ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к области транспорта, а более конкретно для определения перемещения, например, автомобиля, вертолета, самолета, судна, железнодорожного локомотива или поезда метро относительно подстилающей поверхности (земля, вода, лед и т.п.) при облучении ее электромагнитной энергией.

Известны измерители (заявки Великобритании N 1494582; N 1499371, N 1499388, 2122834, патенты США N 4231039, N 4608568, N 4527160, N 4414348, заявки Германии N OS 3322304, N 2800074, N 2802968, заявки ЕПВ N 0124173, N 0123870, заявки Японии N 5842434, N 5736552, N 6027385, заявки Франции N 2384268, N 2592959, AC N 1617393, N 1517393, N 1341594, N 271612) содержат одну или несколько антенн, генератор СВЧ колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель фазометр или блок определения знака, вычислитель или измеритель доплеровской частоты, индикаторы.

Основными недостатками известных устройство является наличие вибрационных шумов, обусловленных влиянием антенно-фидерного тракта, что увеличивает погрешность измерения скорости транспортных средств.

Известно также устройство (заявка N 148701, опублик. 05.10.77 N 4619 МКИ G 01 S 9/46/9/50, НКИ НЧД, УДК 621.396.969.1(088.8) Устройство для получения информации о движении транспортного средства Великобритания) прототип, состоящее из n антенн (рупоров), СВЧ генератора, смесителей, детектора, измерителя доплеровской частоты, в котором обеспечивается частичное уменьшение помех, обусловленных влиянием антенно-фридерного тракта путем использования в качестве генератора СВЧ колебаний диода Ганна, являющегося одновременно гетеродином для смесителей.

Целью изобретения является практически полное исключение влияния фридерного тракта, которое достигается тем, что в устройство, состоящее из антенны, смесителя, генератора сверхвысокочастотных колебаний, соединенных последовательно, детектора, измерителя доплеровской частоты, фазометра введены модулятор, демодулятор, широкополосный усилитель, усилитель промежуточной частоты и еще один генератор, который первым выходом соединен со входом модулятора, который первым выходом соединен со входом генератора свервысокочастотных колебаний, вторым выходом соединен со входом детектора и еще одним выходом соединен со входом демодулятора, который вторым входом соединен с выходом широкополостного усилителя, который своим входом соединен с выходом смесителя и еще одним выходом соединен с усилителем промежуточной частоты, который своим выходом соединен с еще одним входом детектора, который своим выходом измерителя доплеровской частоты, который вторым входом соединен с выходом фазометра, который двумя входами соединен с выходами демодулятора, а измеритель доплеровской частоты еще одним входом соединен с еще одним выходом генератора, а выходы измерителя доплеровской частоты являются выходами измерителя скорости.

Блок-схема устройства (фиг. 1) содержит антенну 1, смеситель 2, генератор-СВЧ 3, модулятор 4, широкополосный усилитель 5, демодулятор 6, усилитель промежуточной частоты 7, детектор 8, фазометр 9, измеритель доплеровской частоты 10, генератор 11.

Антенна 1 представляет собой однолучевую решетку, формирующую луч перпендикулярно раскрыву и имеющую ширину диаграммы направленности 4,5-5,0 (Колчинский В.Е. Константиновский М.И, Мандуровский И.А Доплеровские устройства и системы навигации. М. Сов. радио, 1975, с. 157-164).

Смеситель 2 представляет собой диодный смеситель с преселектором на входе и предназначен для смешивания принятого антенной 1 сигнала с частью излучаемого сигнала и подавления помех, создаваемых другими радиоизлучающими устройствами.

Генератор-СВЧ 3 представляет собой автодин, аналогом которого является устройство (Хатунцев Ю.Л. Тамарчак Д.Я. Синхронные генераторы и автодины на полупроводниках. М. Радио и связь, 1982, с. 160-179).

Модулятор 4 состоит из задающего кварцованного генератора прямоугольных импульсов частотой следования 100 или 74 кГц и непосредственно модулятора, который выдает на модуляционный вход СВЧ-генератора 3 сумму прямоугольного и постоянного напраяжений.

Широкополосный усилитель 5 (фиг. 2) (Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Л. Энергия, 1974, с.58).

Демодулятор 6 (фиг. 3) выполнен на микросхеме типа 564 КП2.

