СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01S13/08 G01F23/284 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к СВЧ-измерителям расстояния до отражающего объекта, и может применяться, например, для измерения уровня жидкости (нефтепродуктов) в резервуарах.

Известен способ измерения расстояния [1], по которому измеряют интенсивность отраженного от объекта СВЧ-излучения, и расстояние определяют по калибровочной кривой зависимости этой интенсивности от расстояния. При этом для повышения точности калибровочная кривая периодически нормируется на интенсивность излучения, отраженного от известного отражателя, находящегося на известном расстоянии.

Известен также способ измерения расстояния [2], по которому СВЧ-излучение модулируется по амплитуде, часть его направляется на объект, а другая часть - в опорный канал, где оно дополнительно модулируется по фазе. Отраженное от объекта излучение смешивается с излучением опорного канала, модулированного по фазе, и по их разностной частоте судят о расстоянии до объекта.

Известны способ и устройство для измерения расстояния [3], при котором СВЧ-излучение модулируется по частоте, часть излучения СВЧ-источника и излучение, отраженное от объекта, подаются на СВЧ-детектор. При этом частоты излучения, попадающего на детектор непосредственно с излучателя и отраженного от объекта, оказываются различными, поскольку отраженное излучение задержано во времени на время распространения излучения до объекта и обратно. Разностная частота регистрируется детектором и по ее величине при известной скорости модуляции судят о расстоянии до объекта. Устройство по этому способу содержит дополнительно частотный фильтр для подавления паразитных разностных частот, возникающих из-за паразитных отражений на элементах излучателя. Для повышения точности измерений применяется также контроль линейности модуляции частоты излучения путем ее периодического измерения [4].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ и устройство, при котором измеряется зависимость входного импеданса приемной антенны, на которую поступает отраженный сигнал, от частоты СВЧ-излучателя [5] (прототип). При данном расстоянии L до поверхности амплитуда ρ отраженной волны, регистрируемая приемной антенной, зависит от ее фазы, которая изменяется при изменении частоты f излучателя. Измеряя зависимость ρ(f) для определенного набора частот с шагом Δf < 1/T, где T - максимальное время задержки отраженного сигнала, посредством Фурье-преобразования частота - время по частотному спектру находят временную задержку отраженного сигнала, по которой судят о расстоянии до объекта. При этом для избежания наложения различных гармоник временного спектра шаг Δf изменяется в небольших пределах, при которых максимальный фазовый сдвиг меньше 180 град., т.е. число m полуволн излучения λ/2 между антенной и отражающей поверхностью изменяется не более чем на 1/2.

Недостатком такого способа является низкая абсолютная точность измерения расстояния, ограниченная длиной волны излучения и пределами ее изменения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измеряемого расстояния.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что излучение СВЧ-генератора направляют на объект (поверхность жидкости) и регистрируют комплексный коэффициент отражения p(f) = r•exp(jφ), где r - амплитуда и φ - фаза отраженной волны, j - комплексная единица. Частоту f излучения СВЧ-генератора плавно изменяют, например, от минимальной до максимальной со скоростью V₁= df/dt<<f/2Tm_max, ("низкая" частота модуляции), где T=2L_max/c - время распространения излучения от антенны до объекта, находящегося на максимальном расстоянии L_max, и обратно, c - скорость распространения излучения, m_max - максимальное число полуволн излучения между антенной и объектом. При этом контролируют изменение числа m полуволн между объектом и приемной антенной. По величине δf, необходимой для изменения m на определенное число n судят о расстоянии до объекта. Числа m и n могут быть целыми либо дробными в зависимости от выбранной величины ρ(f) (максимальное либо минимальное значение ρ(f) либо его производной) в начале и в конце сканирования. Для простоты изложения в дальнейшем будем полагать m и n целыми. Изменение числа полуволн контролируют по периодическому изменению величины ρ(f) либо ее производной ∂ρ/∂f. В последнем случае для измерения производной частота генератора дополнительно модулируется со скоростью V₂ такой, что V₁<<V₂<<f/2Tm_max, в пределах df < f/2m ("высокая" частота модуляции), т.е. в пределах, при которых m изменяется менее чем на 1/2 и производная ∂ρ/∂f измеряется на частоте, либо удвоенной частоте этой модуляции. Поскольку L (и m) могут изменяться в широких пределах, сохранение условия m<1/2 контролируется, например, по минимуму третьей гармоники ∂ρ/∂f. Значение m находят как наиболее близкое целое значение выражения n/(f_m+n/f_m - 1), где f_m и f_m+n - среднее значение частоты излучения, соответствующее, например, минимуму ∂ρ/∂f при некотором m и m+n соответственно, и расстояние до объекта находят как L = mc/2πf_m. Для более точного определения граничных значений f_m и f_m+n вблизи этих частот скорость изменения частоты V₁ уменьшается.

