Предлагаемое изобретение относится к радиолокации и радионавигации, в частности к средствам измерения расстояний фазовым методом, и может быть использовано в технике радиоизмерений (дальнометрия, измерение уровня), а также в акустике и оптике.
Известен фазовый метод измерения расстояний (см. И.Е.Кинкулькин и др. Фазовый метод определения координат. М.: Советское радио, 1979), который заключается в том, что расстояние l, пройденное сигналом, определяют через измерение разности фаз ϕ злучаемого и принятого сигналов:
где l - измеряемое расстояние, V - скорость сигнала в среде, ω = 2πf - круговая частота сигнала.
Измерение разности фаз осуществляют, как правило, с помощью фазового детектора, имеющего периодическую зависимость выходного сигнала от разности фаз сигналов на его входах, например:
Uфд=U0фд•cosϕ, (2)
где Uфд - выходное напряжение фазового детектора,
U0фд -амплитуда напряжения фазового детектора.
Из (2) следует, что полная разность фаз определяется, как
ϕ = ϕ1+2πn, (3)
где ϕ1 =arccos(Uфд/U0фд)- главное значение разности фаз (0<ϕ1<2π), n=0, 1, 2,... - целое число.
Из (1) и (3) следует выражение
которое считают основным уравнением фазовой дальнометрии (см. Белавин О. В. Основы радионавигации. М.: Советское радио, 1977, стр.179, формула (8.3)) и формула определения расстояния фазовым методом:
Измерение расстояний фазовым методом позволяет обеспечить высокую точность измерений, однако имеет ряд существенных недостатков, а именно:
- не обеспечивает однозначного определения неизвестной величины "n" для вычисления полной разности фаз. В большинстве реальных задач значения неизвестной "n" могут составлять сотни и тысячи;
- точное измерение разности фаз колебаний в интервале 0-2π является достаточно сложной задачей, не имеющей стандартных технических решений;
- фазовый метод является "однообъектным", то есть позволяющим проводить локацию только одного объекта. Составляющая принимаемого сигнала, вызванная отражением от другого объекта, накладывается на полезный сигнал, изменяет его фазу, искажая тем самым результат измерения, и не выделяется очевидными методами.
По указанным причинам фазовый метод применяется редко - либо в сложных многочастотных радионавигационных системах, либо в комбинации с другими методами.
Так известен способ измерения дальности цели в радиолокаторе с частотно-модулированным непрерывным сигналом (см. патент США 4503433, МКИ G 01 S 13/34, 13/26, опубл. 1985), в котором грубое измерение расстояния производится частотным методом с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала генератора. Точное значение расстояния определяется фазовым методом с использованием формулы (2), причем значение параметра "и" вычисляется в результате грубого измерения. Недостатком известного способа является невозможность реализации точного измерения главного значения разности фаз, обусловленная использованием для измерения частотного метода. Кроме того, определение точного значения "n" требует высокой линейности ЛЧМ сигнала, точного определения девиации частоты и коротких промежутков времени.
