1i,..., n_ni)^т, i = оторой являются векторами масштабных коэффициентов шкал по соответствующим параметрам.

В устройстве по измеренному вектору фаз восстанавливается неизвестный ВН (устраняется неоднозначность). Это оказывается возможным благодаря тому, что каждому определяемому параметру отвечает согласно выражению (1) n шкал, образованных отсчетами фаз и неизвестными числами целых циклов фаз.

Ограничимся выбором таких масштабных коэффициентов шкал, которые соотносятся между собой как целые числа. При этом имеет место равенство
= Δv , i = (2) где = (e_1i,..., e_ni)^т - вектор с целыми взаимно простыми координатами; Δ v_i - коэффициент пропорциональности.

Соотношение (1) с учетом равенства (2) представим в виде
+ = + ...+ . (3)
Из выражения (3) следует, что значение вектора фаз повторяется при изменении i-го из параметров на величину Δ v_i (i = 1,2,...,m) и фиксированных остальных. Это означает, что отсчеты параметров v_i по отношению к вектору фаз неоднозначны и имеют периоды Δ v_i повторения своих значений.

Перейдем в выражении (3) к нормированным параметрам v_iн= , i = :
= H, (4) где H = (,..., ) - целочисленная матрица размера nxm;
= (v_1н,..., v_mн)^т - вектор нормированных параметров.

Для упрощения записи нижний индекс у далее опускаем.

Известен оптимальный алгоритм оценки векторного параметра, полученный методом максимального правдоподобия при аппроксимации погрешностей измерений фаз нормальным усеченным свернутым законом распределения. Этот алгоритм с учетом связи (4) может быть записан в виде
= W(ϕ + ); (5)
= arg mnl(); (6)
l() = ( + )^т D( + ), (7) где W = (Н^тВ^-1Н)^-1Н^тВ^-1 - матрица весов размера mxn;
D = В^-1 - В^-1Н(Н^тВ^-1Н)^-1Н^тВ^-1 - матрица размера nxn;
В^-1 - матрица, обратная корреляционной матрице В погрешностей измерений фаз.

Здесь для измеренного вектора фаз отыскивается вначале оценка ВН (6) путем минимизации квадратичной формы (7) на множестве всех возможных целочисленных ВН, а затем весовым суммированием оценка вектора нормированных параметров (5). В формулах (5) и (6) новый базис определяется матрицей перехода
C = (,..., , ,..., ) = (K, H) где K = (,..., ) - матрица, составленная из ВН, образующих совместно с векторами , i = , унимодулярную матрицу (det C = ± 1), для которых значения форм D, i = , не больше, чем для других ВН.

Обозначим векторы и , представленные координатами относительно нового базиса, через = (,..., )^т и = (,..., )^т. Известно, что = C и = C . Координаты вектора принимают вследствие унимодулярности матрицы С целочисленные значения. Формула (5) в новом базисе может быть записана в виде
=(A, I)( + ) = A + ., (8) где (А, I) - блочная матрица;
А = (Н^тВ^-1Н)^-1Н^тВ^-1К = (а_ij) - матрица размера mx(n-m);
I - единичная матрица размера mxm;
= C^-1 - линейно преобразованный вектор измерений;
C^-1= () - матрица, обратная к матрице С, i,j = .

Оценка ВН (6) в новом базисе устанавливается по правилу
= arg mn( + )^т C^т DC( + ). (9)
Нетрудно убедиться, что форма в правой части выражения (9) является функцией первых n-m координат векторов, так как последние m строк и m столбцов матрицы С^тDC нулевые.

Если положить внедиагональные элементы матрицы С^тDC равными нулю, то правило (9) сводится к следующему:
= - [] , i = , (10) где [˙] обозначает операцию выделения целого числа, ближайшего к аргументу. Остальные координаты , i = , вектора не определяются. В результате оценка (8) находится с точностью до неизвестного целочисленного вектора (,..., ). Отсюда следует, что длины интервалов однозначного определения оценок нормированных параметров v*i

, i = , равны единице. Это необходимо учитывать при задании области изменения параметров.