Отличительной чертой устройства, в котором реализован данный способ, является наличие средства для перестройки частоты генератора, например синусоидальной, во всем возможном диапазоне перестройки и, например, синусоидальной модуляции текущей частоты в небольших пределах относительно текущей частоты и средства для контроля входного импеданса излучающей антенны, например, измеритель мощности, потребляемой излучателем. Подробнее работа устройства будет рассмотрена ниже.

Изобретение поясняется двумя фигурами. Фиг. 1 иллюстрирует предлагаемый способ, где на фиг. 1а представлена зависимость входного импеданса антенны ρ(f) от частоты f, на фиг. 1б - зависимость частоты СВЧ-генератора от времени t, на фиг. 1в - зависимость производной ∂ρ/∂f от частоты. На фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого устройства, где 1 - СВЧ-генератор, 2 - антенна, 3 - объект (поверхность жидкости), 4 - измеритель мощности, 5 - модулятор частоты, 6 - блок обработки и управления, 7 - частотомер, 8 - блок индикации.

Способ реализуется следующим образом. При данном расстоянии L до объекта начальная частота генерации выставляется, например, f₀ (фиг. 1), что контролируется по минимуму производной ∂ρ/∂f. Минимуму этой производной соответствует минимум переменного напряжения U_вых(f), снимаемого с блока контроля мощности (4 на фиг. 2) излучателя на "высокой" частоте модуляции. Этой частоте f_m при данной L соответствует целое число m полуволн λ_m/2 между антенной и объектом. Амплитуда модуляции на "высокой" частоте df < f_m/2m и это условие контролируется, например, по минимуму третьей гармоники U_вых(f). Затем частота излучения, например, плавно увеличивается. При этом увеличивается число полуволн m, что контролируется по периодическому изменению U_вых(f). Частота генерации f_m+n, при которой m изменяется, например, на целое число n, фиксируется. Таким образом,

где λ = c/2πf - длина волны излучения, c - скорость электромагнитной волны в среде между антенной и объектом. Отсюда находят число m как наиболее близкое целое значение выражения
n/(f_m+n/f_m - 1)
и, подставляя его в (1), определяют расстояние L до объекта. Или: исключая m, определяют L как
L = nc/2π(f₂-f₁) (3)
и уточняют ее значение, учитывая, что m кратно L, т.е. выбирают ближайшее к (3) значение L, удовлетворяющее (1).

При наличии паразитных отражений от стационарных объектов, находящихся ближе или дальше, чем поверхность жидкости, вклад от них в периодическое изменение U_вых(f) будет постоянным и может быть программно вычтен при обработке реального сигнала.

Изменение уровня жидкости в резервуаре при ее закачке или откачке контролируют, поддерживая минимальное значение U_вых(f) путем подстройки f₀ при предварительно определенном постоянном m либо контролируя изменение m по изменению U_вых(f₀) при постоянной f₀.