Известны также "Способ и система для измерения небольших расстояний" (см. патент США 4829305. G 01 S 13/08, опубл. 1989). Способ состоит в том, что частота излучаемого сигнала регулируется до достижения заданной разности фаз принятого и излучаемого сигналов. Проблема неоднозначности измерений снимается тем, что для вычислений используется только главное значение разности фаз, то есть n= 0. Устройство для измерения расстояний содержит генератор с частотой, управляемой напряжением, сигнал субгармоники которого с выхода делителя частоты передается излучателем в сторону измеряемого объекта и в режиме грубого измерения подается на опорный вход средства сравнения фаз (фазового детектора), на второй вход которого поступает сигнал, отраженный от объекта. Выходное напряжение средства сравнения фаз, которое является критерием при установке определенного значения разности фаз излучаемого и принятого сигналов, поступает через фильтр на вход управления частотой генератора. Система представляет собой цепь автоматической подстройки частоты (АПЧ) генератора на частоту дискриминатора, которая определяется временем распространения сигнала до объекта и обратно. Для повышения точности предусмотрен режим, при котором на опорный вход фазового детектора подается гармоника передаваемого сигнала, то есть сигнал генератора. Значение установившейся частоты определяется измерителем частоты, а соединенное с ним вычислительное устройство вычисляет расстояние и отображает результат на дисплее. Описанные способ и система позволяют определить расстояние по одному значению разности фаз излучаемого и принятого сигналов на одной частоте. Основным недостатком способа и системы является неоднозначность результата измерения из-за невозможности определения параметра "n", что и предопределяет использование известных средств только на небольших расстояниях, то есть при n= 0. Кроме того, система не способна отделить полезный отраженный сигнал от паразитных отражений, что ограничивает точность измерения расстояний.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению способом и устройством является способ и устройство для измерения расстояний (см. заявку на патент РФ 98123932, G 01 S 13/40). Способ измерения расстояний осуществляют путем измерения зависимости разности фаз излучаемого и принятого периодических сигналов от частоты, при этом изменением частоты генерируемого сигнала устанавливают начальную заданную разность фаз ϕ0 излучаемого и принятого сигналов, измеряют установленное начальное значение частоты генератора f0, затем многократно на определенные значения Δϕi изменяют заданную разность фаз, измеряют соответствующие каждому значению разности фаз ϕi значения частоты генератора fi, вычисляют фазочастотную характеристику по формуле
где ϕi[fi] - значение разности фаз для измеренного значения частоты fi, определяют из фазочастотной характеристики линейную составляющую φ(лин) = 2πfl/V, где V- скорость распространения, а f - частота сигнала, из крутизны которой определяют расстояние l, пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям.
Устройство для измерения расстояний содержит генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй - к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты, подключенный к выходу генератора, и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора. В варианте устройства управляемый генератор подключен к выходу устройства через ключ передатчика, а второй вход средства сравнения фаз подключен к входу устройства через ключ приемника. Ключевые устройства подключают и отключают по команде контроллера генератор к выходу устройства, а вход устройства - к средству сравнения фаз.
Описанные способ и устройство позволяют осуществить точное измерение в заданном диапазоне частот полной фазочастотной характеристики (ФЧХ) объекта, для чего используются свойства многочастотного дискриминатора, который представляет собой соединение средства сравнения фаз - фазового детектора и линии задержки, функцию которой выполняет пространство между устройством для измерения расстояний и объектом. Зависимость выходного напряжения фазового детектора от частоты, то есть основная частотная характеристика многочастотного дискриминатора, представляет собой косинусоиду. Это означает, что цепь АПЧ, содержащая такой дискриминатор, имеет множество частот, удовлетворяющих условию устойчивости АПЧ, причем каждое нулевое значение характеристики многочастотного дискриминатора соответствует определенному значению разности фаз излучаемого и принятого сигналов. Последовательное измерение частот генератора, устанавливаемых цепью АПЧ после изменения заданной разности фаз позволяет вычислить полную фазочастотную характеристику и, следовательно, вычислить расстояния до основного и других объектов.
