ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01S13/58 G01S13/60 

Изобретение относится к навигации, в частности для измерения скорости подвижных объектов.

Известно устройство для измерения скорости (допплеровские измерители скорости), содержащее антенну, генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель, усилитель, вычислитель и индикатор [1]
Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, приемопередающую антенну, смеситель, усилитель допплеровского сигнала, измеритель частоты, в которое для повышения точности вновь введены формирователь строб-импульсов в моменты запирания допплеровского сигнала и фазовращатель [2] Данное устройство действительно повышает точность измерения за счет изменения фазы сигнала гетеродина в момент пропадания сигнала (в большинстве известных устройств используется схема запоминания предыдущего сигнала, т.е. они переходят в режим работы "память").

Однако в известных устройствах присутствует погрешность, обусловленная влиянием вибрации антенно-фидерных элементов.

Целью изобретения является уменьшение влияния вышеуказанных помех.

Для этого в измеритель скорости, состоящий из генератора СВЧ-колебаний, циркулятора, приемопередающей антенны, смесителя, усилителя, фазовращателя и измерителя допплеровской частоты, введены СВЧ-фильтр, блок автоматической подстройки зоны генерации и следящий частотно-цифровой преобразователь, два входа которого соединены с двумя выходами измерителя допплеровской частоты, первый вход фазовращателя соединен с выходом смесителя, второй вход соединен с выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, а выход соединен с вторым входом измерителя допплеровской частоты, второй вход блока автоматической подстройки зоны регенерации соединен с выходом усилителя, а второй выход с первым входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, выход которого соединен с входом сверхвысокочастотного фильтра, а второй вход с выходом модулятора, выход сверхвысокочастотного фильтра соединен с другим плечом циркулятора, а сверхвысокочастотный фильтр выполнен в форме волновода сечением 13х6,5 мм и снабжен двумя индуктивными штыревыми решетками и подстроечным винтом посередине.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 сверхвысокочастотный фильтр, две проекции и, и его частотная характеристика соответственно; на фиг. 4 следящий частотно-цифровой преобразователь; на фиг. 5 фазовращатель.

Измеритель скорости содержит приемопередающую антенну 1, циркулятор 2, свервысокочастотный фильтр 3, смеситель 4, фазовращатель 5, генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний, усилитель 7, модулятор 8, блок 9 автоматической подстройки зоны генерации, измеритель 10 допплеровской частоты и следящий частотно-цифровой преобразователь 11.

Сверхвысокочастотный фильтр 3 состоит из корпуса 12, выполненного в форме волновода, двух индуктивных штыревых решеток 13 и 14 и подстроечного винта 15.

Следящий частотно-цифровой преобразователь 11 содержит вычитатель 16 частот, управляемый делитель 17 и реверсивный двоичный счетчик 18.

Фазовращатель 5 содержит предварительный усилитель 19, демодулятор 20, два фильтра 22 и 21 низких частот, два усилителя-ограничителя 24 и 23, элемент 25 задержки, схему И 26 и D-триггер 27.

Приемопередающая антенна 1 предназначена для передачи и приема СВЧ радиоволн, поступающих с модулятора 8 через генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний и сверхвысокочастотный фильтр 3.

Модулятор 8 состоит из задающего кварцевого генератора прямоугольных импульсов частотой следования 100 или 75 кГц и непосредственно модулятора, который выдает на модуляционный вход генератора 6 сверхвысокочастотных колебаний сумму прямоугольного и постоянного напряжений.

Генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний представляет собой твердотельный генератор на основе диода Ганка с электронной перестройкой варактором, работающий в диапазоне 14,1-15,2 ГГц с диапазоном электронной перестройки 110 МГц.

Генератор 6 через циркулятор 2 в режиме вентиля нагружен на сверхвысокочастотный фильтр 3, который служит для автоматической подстройки зоны генератора и температурной стабилизации. Частотная модуляция генератора 6 осуществляется блоком 9 автоматической подстройки зоны генерации.

Излученный антенной сигнал отражается от подстилающей поверхности и после приема этой же антенной через циркулятор 2 направляется на смеситель 4, в качестве которого используется детекторная секция на базе диода Шоттки с малыми шумами, где отраженный сигнал смешивается с частью излучаемого сигнала.

Принятый сигнал фильтруется и усиливается усилителем 7, который представляет собой усилитель промежуточной частоты. Частота его настройки равна частоте модуляции, полоса удвоенной полосе допплеровского спектра при максимальной скорости.

Сигнал с выхода усилителя 7 поступает на синхронный детектор блока 9 автоматической подстройки зоны генерации, конструкция и электрическая схема которого аналогичны описанным в прототипе. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Допплера.

В предлагаемом устройстве используется режим частотной манипуляции, основными преимуществами которого при соответствующем построении приемного тракта является значительное ужесточение влияния различных помех (низкочастотного шума смесителя, виброшумов антенно-волноводного тракта, пульсаций источника питания) и простота осуществления модуляции.

