ЦИФРОВОЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 1996 года по МПК G01S7/28 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в радиолокации для измерения дальности, в ультразвуковой диагностике и в других сферах, где необходимо измерение временных интервалов.

Известны цифровые следящие измерители дальности, которые содержат оптимальный приемник, АЦП и цифровые формирователи дискриминационной характеристики измерителя.

Недостатком следящих измерителей вообще и указанных в частности является потеря устойчивости функционирования в многосигнальных ситуациях.

При астатизме второго порядка следящий измеритель в состоянии обеспечить отсутствие динамических ошибок измерения только по целям, движущимся с постоянной скоростью.

Наконец, еще одним недостатком следящих дальномеров является их уязвимость от воздействия уводящих по дальности помех.

Все это позволяет говорить о предпочтительности применения неследящих измерителей дальности.

Известно неследящее цифровое устройство измерения дальности до цели, содержащее генератор эталонных импульсов, вентиль "И", счетчик, синхронизатор, триггер, устройство обнаружения сигналов, две линии задержки, регистр дальности, потенциально-импульсную схему вывода. Известное устройство свободно от недостатков, присущих следящим дальномерам, и позволяет дискретно измерять дальность "с точностью до периода повторения импульсов эталонной частоты".

Однако для повышения точности измерения необходимо применение двухшкальных методов отсчета. Кроме того, точность измерения в данном случае зависит от параметров устройства обнаружения сигналов, к качеству работы которого предъявляются очень жесткие требования.

Известно дальномерное устройство, содержащее АЦП, регистры, оперативное запоминающее устройство ОЗУ, обнаружитель-измеритель.

Будучи ориентированным на обработку пачки видеоимпульсов, оно в принципе может быть использовано и для измерения дальности по одиночному сигналу при условии, что темп дискретизации позволяет получить за время длительности импульса n отсчетов АЦП. Недостатком устройства является неоптимальность обработки эхо-сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является (см. Лихарев А. П. "Цифровые методы и устройства в радиолокации", М. Сов. радио, 1973 г, с. 129 130) цифровой дальномер, функционирующий в режиме "движущегося окна", содержащий, в частности, АЦП, ОЗУ, схему управления ОЗУ (ее наличие подразумевается), квадратор (функциональный преобразователь на ОЗУ), накопитель (в тексте оригинала фигурирует под наименованием "сумматор"), cхему сравнения с порогом, включающую цифровой компаратор, на один из входов которого поступает код порогового напряжения. Вход АЦП является входом устройства. Данное съемное решение позволяет осуществить цифровое накопление пачки видеоимпульсов, взвешенной по закону ее огибающей.

Недостатком является ориентация на видеочастотную обработку информации, что не позволяет получить высокую точность измерения дальности, которая, как известно, может быть достигнута путем перехода к определению времени задержки на радиочастоте. Кроме того, универсальность устройства-прототипа снижена из-за отсутствия возможности управления протяженностью "движущегося окна".

Сущность изобретения заключается в том, что в состав цифрового дальномера дополнительно вводятся два мультиплексора, буферный регистр, регистр-накопитель; блок управления блоком оперативной памяти (БОП) включает триггер, формирователь импульсов, циклически перестраиваемый счетчик с наибольшим циклом повторения N, где N число отсчетов АЦП, укладывающихся в пределах длительности максимального по протяженности "окна", накопитель выполнен в виде накопителя-вычитателя, емкость БОП составляет N m-разрядных слов, где m разрядность АЦП, причем выход АЦП соединен с первым входом первого мультиплексора, на второй вход которого поступает нулевой потенциал, выход первого мультиплексора соединен с информационным входом БОП, а также с первым входом второго мультиплексора, второй вход которого соединен с информационным выходом БОП, адресные входы БОП соединены с выходами циклически перестраиваемого счетчика схемы управления БОП, на информационный вход которого поступает код "Размер окна", выход второго мультиплексора соединен со входом адреса квадратора, информационный выход которого соединен с информационным входом буферного регистра, выход которого подключен к первым информационным входам накопителя вычитателя, выход которого соединен со входом регистра-накопителя, выход которого соединен со вторыми информационными входами накопителя-вычитателя и является выходом дальномера, объединенные входы триггера и формирователя импульсов представляют собой тактовый вход дальномера, прямой выход триггера соединен с тактовым входом АЦП, а инверсный с объединенными счетным входом циклически перестраиваемого счетчика, управляющими входами БОП и второго мультиплексора, выход формирователя импульсов подключен к объединенным управляющим входам буферного регистра и регистра-накопителя, объединенные управляющие входы первого мультиплексора и накопителя-вычитателя образуют вход "Сброс" ("Начало дистанции"), дальномера, управляющий вход квадратора является входом "Признак" устройства.

