РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ОПОР Российский патент 1997 года по МПК G01S13/56 G01S13/04 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования на железнодорожном транспорте для определения местоположения поезда либо места ремонта железнодорожного полотна и контактной электросети.

В настоящее время на железнодорожном транспорте положение места остановки поезда либо места ремонта полотна и электросети определяется по номеру ближайшей опоры электросети. Так, выезжая на место повреждения, аварийная бригада вынуждена осуществлять последовательный "ручной" счет большого числа опор от станции. Большая скорость движения и значительные цифры субъективного счета "вручную" с записей в рабочей тетради объективно приводит к утомляемости и ошибкам счета, особенно в темное время и др.

Как следствие отмеченному в настоящее время актуально создание автоматизированных (не "ручных") средств счета опор (счетчик опор). Очевидно, что автоматизированный счет числа опор возможно решить радиолокационным способом, когда на поезде (дрезине) размещается радиолокационная станция (РЛС) малой дальности.

Однако известное функциональное построение импульсной РЛС, принятой за прототип, имеющей раздельный приемник и передатчик, не может быть принято в железнодорожном транспорте, т. к. эта РЛС функционально сложна, имеет как следствие большую стоимость изготовления, а также эта РЛС излучает в пространство значительную мощность вредного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения (ед.квт), недопустимого в густонаселенных районах [1,2]
Поэтому использование радиолокационного способа в железнодорожном транспорте приемлемо только в том случае, когда собственно РЛС будет функционально и конструктивно предельно проста, иметь малую стоимость производства и эксплуатации и будет решена проблема исключения СВЧ излучения между опорами.

Целью изобретения является упрощение схемы и конструкции, автоматизация счета и исключение излучения между опорами.

Для реализации этой цели предлагается радиолокационный счетчик опор, содержащий последовательно соединенные антенну и приемопередатчик. Согласно изобретению, приемопередатчик выполнен в виде усилителя СВЧ отражательного типа на диоде Ганна, к анодной цепи которого включен фильтр нижних частот (ФНЧ), настроенный на частоту где Δt_з величина запаздывания электромагнитной волны на расстоянии между антенной и опорой, а к выходу ФНЧ последовательно подключены пороговый обнаружитель и логическое устройство счета и индикации.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого устройства из литературы не известны, поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведена схема работы счетчика опор на местности (обобщенная схема); на фиг. 2 детальная функциональная схема предложения; на фиг.3 - модель системы с 30С; на фиг.4 результаты эксперимента.

Радиолокационный счетчик опор (фиг.1) представляет собой радиолокатор малой дальности, направленная антенна которого ориентирована перпендикулярно железной дороге и при движении в нее периодически надвигаются опоры контактной электросети (либо навесные элементы арматуры этих опор).

Подключенный к антенне 1 приемопередатчик представляет собой усилитель СВЧ отражательного типа на диоде Ганна 2, который установлен в антенно-фидерном (волноводном) тракте 3 на удалении примерно четверти длины волны от закоротки 4 волноводного тракта (фиг.2).

К анодной цепи усилителя 2 через разделительный по питанию конденсатор C подключены последовательно фильтр нижних частот 5, пороговый обнаружитель 6 и логическое устройство счета и индикации 7.

ФНЧ 5 имеет частоту настройки где Δt_з -величина запаздывания электромагнитной волны на расстоянии между антенной и опорой.

Теоретической основой предложения является теория систем с задержанной обратной связью (ЗОС), когда усилитель СВЧ 2 имеет между входом и выходом (фиг.3) линию задержки с запаздыванием 2Δt_з.

Теория систем с ЗОС показывает, что они обладают многочастотностью (гребенчатый фильтр), и при превышении усиления усилителя 2 над затуханием обратной связи такой усилитель (автогенератор) способен генерировать на частотах, эквидистантно расположенных через частотные интервалы
Экспериментально подтверждено, что подобный автогенератор с ЗОС на диоде Ганна генерирует многочастотный спектр с разносом частотных составляющих через и что в анодной цепи диода Ганна 2 присутствует видеочастота несущая информацию о дальности до отражающего объекта, которую можно выделить ФНЧ 5, а затем с помощью порогового обнаружителя 6 и логического устройства 7 зафиксировать отражение и сосчитать число подобных возбуждений числа от опор этого пространственного автогенератора, каким является предлагаемый радиолокационный счетчик в сочетании с опорой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В ждущем состоянии, когда поезд находится между опорами, т.е. в диаграмму направляемости не попадает опора, усилитель СВЧ 2 не излучает в пространство (кроме собственных шумов) и не принимает отраженного сигнала. При "наезжании" опоры на диаграмму направленности и при положительной обратной связи, т.е. когда суммарное усиление усилителя 2G₁ и антенны G_a (туда и обратно) превышает затухание P сигнала в свободном пространстве, происходит самовозбуждение пространственного автогенератора, каким является радиолокационный счетчик и пространство до опоры и обратно.