Для реализации частотной манипуляции служит модулятор в блоке 9, состоящий из задающего кварцевого генератора и двух формирователей прямоугольных импульсов частотой следования 75 и 100 кГц, который выдает на модуляционный варакторный вход блока 6 сумму прямоугольного и постоянного с выхода дискриминатора блока 9 напряжений.

Как известно из теории, достоинства частотной манипуляции используются лишь при равенстве мощностей преобразованных на смесителе 4 сигналов обеих частот.

Однако как при генерации, так и при прохождении СВЧ тракта сигналы обеих генерируемых частот могут быть неравными по мощности. Для выравнивания мощностей служит следящая система, образованная сверхвысокочастотным фильтром 3, усилителем 7 и дискриминатором блока 9.

Задачей следящей системы является выделение напряжения расстройки частоты генерации от частоты настройки сверхвысокочастотного фильтра 3, устранение паразитной амплитудной модуляции и слежение за средней частотой сверхвысокочастотного фильтра 3.

Со смесителя 4 и блока 9 сигналы также поступают на фазовращатель 5. Со смесителя 4 сигнал поступает на предварительный усилитель 19, а с блока 9 на демодулятор 20.

В демодуляторе 20 посредством опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узкополосных и низкочастотных сигнала, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации и усиления сигналы подаются на логическую схему определения знака, образованную элементом 25 задержки, схемой И 26 и D-триггерами 27, которая работает следующим образом. Если один сигнал опережает другой (опорный) на величину фазы в пределах от 0 до 180^о, то на выходе вырабатывается "1", а если отстает по фазе от опорного в пределах от 0 до 180^о, то на выходе вырабатывается "0".

С блоков 5 и 9 сигналы поступают на измеритель 10 допплеровской частоты (фиг. 6), состоящий из фильтра 28 допплеровской частоты, формирователя 29, счетчика 30, тактового генератора 31 и выходного усилителя 32, где они после фильтрации поступают на формирователь и преобразуются в сигналы прямоугольной формы, после чего поступают на счетчик 30, на который также поступают сигналы от тактового генератора 31, где считается число импульсов за время Т (Т выбирается в зависимости от требований со стороны потребителей информации). В качестве счетчика может использоваться, например, аналоговый диодный интегратор с накопительной емкостью или дискретный счетчик импульсов. Со счетчика 30 сигналы в виде частоты F_x или F_y через выходной усилитель 32 подаются на следящий частотно-цифровой преобразователь 11, в частности на вычитатель 16 частот, на который через управляемый делитель 17 подается опорная кварцевая частота F_оп с измерителя 10. Разность частот с вычитателя 16 частот поступает на реверсивный двоичный счетчик 18 и управляемый делитель 19 до тех пор, пока разность частот не будет равной нулю, т.е. F_x KF_on. На выходе реверсивного двоичного счетчика 18 в этом случае код пропорционален составляющим скорости V_x или V_y. С счетчика 18 сигналы могут подаваться на индикаторные устройства или потребителям информации, например в системы автоматического управления движением подвижных объектов.

Ввод новых элементов выгодно отличает предлагаемое устройство от аналогов и прототипа.

Как известно допплеровские системы непрерывного излучения с частотной модуляцией обладают по сравнению с обычными системами непрерывного излучения более высокой степенью разделения передающего и приемного трактов и возможностью дискриминации отраженных сигналов от близко расположенных объектов. Это объясняется тем, что при относительном нулевом сдвиге частоты сигнала гетеродина и принимаемого сигнала амплитуды боковых полос сигнала на выходе смесителя 4 уменьшаются при уменьшении пути принятого сигнала, что объясняется перераспределением мощности в пределах полосы частот этого сигнала. Для частотно-манипулированного сигнала, как частотного случая частотно-модулированного, это уменьшение будет эффективным лишь при равенстве мощностей попеременно излучаемых частот, ибо в противном случае сигнал становится амплитудно-частотно-манипулированным, что соответствует добавлению импульсного СВЧ излучения к частотно-манипулированному, при этом при отражении от близко расположенных объектов на выходе смесителя 4 появляется напряжение частоты Допплера, величина которого как и для случая обыкновенного непрерывного излучения не зависит от электрического пути сигнала.

Для выравнивания излучаемых частот, а значит и подавления паразитных сигналов, в цепь СВЧ тракта после генератора 6 СВЧ включен элемент с "колоколообразной" амплитудной частотной характеристикой, например СВЧ фильтр 3, а выравнивание мощностей производится с помощью блока 9 автоматической подстройки зоны генерации, изменяющей в небольших пределах частоты излучения. Усиление же сигнала производится на частоте манипуляции, где существует упомянутая зависимость величины сигнала от длины его пути. В отличие от известных устройств на выходе синхронного детектора в общем случае присутствуют две составляющие: напряжение частоты Допплера и постоянное напряжение, пропорциональное величине амплитудной модуляции.

Измерение направления движения основано на применении частотной модуляции излучаемого сигнала по прямоугольному закону частотной манипуляции.