Вход "Размер окна" предназначен для управления временной протяженностью скользящего по дальности окна. Вход "Признак" необходим для управления режимом работы дальномера и позволяет переходить от накопления суммы квадратов отсчетов к режиму накопления модулей. Момент окончания сигнала "Сброс" является началом отсчета дальности.

Существенность отличий заявленного устройства, помимо очевидных различий в аппаратном решении, заключается в том, что в нем предусмотрена возможность варьировать временной протяженностью скользящего окна, осуществлять переход от режима накопления суммы квадратов отсчетов к накоплению суммы модулей положительного или отрицательного числа, что, в свою очередь, позволяет измерять время задержки как видео-, так и радиоимпульсов. Кроме того, выполнение накопителя в виде накопителя-вычитателя позволило предельно упростить операцию обновления информации в скользящем окне, поскольку отпала необходимость в постоянном переводе накопителя из режима суммирования вновь поступившего отсчета АЦП в режим вычитания первого и задействованных в текущем положении скользящего окна отсчетов.

Функциональная схема устройства приведена на фиг. 1, где использованы следующие обозначения: 1 аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 2 первый мультиплексор; 3 блок оперативной памяти (БОП); 4 второй мультиплексор; 5 циклически перестраиваемый счетчик; 6 квадратор, выполненный на блоке постоянной памяти (ПЗУ); 7 буферный регистр; 8 накопитель-вычитатель; 9 - регистр-накопитель; 10 триггер; 11 формирователь импульсов.

В рассмотренном варианте технического решения дальномера предполагалось, что скользящая сумма квадратов либо вообще не сравнивается с порогом, либо это сравнение проводится программно в последующих устройствах отображения информации. В принципе пороговое тестирование может быть реализовано аппаратно. Для этого в рассматриваемый дальномер необходимо ввести схему сравнения с порогом в составе регистра и цифрового компаратора, причем на информационные входы регистра поступает код порогового напряжения (сигнал "Порог"), а его управляющий вход подключен ко входу "Сброс" дальномера, выход регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого соединен с объединенными выходом регистра-накопителя и вторыми информационными входами накопителя-вычитателя, которые в совокупности с выходом цифрового компаратора образуют выход дальномера.

Функциональная схема данного варианта цифрового дальномера представлена на фиг. 2, где в дополнение к фиг. 1 использованы следующие обозначения: 12
регистр, 13 цифровой компаратор.

В ряде приложений, когда не требуется детальная индикация развертки дальности, применение может найти вариант цифрового дальномера, представленного на фиг. 1, в состав которого дополнительно введена схема поиска максимума и сравнения с порогом. Ее первый вход соединен с выходом регистра-накопителя, на второй вход поступает код порогового напряжения (сигнал "Порог"), выход cхемы является выходом дальномера, первый управляющий вход схемы соединен со входом "Сброс" дальномера, а второй управляющий вход - прямым (или инверсным) выходом триггера.