Точность измерения расстояния технических решений, выбранных автором за прототип, определяется величиной погрешности измерения частоты излучаемого сигнала, которая ограничена в принципе только нестабильностью эталонного генератора, и величиной погрешности установки разности фаз излучаемого и принятого сигналов. Так как современные миниатюрные кварцевые генераторы имеют долговременную нестабильность частоты порядка 10-8, то, очевидно, что основным источником погрешности является неточность установки разности фаз. имеющая, обычно, величину порядка 1-10o, при этом погрешность измерения расстояния пропорциональна длине волны излучаемого сигнала. Поэтому уменьшение погрешности измерений от 1 мм в настоящее время до 0,1 мм и менее может быть реализовано радиолокационным фазочувствительным измерителем расстояний, работающим в диапазоне миллиметровых длин волн. Технические решения, выбранные автором за прототип, практически не применимы в указанном диапазоне, что обусловлено применением в качестве средства сравнения фаз фазового детектора. Известные фазовые детекторы СВЧ построены исключительно на базе диодных смесителей частоты и требуют для нормальной работы уровня сигнала, близкого к опорному по уровню мощности. Критическим является уровень принятого сигнала на входе фазового детектора, при котором порождаемый им выходной сигнал меньше напряжения разбалансировки фазового детектора, определяемого уровнем фликкер-шума на нулевой частоте. Если входной сигнал меньше критического уровня, то фазовый детектор перестает выполнять свою функцию. При небольшом превышении критического уровня погрешность измерения расстояния соизмерима с длиной волны излучаемого сигнала. В реальных условиях радиолокации отношение уровней опорного сигнала и принятого отраженного сигналов на входах фазового детектора составляет десятки децибел. Усложнение схемы при переходе в миллиметровый диапазон, обусловленное необходимостью применения либо усилителей принятого сигнала, либо преобразования частоты, резко повышает стоимость устройства из-за необходимости использования дополнительных узлов СВЧ. Кроме того, при переходе в миллиметровый диапазон прямое измерение частоты становится затруднительным, а для переноса измеряемого сигнала в дециметровый диапазон, где работают надежные и дешевые цифровые счетчики периодов, вынужденно используют дорогие и ненадежные параметрические и регенеративные делители частоты или сложные схемы с фазовой синхронизацией и умножителями частоты высокой кратности.
Таким образом, существенным недостатком технических решений, выбранных автором за прототип, является низкая точность измерений, обусловленная влиянием фликкер-шума на результат измерений, и их неприменимость в миллиметровом диапазоне длин волн, между тем, как дальнейшее повышение точности измерения расстояний связано именно с возможностью реализации способа и устройства в миллиметровом диапазоне длин волн.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа и устройства для измерения расстояний, обеспечивающих высокую точность измерений при низкой стоимости за счет обеспечения возможности осуществления способа и функционирования устройства в миллиметровом диапазоне длин волн.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения расстояния путем измерения зависимости разности фаз излучаемого и принятого периодических сигналов от частоты, заключающемся в том, что изменением частоты f генерируемого сигнала устанавливают начальную заданную разность фаз ϕ0 излучаемого и принятого сигналов, измеряют установленное начальное значение частоты генерируемого сигнала f0, затем многократно на определенные значения Δϕi изменяют заданную разность фаз, измеряют соответствующие каждому значению разности фаз ϕi значения частоты генерируемого сигнала fi, вычисляют фазочастотную характеристику по формуле
где ϕi[fi] = значение разности фаз для измеренного значения частоты fi, определяют из фазочастотной характеристики линейную составляющую φ(лин) = 2πfl/V, где V- скорость распространения, а f - частота сигнала, из крутизны которой определяют расстояние l, пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям, согласно изобретению генерируемый и принятый сигналы перемножают, при этом один из перемножаемых сигналов модулируют периодическим сигналом, выделяют из полученного после перемножения сигнала сигнал, по крайней мере, одной из гармоник частоты модуляции, а установку значений заданной разности фаз ϕ0,ϕi и измерение соответствующих им значений частот f0, fi осуществляют при нулевых значениях сигнала выделенных гармоник. При этом в одном из вариантов способа заданную разность фаз изменяют на величину Δϕi = π, значения частот генерируемого сигнала измеряют при нулевых значениях сигнала одной выделенной гармоники, а фазочастотную характеристику вычисляют по формуле ϕi[fi] = ϕ0+iπ. В другом варианте способа модулируют один из перемножаемых сигналов по частоте или фазе, выделяют из полученного сигнала сигналы четной и нечетной гармоник, заданную разность фаз изменяют на величину Δϕi = π/2, значения частот генерируемого сигнала измеряют при нулевых значениях сигналов обеих выделенных гармоник, а фазочастотную характеристику вычисляют по формуле ϕi[fi] = ϕ0+iπ/2.
Указанный технический результат достигается также тем, что измерение частоты генерируемого сигнала осуществляют путем его перемножения с сигналом гармоники вспомогательного генератора, выделения сигнала промежуточной частоты, равной разности их частот, и вычисления значения частоты генерируемого сигнала по значениям промежуточной частоты и частоты вспомогательного генератора.