Неизвестные ,..., можно, например, положить равными нулю. Тогда оценки нормированных параметров в дальнейшем нужно приводить к интервалам однозначности.

Формула (8) примет вид
= A + .. (11)
Вычисление отклонений - [] , i = , в выражении (11) можно свести к наиболее просто реализуемым операциям выделения дробных частей смещенных величин .

Обозначим через Д(х) операцию выделения дробной части величины х, которая заключается в отбрасывании (неиспользовании) целой части величины х при сохранении знака величины у оставшейся части. Нетрудно убедиться в справедливости формулы замены операций:
х - [x] = Д(х + 0,5) - 0,5 при х ≥ -0,5.

Чтобы воспользоваться формулой замены операций над переменными , i = необходимо сместить возможные значения этих переменных в область [-0,5; ∞ ]. Для этого прибавим к постоянное целое неотрицательное число
t_i= где обозначает операцию нахождения наименьшего целого числа, большего или равного аргументу. Наименьшее значение min величины отыскивается на множестве всех возможных значений вектора фаз . После упрощения получим равенство
- [] = D(S_i) - 0,5 (12) где S_i= + t_i+0,5, i = . Отсюда видно, что отклонение величины от ближайшего к ней целого числа устанавливается путем использования дробной части величины S_i.

Формула (11) с учетом равенства (12) может быть записана в векторно-матричной форме:
= A + (13) и покоординатно
v*i

= a_i1(D(S₁)-0,5) + ... +a_i(n-m)(D(S_n-m)-0,5) + ,i = (14)
Приведение оценок нормированных параметров v_i^*, i= к интервалам однозначности [0, 1] может быть выполнено с использованием операции выделения дробной части смещенных оценок:
v_pi^* = Д(U_i), (15) где U_i - v_i^* + r_i;
r_i - установочная константа, служащая для смещения всех возможных значений оценки v_i^* в положительную область и установки ее нулевого значения в нужном месте интервала однозначности. Требуемое смещение обеспечивается при r_i ≥ r_0i, где
r_oi=
Наименьшее значение min v_i^* величины v_i^* отыскивается также на множестве всех возможных значений вектора фаз .

В фазовых системах периоды однозначности параметров находятся в прямо пропорциональной зависимости от длины волны λ сигнала, т.е.

Δ v_i = λ δ_i, i = . где δ_i - фиксированный коэффициент.

Окончательно оценки параметров в безотносительных единицах устанавливаются умножением
v_0i^* = λ δ_i v_pi^*, i = . (16)
Формулы (13), (15) и (16) составляют квазиоптимальный алгоритм оценки параметров и являются математической моделью заявляемого устройства.

Устройство предоставляет возможность использования произвольных масштабных коэффициентов шкал при целочисленных соотношениях между ними. Это позволяет, например, в фазовом пеленгаторе размещать неэквидистантно элементы АР около окружности, сферы или просто во всей части пространства, отведенного под АР. В результате может быть увеличено число фазовых информационных каналов и возрастает количество вариантов выбора масштабных коэффициентов шкал, что позволяет увеличить точность и найти вариант с высокой достоверностью определения оценок параметров. Все шкалы могут быть неоднозначными. Неоднозначность измерений устраняется одновременно по всем фазовым каналам, а оценка векторного параметра формируется с использованием всех измерений фаз, что также увеличивает точность. Устройство содержит минимальное число блоков и является простым при аппаратурной реализации.

На чертеже изображена функциональная схема многошкального фазового измерительного устройства.