При ориентации на одноцелевые измерения возможным вариантом построения указанной схемы поиска максимума и сравнения с порогом является исполнение ее в составе цифрового компаратора, счетчика и четырех регистров, причем на информационные входы первого регистра поступает код порогового напряжения (сигнал "Порог"), выход первого регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого соединен с объединенным выходом регистра-накопителя, вторыми информационными входам накопителя-вычитателя и входом второго регистра, выход которого соединен с третьим входом цифрового компаратора, выход которого соединен с объединенными управляющими входами второго и третьего регистров, вход третьего регистра соединен с выходами счетчика, счетный вход которого подключен к прямому выходу триггера, выход третьего регистра соединен со входом четвертого регистра, выход которого является выходом схемы, объединенные управляющие входы первого, четвертого регистров и вход обнуления счетчика соединены со входом "Сброс" дальномера.

Функциональная схема цифрового дальномера с изложенным вариантом построения схемы поиска максимума и сравнения с порогом приведена на фиг. 3, где использованы следующие обозначения: 1 аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 2 первый мультиплексор; 3 блок оперативной памяти; 4 второй мультиплексор; 5 циклически перестраиваемый счетчик; 6 квадратор; 8 накопитель-вычитатель; 9 регистр-накопитель; 10 триггер; 11 - формирователь импульсов; 12 первый регистр; 13 цифровой компаратор; 14 - второй регистр; 15 счетчик; 16 третий регистр; 17 четвертый регистр.

Работу предложенного устройства рассмотрим на примере варианта, представленного на фиг. 1.

Режим накопления модулей напряжений или их квадратов задается оператором.

Количество накапливаемых импульсов в "скользящем окне" также определяется оператором.

Размер серии накопления N в данном случае может изменяться в пределах от 1 до 16 импульсов.

Работу схемы накопления с использованием "скользящего окна" можно свести к двум этапам.

Первоначально, перед началом просмотра дистанции внешние устройства связи должны выработать импульс сброса и подать его на блоки 2 и 8. Длительность импульса сброса τ_c должна быть не менее (N+4)•2/f_т. При этом в БОП (узел 3) будет записан массив "0" количеством не менее N, где N размер серии накопления. Кроме того, мультиплексоры узлов 2 и 3 импульсов сброса переключаются на прямую трансляцию логического "0" на свои выходы. При этом на вход узла 6 в течение N+4 тактов запуска АЦП подается логический "0", который через узел 7 и АЛУ (узел 8), переведенного в режим прямой трансляции, записывается в регистр-накопитель (узел 9). После окончания импульса сброса к моменту очередного срабатывания АЦП в БОП записан массив на N логических "0", обнулен регистр-накопитель. По завершении импульса сброса мультиплексор узел 2 переключается на трансляцию оцифрованных напряжений с выхода АЦП на вход БОП, мультиплексор узел 4 переключается на трансляцию кодов чисел с выходов БОП (узел 3) на вход функционального преобразователя-ПЗУ (узел 6). Кроме того, АЛУ (узел 8) переводится в режим вычитания.

Ко второму этапу работы устройства можно отнести собственно процесс накопления N квадратов модулей или модулей (в зависимости от выбранного оператором режима работы) оцифрованных значений напряжений эхо-сигналов, т. е. формирование "скользящего окна" накопления.

После окончания импульса обнуления в момент подачи импульса запуска АЦП из БОП (узел 3) по коду адреса, который установлен в этот момент на выходах циклического счетчика (узел 5), по сигналу управления считывается первое число (в данном случае "0"), которое через мультиплексор (узел 4) поступает на входы функционального преобразователя (узел 6), с выходов которого через буферный регистр (узел 7) поступает на входы АЛУ (узел 8). АЛУ осуществляет вычитание числа, хранящегося в регистре-накопителе (узел 9), из числа, поступившего с буферного регистра (узел 7). В следующий такт сигнала управления происходит считывание из БОП числа записанного туда с выхода АЦП по тому же адресу (частота сигнала управления в два раза выше частоты запуска АЦП). Далее считанное из БОП число по уже описанной цепи поступает на вход АЛУ, которое осуществляет вычитание из него хранящегося в регистре-накопителе (узел 9) числа.