Время возбуждения пространственного автогенератора крайне мало и определяется примерно 10-20 циклами циркуляции шума между антенной и опорой и на расстоянии ≅ 5м составляет доли микросекунд, что на несколько порядков меньше времени существования сигнала автогенерации ≈30 mc при движении поезда мимо опоры с максимальной скоростью порядка 100 км/ч. Поэтому временем возбуждения можно пренебречь. Возбужденный сигнал автогенерации имеет линейчатый (гребенчатый) спектр, составляющие которого разнесены по частоте через интервалы .

С анода диода Ганна снимается низкочастотный (продетектированный) сигнал, содержащий гармоники Ω₁; 2Ω; 3Ω₁ ... С помощью ФНЧ 5 выделяется первая гармоника которая поступает на пороговый обнаружитель 6, с выхода которого видеоимпульс, длительность которого соответствует огибающей пачки отраженного от опоры сигнала, поступает на логическое устройство, содержащее релаксационный генератор (ждущий мультивибратор), и вызывающий его срабатывание от последовательного поступления (проходя мимо опоры) и отсутствие видеосигнала (положение между опорами). При проходе опоры автогенерация, а, следовательно, и излучение в пространство прерывается и устройство 7 подготавливается к счету следующей опоры и т.д.

Предлагаемое устройство по сравнению с существующим не автоматизированным "ручным" счетом обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
освобождает персонал от утомительного счета;
исключает ошибки счета;
повышает эффективность счета в темное время суток.

Предлагаемый радиолокационный счетчик обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционным импульсным локатором (прототипом), если бы его использовали для решения данной задачи счета:
обладает предельно простым функциональным и конструктивным построением, т. к. функции приемника, передатчика, детектора выполняется одним кристаллом диода Ганна, т.е. предложена однокристальная РЛС;
самоорганизацией в работе и излучении только в моменты прохода опоры, что резко снижает уровень вредного СВЧ излучения пропорционально отношению разноса опор к их диаметру (≈1000 раз).

Следует отметить, что выделение фильтром 5 только частоты, соответствующей определенному расстоянию от антенны до опоры,повышает помехоустойчивость устройства от отражений, не относящихся к опорам.

В Ростовском НИИ радиосвязи и Ростовском институте железнодорожного транспорта разработано техническое предложение и создан макет радиолокационного счетчика в диапазоне 40 ГГц, на котором подтверждена (фиг.4) принципиальная возможность описанной пространственной автогенерации и даже измерения с высокой точностью малых расстояний (от ед. см до нескольких метров).

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для использования в железнодорожном транспорте для определения местоположения поезда либо места ремонта полотна или электросети. Изобретение направлено на упрощение аппаратуры РЛС, автоматизации счета и снижения вредного влияния излучения. Радиолокационный счетчик опор содержит последовательно соединенные антенну и приемопередатчик, в котором приемопередатчик выполнен в виде усилителя СВЧ отражательного типа на диоде Ганна, к анодной цепи которого подключен фильтр нижних частот, настроенный на частоту где Δt_з - время запаздывания электромагнитной волны на расстоянии от антенны до опоры, а к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены пороговый обнаружитель и логическое устройство счета и индикации. 4 ил.

Радиолокационный счетчик опор, содержащий последовательно соединенные антенну и приемопередатчик, отличающийся тем, что приемопередатчик выполнен в виде усилителя СВЧ отражательного типа на диоде Ганна, к анодной цепи которого подключен фильтр нижних частот, настроенный на частоту Ω = (2Δt_з)^-1, где Δt_з- время запаздывания электромагнитной волны на расстоянии от антенны до опоры, а к выходу фильтра нижних частот последовательно подключены пороговый обнаружитель и логическое устройство счета и индикации.