Что касается устройства, то указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй - к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты, подключенный к выходу генератора, и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор, первый выход которого подключен к входу управления частотой генератора, а второй и третий выходы соединены соответственно с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз, второй выход которого подключен ко второму входу контроллера. В варианте изобретения первый выход модулирующего генератора может быть подключен к входу управления частотой генератора через фазовращатель, управляющий вход которого соединен со вторым выходом контроллера. Вход управления частотой модулирующего генератора может быть подключен к третьему выходу контроллера.
Также согласно изобретению средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз. Средство сравнения фаз может также дополнительно содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора, подключенную входом к выходу усилителя высокой частоты, а выходом - ко второму выходу средства сравнения фаз, причем опорный вход синхронного детектора второй цепочки подключен к четвертому опорному входу средства сравнения фаз. При этом синхронные детекторы средства сравнения фаз могут иметь дополнительные квадратурные каналы. В варианте изобретения генератор, подключенный к первому входу средства сравнения фаз, и смеситель средства сравнения фаз выполнены в виде единого автодинного узла.
Указанный технический результат во втором варианте изобретения достигается также тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй вход связан с входом устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное, в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты, подключенный к выходу генератора, и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор и фазовый модулятор, причем первый выход модулирующего генератора подключен к управляющему входу фазового модулятора, второй и третий выходы соединены соответственно с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз, второй вход которого соединен с входом устройства через фазовый модулятор, а второй выход средства сравнения фаз подключен ко второму входу контроллера.
Также согласно данному варианту изобретения средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз. Средство сравнения фаз может также дополнительно содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора, подключенную входом к выходу усилителя высокой частоты, а выходом - ко второму выходу средства сравнения фаз, причем опорный вход синхронного детектора второй цепочки подключен к четвертому опорному входу средства сравнения фаз.
Указанный технический результат в третьем варианте изобретения достигается также тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный через ключ передатчика к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй - через ключ приемника к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты, подключенный к выходу генератора, и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой, генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор, первый выход которого через фазовращатель подключен к управляющему входу ключа передатчика, а второй и четвертый выходы соединены соответственно с третьим опорным входом средства сравнения фаз и управляющим входом ключа приемника. Управляющий вход фазовращателя подключен ко второму выходу контроллера.
Также согласно данному варианту изобретения средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз. При этом синхронный детектор средства сравнения фаз может иметь дополнительный квадратурный канал.
Указанный технический результат в четвертом варианте изобретения достигается также тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй вход - к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующее цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор, первый выход которого подключен к входу управления частотой генератора, второй и третий выходы соединены соответственно с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз, второй выход которого подключен ко второму входу контроллера, а третий выход средства сравнения фаз соединен с входом измерителя частоты, выход которого подключен ко второму входу средства сравнения фаз. Согласно варианту изобретения первый выход модулирующего генератора может быть подключен к входу управления частотой генератора через фазовращатель, управляющий вход которого соединен со вторым выходом контроллера. Вход управления частотой модулирующего генератора может быть подключен к третьему выходу контроллера.
Согласно данному варианту изобретения средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз, который через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз.
Средство сравнения фаз может также дополнительно содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора, подключенную входом к выходу усилителя высокой частоты, а выходом - ко второму выходу средства сравнения фаз, причем опорный вход синхронного детектора второй цепочки подключен к четвертому опорному входу средства сравнения фаз. При этом синхронные детекторы средства сравнения фаз могут иметь дополнительные квадратурные каналы. Также согласно данному варианту изобретения генератор, подключенный к первому входу средства сравнения фаз, и смеситель средства сравнения фаз могут быть выполнены в виде единого автодинного узла.
Также согласно данному варианту изобретения измеритель частоты содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор и генератор гармоник, выход которого является выходом измерителя частоты, и счетчик периодов, выход которого соединен шиной данных с контроллером, а вход связан с входом измерителя частоты и выходом вспомогательного генератора.