Устройство по данному способу состоит из СВЧ-генератора 1 (фиг. 2) с излучательно-приемной антенной 2, направленной перпендикулярно поверхности 3, до которой измеряется расстояние; блока измерения потребляемой мощности излучателя (далее для краткости: измеритель мощности) 4, вход которого связан с цепью питания генератора 1; блока управления частотой генератора (модулятор) 5, выход которого связан с входом излучателя 1; блока измерения частоты генерации генератора 1 (частотомер) 7, вход которого связан с выходом излучателя 1; блока обработки и управления 6, один из входов которого связан с выходом измерителя мощности 4, а другой - с выходом частотомера 7, один их выходов блока 6 связан с входом модулятора 5, а другой - с входом блока индикации результата 8 (дисплея).

Устройство работает следующим образом. СВЧ-генератор 1 через антенну 2 облучает поверхность 3. Отраженное от поверхности излучение воспринимается антенной 2, причем в зависимости от амплитуды и фазы отраженной волны относительно излучаемой изменяется мощность, потребляемая генератором 1, т.е. изменяется ток, потребляемый генератором 1 при неизменном напряжении на нем (при применении лавинного диода в качестве СВЧ-генератора), либо напряжение на генераторе при неизменном токе (диод Ганна). Это контролируется измерителем мощности 4, представляющим собой в простейшем случае амперметр или вольтметр соответственно. Модулятор 5 осуществляет двойную модуляцию частоты: плавно изменяет частоту генератора, например, от ее минимально возможного значения до максимального ("низкая" частота модуляции), причем скорость этого изменения уменьшается на краях диапазона перестройки и одновременно модулирует текущую частоту f в пределах df <f/2m_max, где m_max - максимальное ожидаемое число полуволн между антенной 2 и объектом 3 ("высокая" частота модуляции). Выходной сигнал измерителя мощности 4 на "высокой" частоте и/или на ее второй гармонике регистрируется блоком 6. Текущая частота генерации измеряется частотомером 7 и частоты, при которых этот выходной сигнал, например, минимален, запоминаются в блоке 6. На основании этих данных в блоке 6 вычисляется m в соответствии с (2) либо оценивается L в соответствии с (3) и находится искомое расстояние L в соответствии с (1) и результат индицируется блоком 8. Блок 6 таким образом в простейшем случае представляет собой компьютер с аналогово-цифровой платой ввода-вывода, задающий диапазон и скорость модуляции частоты генератора, запоминающий текущие частоту и потребляемую мощность генератора, вычисляющий результат измерения и индицирующий его на дисплее 8.

Для измерения изменения L при предварительно определенном в блоке 6 начальном m модулятором 5 по сигналу с блока 6 изменяется частота генератора 1 для поддержания минимального значения выходного напряжения блока 4, либо при постоянной частоте генератора 1 в блоке 6 определяется плавное изменение m по изменению выходного напряжения блока 4. В обоих случаях новое значение L определяется из (1).

Для измерения частоты вместо частотомера можно использовать отражение излучения от объекта, расстояние до которого известно. Число длин волн в этом случае определяется по вышеописанному способу и в соответствии с (1) определяется частота генератора.

Пример выбора частот модуляции: При измеряемом расстоянии L около 15 м время распространения излучения T составляет 10^-7 с. При частоте генерации f= 10¹⁰ Гц (m≈1000) и частоте "медленной" модуляции, например, 10 Гц и максимальной амплитуде ее 10^-1 f скорость модуляции V₁=10⁸ Гц/с << f/2mT≈10¹⁰/2•10³•10^-7 = 0,5•10¹⁴ Гц/с. Тогда V₂ можно выбрать 10¹² Гц/с при амплитуде f/2m<0.5•10⁷ Гц, тогда на 100n имеем 10⁴ измерений, что обеспечивает точность измерения целой части m и n порядка 10^-2, причем эта точность может быть увеличена на краях частотного диапазона за счет уменьшения V₁.

Пример измерения расстояния: Примем точность измерения целой части m и n ±0,03. Тогда при n=100 имеем по формуле (2) m=1000±0,3 и, округляя до целого числа, имеем m=1000±0,03 и из (1) находим измеряемое расстояние L=15м±1мм.