Усилитель промежуточной частоты 7 представляет собой полосовой усилитель, на котором выделяется первая гармоника сигнала, которая после усиления поступает на блок 8.

Детектор 8 (фиг. 4) выполнен на микросхеме типа 564 КТЗ на первый вход которого поступает сигнал с выхода бл. 7, а на второй вход (управляющий вход) управляющие прямоугольные напряжения.

Фазометр 9 (фиг. 5) состоит из предварительного усилителя 12, демодулятора 13, двух фильтров низких частот 15, 14, двух усилителей-ограничителей 17, 16, элемента задержки 18, схемы И19 и триггера 20.

В демодуляторе 13 с помощью опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узкополостных низкочастотных, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации и усиления в усилителях-ограничителях 17, 16 эти сигналы (один из которых через элемент задержки 18 и схему И 19) подаются на триггер 20 при этом, если один сигнал опережает второй (опорный) на величину фазы в пределах от 0 до 180^o, то на выходе вырабатывается лог "1", а если отстает по фазе от опорного сигнала в пределах от 0 до 180^o, то на выходе вырабатывается лог."О".

Измеритель доплеровской частоты 10 (фиг. 6) состоит из двух фильтров низкой частоты 22, 21, двух усилителей-ограничителей 24, 23, усилителя низкой частоты 25, интегратора 26 и тактового генератора 27.

Антенна 1 предназначена для передачи и приема СВЧ радиоволн, поступающих с модулятора 4 через генератор сверхвысокочастотных колебаний 3 и смеситель 2.

Излученный антенный сигнал отражается от подстилающей поверхности и после приема этой же антенной через смеситель 2 направляется на широкополостный усилитель 5.

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

Сигнал в выхода бл. 7 поступает на детектор 8, конструкция и электрическая схема которого аналогичны описанным в аналогах и прототипе. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Доплера.

В 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 4, состоящий из задающего кварцевого генератора и двух формирователей прямоугольных импульсов частотой следования 75 и 100 кГц, который выдает на вход блока 6 сумму прямоугольного и постоянного с выхода дискриминатора блока 10 напряжений.

Как известно из теории (например, Колчинский В.Е. Мандуровский И.А. Константиновский М.И. Доплеровские устройства и системы навигации. М. Сов. Радио, 1975, с. 122 128) достоинства частотной манипуляции используются лишь при равенстве мощностей, преобразованных на смесителе 2, 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 генератором СВЧ 3, усилителем промежуточной частоты 7 и фильтрами низкой частоты бл. 10. Задачей следящей системы является выделение напряжения растройки частоты генерации от частоты настройки генератора СВЧ 3, устранение паразитной амплитудной модуляции и слежение за средней частотой генератора СВЧ 3.

Со смесителя 2 через широкополосный усилитель 5 сигналы также поступают на демодулятор 6. Со смесителя 2 сигнал поступает на широкополосный усилитель 5 и фазометр 9, в котором на демодуляторе 13 посредством опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узкополостных и низкочастотных сигналов, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации (бл. 15, 14) и усиления (бл. 17, 16) сигналы подаются на элемент задержки 18 и схему И(19) и Д триггер 20.

В измерителе доплеровской частоты 10 сигналы после фильтрации преобразуются в сигналы прямоугольной формы, после чего они поступают на интегратор 26, на который также поступают сигналы от тактового генератора 27, где считается число импульсов за время Т (Т выбирается в зависимости от требований со стороны потребителей информации). В качестве интегратора может использоваться, например, аналоговый диодный интегратор с накопительной емкостью или дискретный счетчик импульсов. С блока 26 сигналу могут подаваться на индикаторные устройства или потребителям информации, например, в системы автоматического управления движением подвижных объектов.

Ввод новых элементов выгодно отличает изобретение от аналогов и прототипа.

Как известно, доплеровские 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 сигналы, амплитуды боковых полос сигнала на выходе смесителя 2 уменьшаются при уменьшении пути принятого сигнала, что объясняется перераспределением мощности в пределах полосы частот этого сигнала. Для частотноманипулированного сигнала, как частотного случая частотномодулированного, это уменьшение будет эффективным лишь при равенстве мощностей попеременно излучаемых частот, ибо в противном случае становится амплитудно-частотноманипулированным, что соответствует добавлению импульсного СВЧ излучения к частотноманипулированному; при этом при отражении от близко расположенных объектов на выходе смесителя 2 появляется напряжение частоты Доплера, величина которого как и для случая обыкновенного непрерывного излучения не зависит от электрической пути сигнала.