При частотной модуляции излучение с частотой модуляции F_mосуществляется поочередно в виде двух сигналов, частоты которых f₁ и f₂отличаются от центральной частоты f_o на величину девиации Δf:f₁= f_o Δf, f₂ f_o + Δf. Сигналы в соседних полупериодах модуляции, соответствующие частотам f₁ и f₂ выражаются формулами
ε_пр1 Е_пр cos (2 πtg t + 2 πΔf τ_з);
ε_пр2 Е_пр cos (2πtg t 2πΔfτ_з) (1) где τ_з время задержки, определяемое расстоянием до подстилающей поверхности τ_з 22 о/c.

Разность фаз допплеровских сигналов (Е_пр1 и Е_пр2) Δϕ= 8πΔfR_o/c пропорциональна дальности от приемопередающей антенны 1 до подстилающей поверхности (1) соответствует положительному (встречному) направлению перемещения. При отрицательном направлении знаки фазы в формулах (1) меняются на обратные и разность фаз допплеровских сигналов становится отрицательной Δϕ= -8πΔfR_o/c, т. е. для определения направления движения определяется знак разности фаз допплеровских сигналов, соответствующих частотам излучения f₁ и f₂ в соседние полупериоды частотной модуляции.

Кроме того, частотная модуляция позволяет существенно уменьшать влияние вибрационных помех на работу измерителя параметров движения.

Первая гармоника сигнала смесителя 4 при частотной модуляции выражается формулой
ε_пр 2/πE_пр sin (4πΔfR/c)[sin (2π{F_m + F_д}t) sin (2π{F_m-F_д}t)]
После детектирования на синхронном детекторе с опорным напряжением частоты модуляции выделяется допплеровский сигнал
ε_д 2/πsin (4 πfR/c sin (2πF_дt) (2)
Для получения максимального сигнала величина девиации выбирается из условия sin (4πΔfR/c) 1 или 4πΔfR/c= π/2.

Тогда Δf c/8 R_мaкc, где R_макс максимальное расстояние до подстилающей поверхности.

R_макс Н_макс/cos (γ), где Н_макс максимальная высота подъема корпуса объекта над подстилающей поверхностью (с учетом начальной установки приемопередающей антенны 1).

Как видно из формулы (2), для сигналов вибрационной помехи, обусловленных паразитными отражениями от антенно-волнового тракта, расстояние R ничтожно мало и сигнал вибрационной помехи существенно подавляется.

Ввод следящего частотно-цифрового преобразователя обеспечивает сглаживание флюктуаций выработанных сигналов путем скользящего усреднения с возможностью изменения времени усреднения в широких пределах, что позволяет использовать предлагаемое устройство на подвижных объектах с различными системами автоматического управления движением без доработки последних.

В предлагаемом устройстве, как и в аналогах и прототипе, приемопередающая антенна 1 широкополосна, что позволяет при необходимости существенно изменить рабочие частоты измерителя.

В то же время эти волноводно-щелевые антенны обладают частотной и температурной зависимостью. Поэтому даже при высокостабильном генераторе будет наблюдаться отклонение луча антенны при изменении температуры, что приводит к ошибкам измерения.

В предлагаемом устройстве конструкция сверхвысокочастотного фильтра 3, как показали выполненные расчеты, при нестабильном СВЧ-генераторе позволяет получить температурную ошибку частоты Допплера при одновременном изменении несущей частоты генератора, равной
ΔF_д 2 V_x (0,144472 0,1436938) 2 V_x 0,0007782 Гц или ΔF_д 0,078% т.е. ошибка уменьшается почти в 6 раз по сравнению с аналогом и прототипом (0,18%).

Использование: измерение скорости подвижных объектов. Сущность изобретения: измеритель скорости содержит приемопередающую антенну 1, циркулятор 2, сверхвысокочастотный фильтр 3, смеситель 4, фазовращатель 5, сверхвысокочастотный генератор 6, усилитель 7, модулятор 8, блок 9 автоматической подстройки зоны генерации, измеритель 10 доплеровской частоты и следящий частотно-цифровой преобразователь 11. 1-2-4-7-9-6-3-2-1, 4-5-10-11, 6-8, 9-5, 9-10. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий приемопередающую антенну, соединенную через циркулятор с входом смесителя, выход которого соединен с входом усилителя, генератор сверхвысокочастотных колебаний, фазовращатель и измеритель доплеровской частоты, отличающийся тем, что введены модулятор, сверхвысокочастотный фильтр, блок автоматической подстройки зоны генерации и следящий частотно-цифровой преобразователь, два входа которого соединены с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, а второй вход с первым выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, второй выход которого соединен с первым входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, второй вход которого соединен с выходом модулятора, а выход с входом сверхвысокочастотного фильтра, выход которого соединен с другим плечом циркулятора, выход смесителя соединен с первым входом фазовращателя, второй вход которого соединен с третьим выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, вход которого соединен с выходом усилителя. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что сверхвысокочастотный фильтр выполнен в форме волновода сечения 13 х 6,5 мм и содержит две индуктивные штыревые решетки и подстрочный винт посередине.