Литература:
1. Патент. США N 5689265, 1997.

2. Патент. США N 4044354, 1977.

3. Патент. США N 5365178, 1994.

4. Патент. США N 5799534, 1998.

5. Патент. США N 4661817, 1987.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к СВЧ-измерителям расстояния до отражающего объекта, и может применяться, например, для измерения уровня жидкости (нефтепродуктов) в резервуарах. Способ основан на измерении комплексного коэффициента отражения антенны СВЧ-излучателя. Отличительной особенностью способа измерения является нахождение числа m полуволн излучения между антенной и объектом, на основании чего при известной частоте (длине волны) излучения вычисляется измеряемое расстояние. Для нахождения числа m определяется величина изменения частоты, необходимая для изменения m на некоторое целое число n. Отличительной чертой устройства является наличие средства для измерения мощности, потребляемой СВЧ-генератором, с помощью которого измеряется комплексный коэффициент отражения антенны. Технический результат заключается в повышении точности измеряемого расстояния. 2 с. и 6 з.п.ф-лы., 2 ил.

1. Способ измерения расстояния до объекта, включающий облучение его СВЧ-излучением, изменение частоты излучения и регистрацию комплексного коэффициента отражения приемной антенны p(f) = r•exp(jφ), где r - амплитуда и φ - фаза отраженной волны, j - комплексная единица, отличающийся тем, что частоту излучения f плавно изменяют со скоростью V₁=dfdt << f/2Tm_max, где T = 2L_max/c - время распространения излучения от антенны до объекта, находящемся на максимальном расстоянии L_max, и обратно, c - скорость распространения излучения, m_max - максимальное число полуволн излучения между антенной и объектом, контролируя изменение числа m между объектом и антенной на число n и по величине изменения частоты δf, необходимого для достижения определенного n, судят о расстоянии L до объекта, причем изменение m контролируют по периодическому изменению p(f). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту излучения дополнительно модулируют со скоростью V₂ такой, что V₁ << V₂ << t/2Tm_max, в пределах df < f/2m, что при данном m контролируется по минимуму, например, третьей гармоники частоты этой модуляции, и изменение m контролируют по периодическому изменению ∂ρ/∂t на частоте, либо удвоенной частоте этой модуляции. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что m определяют как наиболее близкое целое значение выражения n/(f_m+n/f_m-1), где f_m и f_m+n - среднее значение частоты, соответствующее минимуму ∂ρ/∂f при некотором m и m+n соответственно, и расстояние до объекта находят как L = mc/2πf_m. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при определении частот f_m и f_m+n для более точного их определения скорость изменения частоты V₁ уменьшается. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что для контроля изменения расстояния L частоту генерации f_m изменяют, поддерживая минимальное значение ∂ρ/∂f при некотором предварительно определенном постоянном m либо контролируя изменение m по изменению ∂ρ/∂f при постоянной f_m. 6. Устройство для измерения расстояния до объекта, включающее СВЧ-генератор, блок управления частотой генератора, выход которого связан с входом СВЧ-генератора, излучательно-приемную антенну, блок измерения частоты СВЧ-генератора, блок обработки и управления и блок индикации результата измерения, отличающееся тем, что имеется блок измерения мощности, потребляемой СВЧ-генератором, вход которого связан с цепью питания СВЧ-генератора, а выход - с одним из входом блока обработки и управления, другой вход блока обработки и управления связан с выходом блока измерения частоты, один из выходов блока обработки и управления связан с входом блока управления частотой генератора, а другой - с блоком индикации результата. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что блок управления частотой осуществляет изменение частоты генерации с переменной скоростью во всем возможном диапазоне ее перестройки с замедлением ее на краях диапазона по синусоидальному закону и синусоидальную модуляцию частоты в пределах df < f/2m. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в блоке обработки и управления запоминаются минимумы выходного сигнала блока измерения мощности и средние частоты генерации, соответствующей этим минимумам.