После N тактов запуска АЦП (сигнал CIC) в регистре-накопителе (узел 9) будет записана сумма первых N оцифрованных значений напряжений после импульса сброса, так как в момент подачи импульса сброса в БОП (узел 3) было записано N чисел, равных "0".

Таким образом, за первые N импульсов запуска АЦП с момента окончания импульса сброса происходит полное обновление информации, записанной в БОП (узел 3).

С приходом N+i импульса запуска АЦП (i≥1) из накопленной в регистре-накопителе (узел 9) суммы оцифрованных напряжений (квадратов модулей или модулей в зависимости от режима) вычитается оцифрованное за N тактов до этого момента напряжение эхо-сигнала и прибавляется оцифрованное в момент N+i такта напряжение эхо-сигнала.

Такое построение схемы обработки позволяет сформировать "скользящее окно" суммы квадратов модулей (или модулей) N оцифрованных значений эхо-сигнала, смещающееся после накопления первого строба с шагом в один отсчет АЦП по всему интервалу дальности.

Необходимо отметить, что при серии накопления N=16 в случае использования 6-разрядного АЦП (6-ой разряд знаковый) сумма накопленных квадратов оцифрованных напряжений может быть представлена в виде 14-разрядных чисел. При этом динамический диапазон снимаемой с регистра накопителя (узел 9) информации может достигать 84 дБ.

В случае накопления модулей оцифрованных значений напряжений при тех же условиях возможные значения чисел на выходе регистра накопителя не превышают 9-ти разрядов, что соответствует 54 дБ.

Большинство черно-белых мониторов позволяют отображать информацию в виде изменения яркости экрана при динамическом диапазоне до 24 дБ. Поэтому необходимо учитывать динамический диапазон накопленных значений оцифрованных напряжений при построении системы отображения информации на индикаторах.

Реализация цифрового дальномера, представленного на фиг. 2, отличается от рассмотренного варианта тем, что дополнительно вводится схема сравнения с порогом.

В процессе работы в цифровом компараторе 13 производится сравнение текущего отклика "скользящего окна" с порогом и в случае превышения порога по его выходу устанавливается необходимый признак, используемый последующими средствами обработки информации.

Что касается схемы поиска максимума, присутствующей в варианте цифрового дальномера фиг. 3, то она также может быть выполнена на микросхемах ЭСЛ-серии, например, 500.

Результаты накопления квадратов отсчетов сравниваются в цифровом компараторе 13 с пороговым сигналом, поступающим с регистра 12. В этом же компараторе осуществляется сравнение текущего значения суммы квадратов отсчетов с предшествующей величиной этой суммы, хранящейся в регистре 14.

В случае, если текущее значение превышает предыдущий результат суммирования, соответствующий сигнал с выхода цифрового компаратора поступает на управляющие входы регистров 14, 16. При этом в регистр 14 записывается текущее значение суммы квадратов, а в регистр 16 поступающий с выходов счетчика 15 код текущего номера отсчета АУП. Таким образом, в регистре 14 хранится текущее максимальное значение суммы квадратов отсчетов, а в регистре 16 соответствующий этому максимуму номер отсчета АЦП. По окончании перебора всех квадратов отсчетов АЦП на требуемом интервале дальности на вход "Сброс" цифрового дальномера поступает импульс начала дистанции. При этом в регистр 17 заносится выходной код регистра 16. Это и будет информацией о времени задержки эхо-сигнала. Кроме того, в регистр 12 записывается очередное значение порога.