Для выравнивания излучаемых частот, а значит и подавления паразитных сигналов, а цепь СВЧ тракта включен элемент с "колаколообразной" амплитудной частотной характеристикой, например, генератор СВЧ, представляющий собой автодин, а выравнивание мощностей производится следящей системой (бл. 3, 7, 10). Усиление же сигнала производить на частоте манипуляции, где существует упомянутая зависимость величины сигнала от длины его пути. В отличие от известных устройств на выходе детектора 8 в общем случае, присутствуют две составляющие: напряжение частоты Доплера 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 полученные с частотой модуляции Fm осуществляется поочередно, в виде двух сигналов, частоты которых f₁ и f₂ отличаются от центральной частоты f₀ на величину девиации Δf:f₁=f_o-Δf, f₂=f_o+Δf Сигналы в соседних полупериодах модуляции, соответствующие частотам f₁ и f₂ выражаются формулами:

где τ_з время задержки, определяемое расстоянием до подстилающей поверхности τ_з=2R_o/c.
Разность фаз доплеровских сигналов E пр. 1 и E пр. 2 ΔΦ=8πΔfR_o/c пропорциональна длительности 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 доплеровских сигналов становится отрицательной ΔΦ=-επΔfR_o/c т.е. для определения направления движения определяется знак разности фаз доплеровских 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 параметра движения.

Первая гармоника сигнала смесителя 2 при частотной модуляции выражается формулой

После детектирования на синхронном детекторе с опорным напряжением частоты модуляции выделяется доплеровский сигнал
ε_g=2(πsin4π+R/c)sin(2πFgt) (2)
Для получения максимального сигнала величина девиации выбирается из условия sin4ΔfR/c=1 или 4πΔfR/c=π/2
Тогда Δf=c/8R_max где R_max максимальное расстояние до подстилающей поверхности.

R_max=H_max/cos(γ)
где H_max максимальная высота подъема корпуса объекта под подстилающей поверхностью (с учетом начальной установки приемопередающей антенны 1).

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

Ввод новых элементов и соответствующие электрические связи выгодно отличает предлагаемое устройство от аналогов и прототипа, так как в предлагаемом устройстве отсутствует фидерный тракт (в аналогах и прототипе состоящий из циркуляторов и ответвителей), что позволяет практически подавить вибрационную помеху.

Использование: изобретение относится к области транспорта, а более конкретно для определения перемещения транспортных средств (автомобиля, вертолета, судна, самолета, железнодорожных объектов) относительно подстилающей поверхности. Основными недостатками известных устройств является наличие вибрационных шумов, обусловленных влиянием антенно-фридерного тракта. Сущность изобретения: практически полное исключение влияния фридерного тракта, которое достигается тем, что в устройство, состоящее из антенны, смесителя, генератора-СВЧ, детектора, измерителя доплеровской частоты и фазометра введены модулятор, широкополостный усилитель и усилитель промежуточной частоты, соединенные соответствующим образом, что исключает наличие в аналогах и прототипе фридерного тракта, и как следствие обеспечивается подавление вибрационных помех. 6 ил.

Измеритель скорости, содержащий антенну, смеситель, генератор сверхвысокочастотных колебаний, детектор, измеритель доплеровской частоты и фазометр, выход генератора сверхвысокочастотных колебании соединен с входом смесителя, соединенным входом-выходом с антенной, выход детектора соединен с одним входом измерителя доплеровской частоты, другой вход которого соединен с выходом фазометра, отличающийся тем, что введены модулятор, демодулятор, широкополосный усилитель, усилитель промежуточной частоты и генератор, первый выход которого соединен с входом модулятора, второй выход соединен с третьим входом измерителя доплеровской частоты, выходы модулятора соединены соответственно с входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, входом детектора и входом демодулятора, два выхода которого соединены с входами фазометра, а другой вход соединен с выходом широкополосного усилителя, вход которого соединен с выходом смесителя, другой выход широкополосного усилителя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом детектора.