Указанный технический результат в пятом варианте изобретения достигается также тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй вход связан с входом устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор и фазовый модулятор, причем первый выход модулирующего генератора подключен к управляющему входу фазового модулятора, второй и третий выходы соединены соответственно с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз, второй вход которого соединен с входом устройства через фазовый модулятор, второй выход средства сравнения фаз подключен ко второму входу контроллера, третий выход - соединен с входом измерителя частоты, выход которого подключен ко второму входу средства сравнения фаз.
Согласно данному варианту изобретения средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз, который через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз. Средство сравнения фаз может также дополнительно содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора, подключенную входом к выходу усилителя высокой частоты, а выходом - ко второму выходу средства сравнения фаз, причем опорный вход синхронного детектора второй цепочки подключен к четвертому опорному входу средства сравнения фаз.
Также согласно данному варианту изобретения измеритель частоты содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор и генератор гармоник, выход которого является выходом измерителя частоты, и счетчик периодов, выход которого соединен шиной данных с контроллером, а вход связан с входом измерителя частоты и выходом вспомогательного генератора.
Указанный технический результат в шестом варианте изобретения достигается также тем, что устройство для измерения расстояния, содержащее генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный через ключ передатчика к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй - через ключ приемника к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты и вычислительное средство, определяющее расстояние, причем контроллер соединен шиной данных с измерителем частоты и вычислительным средством, первый вход контроллера соединен с первым выходом средства сравнения фаз, а первый выход - с входом управления частотой генератора, контроллер наделен программой, обеспечивающей установку частот генератора, соответствующих условию устойчивости автоматической подстройки частоты генератора, с использованием операций подключения и отключения входа генератора к выходу средства сравнения фаз, изменения напряжения управления частотой генератора, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз на вход управления частотой генератора, согласно изобретению дополнительно содержит модулирующий генератор, первый выход которого через фазовращатель подключен к управляющему входу ключа передатчика, а второй и четвертый выходы соединены соответственно с третьим опорным входом средства сравнения фаз и управляющим входом ключа приемника, третий выход средства сравнения фаз подключен к входу измерителя частоты, выход которого соединен со вторым входом средства сравнения фаз. Управляющий вход фазовращателя подключен ко второму выходу контроллера.
Согласно данному варианту изобретения средство сравнения фаз содержит последовательно соединенные смеситель и усилитель высокой частоты, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз, который через цепочку последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора подключен к первому выходу средства сравнения фаз, опорный вход синхронного детектора соединен с третьим опорным входом средства сравнения фаз, а первый и второй входы смесителя подключены соответственно к первому и второму входам средства сравнения фаз. При этом синхронный детектор средства сравнения фаз может иметь дополнительный квадратурный канал.
Также согласно данному варианту изобретения измеритель частоты содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор и генератор гармоник, выход которого является выходом измерителя частоты, и счетчик периодов, выход которого соединен шиной данных с контроллером, а вход связан с входом измерителя частоты и выходом вспомогательного генератора.
Сущность предложенного изобретения заключается в том, что в процессе осуществления способа и работы устройства генерируемый и принятый сигналы перемножают на смесителе, причем один из перемножаемых сигналов модулируют с помощью модулирующего генератора периодическим сигналом. В вариантах изобретения используются частотная модуляция генерируемого сигнала, фазовая модуляция принятого сигнала, амплитудная (импульсная) модуляция излучаемого и (или) принятого сигналов.
В общем случае, когда имеют место все виды модуляции, основные сигналы определяются выражениями:
- генерируемый сигнал:
- излучаемый сигнал
- принятый сигнал
где E0 - ЭДС на клеммах антенны, Aизл(t) - функция импульсной модуляции излучаемого сигнала, Aпр(t)- функция коэффициента передачи приемного канала, ϕчм(t) - составляющая фазы, обусловленная частотной модуляцией генератора, 
составляющая фазы, обусловленная фазовой модуляцией, τ - время задержки отраженного сигнала, γ - коэффициент ослабления сигнала на трассе.