Предложенный цифровой дальномер позволяет измерять время задержки любого импульсного сигнала (видеочастотного, простого радиоимпульса, ЛЧМ сигнала и т. п.), что делает его универсальным измерителем. ЫЫЫ1 ЫЫЫ2

Использование: радиолокация. Сущность изобретения: дальномер содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, мультиплексоры 2, 4, блок оперативной памяти (БОП) 3, квадратор 6, выполненный на блоке постоянной памяти, буферный регистр 7, накопитель 8, регистр-накопитель 9, блок управления БОП, который содержит триггер 10, формирователь импульсов 11 и циклически перестраиваемый счетчик 5 с наибольшим циклом повторения N, где N - число отчетов АЦП, укладывающихся в пределах длительности максимального по протяженности "скользящего окна", накопитель выполнен в виде накопителя-вычитателя, емкость БОП составляет N m-разрядных слов, где m - разрядность АЦП. Дальномер формирует "скользящее" окно по дальности из суммы квадратов отсчетов или их модулей. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1.Цифровой дальномер, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок оперативной памяти (БОП), блок управления БОП, квадратор, выполненный на блоке постоянной памяти, и накопитель, вход АЦП является входом цифрового дальномера, отличающийся тем, что в него введены два мультиплексора, буферный регистр и регистр-накопитель, а блок управления БОП выполнен в виде триггера, формирователя импульсов и циклически перестраиваемого счетчика с наибольшим циклом повторения N, где N число накапливаемых отсчетов АЦП, накопитель выполнен в виде накопителя-вычитателя, емкость БОП составляет N•m разрядных слов, где m разрядность АЦП, причем выход АЦП соединен с первым входом первого мультиплексора, второй вход которого является входом сигнала для ввода кодов обнуления БОП, выход первого мультиплексора соединен с информационным входом БОП и с первым входом второго мультиплексора, второй вход которого соединен с информационным выходом БОП, адресные входы которого соединены с выходами циклически перестраиваемого счетчика, блока управления БОП, информационный вход которого является входом сигнала для изменения коэффициента счета, выход второго мультиплексора соединен с входом адреса квадратора, информационный выход которого соединен с информационным входом буферного регистра, выход которого подключен к первым информационным входам накопителя-вычитателя, выход которого соединен с входом регистра-накопителя, выход которого соединен с вторыми информационными входами накопителя-вычитателя и является выходом дальномера, объединенные входы триггера и формирователя импульсов являются тактовым входом дальномера, прямой выход триггера соединен с тактовым входом АЦП, а инверсный с объединенными между собой счетным входом циклически перестраиваемого счетчика и управляющими входами БОП и второго мультиплексора, выход формирователя импульсов подключен к объединенным между собой управляющим входам буферного регистра и регистра-накопителя, объединенные управляющие входы первого мультиплексора и накопителя-вычитателя являются входом сигнала "Сброс" дальномера, а управляющий вход квадратора является управляющим входом дальномера. 2. Дальномер по п.1, отличающийся тем, что в него введен блок сравнения с порогом, выполненный в виде регистра и цифрового компаратора, информационные входы регистра являются входом сигнала кода порогового напряжения, а управляющий вход подключен к входу "Сброс" дальномера, выход регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого объединен с выходом регистра-накопителя и является выходом дальномера. 3. Дальномер по п.1, отличающийся тем, что в него введен блок поиска максимума и сравнения с порогом, первый вход которого соединен с выходом регистра-накопителя, второй вход является входом сигнала кода порогового напряжения, а выход является выходом дальномера, первый управляющий вход блока поиска максимума и сравнения с порогом соединен с входом "Сброс" дальномера, а второй управляющий вход с прямым выходом триггера. 4. Дальномер по п.1, отличающийся тем, что в него введена схема поиска глобального максимума и сравнения с порогом, выполненная в виде цифрового компаратора, счетчика и четырех регистров, информационные входы первого регистра являются входом сигнала кода порогового напряжения, выход первого регистра соединен с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого соединен с выходом регистра-накопителя и входом второго регистра, выход которого соединен с третьим входом цифрового компаратора, выход которого соединен с объединенными между собой управляющими входами второго и третьего регистров, вход третьего регистра соединен с выходами счетчика, счетный вход которого подключен к прямому выходу триггера, выход третьего регистра соединен с входом четвертого регистра, выход которого является выходом дальномера, объединенные между собой управляющие входы первого и четвертого регистров и вход обнуления счетчика соединены с входом "Сброс" дальномера.