Устройство состоит из n фазовых датчиков 1, n n-входовых весовых сумматоров 2, одноименные входы которых объединены и подключены соответственно к выходам фазовых датчиков 1, m (n-m+1)-входовых весовых сумматоров 3, одноименные входы с первого по (n-m)-й которых объединены и подключены соответственно к выходам сумматоров 2 с первого по (n-m)-й, а (n-m+1)-е входы подключены соответственно к выходам сумматоров 2 с (n-m+1)-го по n-й, m блоков 4 умножения, первые входы которых соединены соответственно с выходами сумматоров 3, объединенные вторые входы подключены к клемме 5 кода частоты, а выходы являются выходами многошкального фазового измерительного устройства по m переменным параметрам.

Устройство работает следующим образом.

Фазовые датчики 1 измеряют фазы - дробные части ϕ₁, ϕ₂,...,ϕ_nполных фаз μ₁ = = ϕ₁ + k₁, μ₂ = ϕ₂ + k₂,..., μ_n = ϕ_n + k_nэлектрических периодических сигналов. В результате происходит потеря целых циклов фаз k_i, i = . Значения измеренных фаз представлены на выходах фазовых датчиков электрическими сигналами, с помощью которых осуществляется передача значений величин между всеми блоками устройства.

Измеренные фазы ϕ_i, i = , передаются с выходов фазовых датчиков 1 на входы каждого из сумматоров 2, в которых происходит их весовое суммирование, а в первых n-m сумматорах еще и сложение результата с постоянными числами. На выходе i-го из сумматоров 2 возникает сигнал величины
S_i= + ... ++t_i+0,5 , i = ,
= + ... + i = .

Величины S_i, i = , передаются с выходов первых n-m сумматоров 2 на входы с первого по (n-m)-й каждого из сумматоров 3. Причем там используются только дробные части этих величин, что является следствием применения квазиоптимального алгоритма восстановления целых циклов фаз.

Величины , i = , передаются с выходов m последних сумматоров с (n-m+1)-го по n-й на (n-m+1)-е входы соответствующих m сумматоров 3. В сумматорах 3 выполняется весовое суммирование, и на их выходах возникают сигналы величин
U_i= a_i1D(S₁)+ ... +a_i(n-m)D(S_n-m)++g_i+r_i , i = , где g_i = -0,5a_i1 - ... - 0,5 a_i(n-m) - постоянная величина.

Величины U_i, i = , передаются с выходов сумматоров 3 на первые входы соответствующих блоков 4 умножения, в которых используются только их дробные части. На объединенные вторые входы блоков умножения поступает сигнал величины λ с клеммы 5 кода частоты. В результате перемножения входных величин на выходах блоков 4 умножения формируются сигналы оценок определяемых параметров
v_0i^* = λ δ_iД(U_i), i = .

Устройство легко реализуется при цифровой обработке сигналов на элементах цифровой логики.

Изобретение относится к фазовым измерениям и может быть использовано в радиолокации, радионавигации и связи. Устройство содержит n фазовых датчиков 1, n первых весовых сумматоров 2, каждый из которых имеет n входов, m вторых весовых сумматоров 3, каждый из которых имеет n - m + 1 входов, где m - число измеряемых параметров, m блоков умножения, клемму 5 кода частоты. 1 ил.

МНОГОШКАЛЬНОЕ ФАЗОВОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ M ПАРАМЕТРОВ, содержащее n фазовых датчиков, отсчеты фаз с выходов которых образуют n шкал к каждому измеряемому параметру, отличающееся тем, что в него введены n первых весовых сумматоров, каждый из которых имеет n входов, m вторых весовых сумматоров, каждый из которых имеет n - m + 1 входов, и m блоков умножения, при этом выход каждого i-го фазового датчика подключен к объединенным i-м входам первых сумматоров, где первые входы блоков умножения соединены соответственно с выходами вторых сумматоров, объединенные вторые входы блоков умножения подключены к клемме кода частоты, одноименные входы с первого по (n - m)-й вторых сумматоров объединены и подключены соответственно к выходам первых сумматоров с первого по (n - m)-й, а (n - m + 1)-е входы вторых сумматоров подключены соответственно к выходам первых сумматоров с (n - m + 1)-го по n-й.