Если мощность генерируемого сигнала на входе смесителя много больше мощности принятого отраженного сигнала, то амплитуда низкочастотной составляющей сигнала, полученного после перемножения на смесителе, пропорциональна амплитуде принятого отраженного сигнала, а фаза равна разности фаз генерируемого и принятого отраженного сигналов. При этом выходное напряжение смесителя равно:
где α - коэффициент передачи смесителя. После упрощений и обозначений (ϕ = ωτ - разность фаз несущих (центральных) колебаний излучаемого и принятого сигналов, A(t-τ) = Aпр(t) = Aизл(t-τ) - функция импульсной модуляции принятого сигнала, Δϕчм = ϕчм(t)-ϕчм(t-τ) - составляющая разности фаз, обусловленная частотной модуляцией генерируемого сигнала, ϕфм - составляющая разности фаз, обусловленная фазовой модуляцией принятого сигнала) действительная часть выражения (9) в тригонометрической форме приобретает вид:
Uсм = U0смA2(t-τ)cos[ϕ+Δϕчм(t,τ)+ϕфм(t). (10)
Выражение (10) является основным уравнением предлагаемого способа измерения расстояния и позволяет получить параметры сигналов для каждого варианта изобретения.
При частотной модуляции (ЧМ) генерируемого сигнала гармонической функцией f = fц+Δf0sinΩt, где fц - центральная частота генерируемого сигнала, Δf0 - девиация ЧМ, Ω = 2πF - частота модуляции, когда A(t-τ) = 1, a ϕфм = 0, получаем из (10) выражение для спектра выходного сигнала смесителя:
где Ψ = Ψ0sinФ, Ψ0 = 2Δf0/FM, Ф = Ωτ/2 - разность фаз первой гармоники выходного сигнала смесителя и модулирующего сигнала, J(N)(Ψ) - функция Бесселя порядка N от аргумента Ψ.
Аналогичное выражение для спектра выходного сигнала смесителя получается для случая фазовой модуляции принятого сигнала по закону ϕфм(t) = φsinΩt, где φ индекс фазовой модуляции, когда A(t) = A(t-τ) = 1, а Δf0 = 0.
Таким образом, результатом перемножения частотно- или фазомодулированных сигналов является сложный сигнал, содержащий спектральные компоненты с частотами NΩ кратными частоте модуляции (N=2n или N=2n-1), амплитуды которых зависят от разности фаз ϕ несущих (центральных) частот перемножаемых сигналов. При этом сигналы нечетных гармоник пропорциональны sinϕ, а четных -cosϕ. Выделение из полученного сигнала гармоник частоты модуляции позволяет использовать их величину, в частности нулевые значения, в качестве критерия установки заданной разности фаз излучаемого и принятого сигналов, то есть использовать для измерения ФЧХ
не только основную частотную характеристику многочастотного дискриминатора, как в прототипе, но и ее производные по частоте. Поскольку основная характеристика многочастотного дискриминатора косинусоидальна, то ее производные по частоте есть синусоиды и косинусоиды. Выделение сигнала одной гармонической составляющей при любом виде модуляции позволяет организовать процесс измерения ФЧХ с дискретом фазы, равным фазовому интервалу между нулями синусоиды или косинусоиды Δϕi = π, и вычислить ФЧХ по упрощенной формуле ϕi[fi] = ϕ0+iπ. При модуляции по частоте или фазе обеспечивается возможность выделения сигналов двух гармоник частоты модуляции: четной и нечетной, что позволяет организовать процесс измерения ФЧХ с дискретом фазы, равным фазовому интервалу между нулями синусоиды и косинусоиды Δϕi = π/2, и вычислить ФЧХ по упрощенной формуле ϕi[fi] = ϕ0+iπ/2. Уменьшение дискрета фазы до π/2 позволяет ускорить возврат системы АПЧ на нулевое значение частотной характеристики дискриминатора, поскольку оставляет частоту в пределах полосы захвата АПЧ при изменении заданной разности фаз. Благодаря этому измерение всех точек ФЧХ может проводиться без отключения обратной связи АПЧ.
При импульсной модуляции излучаемого сигнала по закону Aизл(t) с частотой повторения 
и скважностью Q, когда Δf0 = 0, ϕфм = 0, а время открытия ключа приемника синхронизовано с приходом принимаемого импульса, получаем из (10) выражение для первой гармоники выходного сигнала смесителя:
Uсм = U0смQ-1cosϕsin(Ωt+Ωτ). (13)
Очевидно, что при амплитудной (импульсной) модуляции амплитуда гармоник частоты модуляции определяется основной характеристикой многочастотного дискриминатора. При выборе достаточно высокой частоты модуляции (порядка нескольких мегагерц) влияние фликкер-шума на результат измерений (основной недостаток прототипа) устраняется при любом виде модуляции.
На выходах синхронных детекторов величина напряжения рассогласования АПЧ определяется следующими выражениями (разность фаз входных сигналов синхронных детекторов равна нулю, так как сдвиг фазовращателем фазы модулирующего сигнала по отношению к опорному Ффвр=-Ф, а суммарный коэффициент усиления цепи усилитель высокой частоты - фильтр - синхронный детектор равен ky).
- Частотная модуляция для нечетной и четной гармоник:
U
U
- Фазовая модуляция для нечетной и четной гармоник:
U
U
- Импульсная модуляция для первой гармоники:
U
Таким образом, установка частоты генерируемого сигнала в точки, где амплитуда сигнала выделенной гармоники равна нулю, позволяет точно определить кратную π/2 или π разность фаз излучаемого и принятого сигналов на этой частоте, что существенно уменьшает погрешность измерения ФЧХ и, следовательно, расстояния. Формулы (14-18) дают возможность определить и оптимизировать по критерию минимума погрешности измерения ФЧХ статические и динамические характеристики цепи АПЧ.
Измерение частоты генерируемого сигнала путем его перемножения с сигналом гармоники вспомогательного генератора, выделения сигнала промежуточной частоты, равной разности их частот, и вычисления значения частоты генерируемого сигнала по значениям промежуточной частоты и частоты вспомогательного генератора позволяет осуществить наряду с прямым измерением - косвенное измерение частоты генератора, в отличие от прототипа, использующего только прямое измерение частоты, и, тем самым, снять ограничения, связанные с переходом процесса измерения в миллиметровый диапазон длин волн.
Введение в устройство модулирующего генератора, первый выход которого подключен к входу управления частотой генератора, позволяет осуществить модуляцию генерируемого сигнала по частоте и, тем самым, обеспечить наличие в выходном сигнале смесителя гармонических составляющих, используемых в качестве критерия установки заданной разности фаз и частот устойчивости АПЧ. Первый выход модулирующего генератора может быть подключен к входу управления частотой генератора через фазовращатель, что позволяет скомпенсировать запаздывание по фазе на величину Ф модуляции принятого сигнала, то есть выравнять фазы сигналов на входах синхронного детектора. Вход управления частотой модулирующего генератора может быть подключен к контроллеру. Такое подключение обеспечивает возможность установки оптимального соотношения заданного интервала измеряемых расстояний и выбранной длины волны модулирующего сигнала, что позволяет полностью устранить или уменьшить влияние "слепых" зон устройства при Ωτ/2 ≈ π, отличающихся, согласно (11) пониженной чувствительностью из-за периодической зависимости аргумента функции Бесселя (Ψ = Ψ0sinΩτ/2) от времени задержки сигнала.
Средство сравнения фаз, выполненное в виде последовательно соединенных смесителя и усилителя высокой частоты (УВЧ), выход которого через последовательно соединенные фильтр и синхронный детектор подключен к первому выходу средства сравнения фаз, позволяет осуществить перемножение генерируемого и принятого сигналов в смесителе, усиление полученного после перемножения сигнала в УВЧ, выделение из сложного периодического сигнала гармонической составляющей частоты модуляции с помощью фильтра и детектирование полученного сигнала синхронным детектором, на опорный вход которого поступает сигнал с частотой выбранной гармоники со второго выхода модулирующего генератора. Зависимость выходного напряжения синхронного детектора от частоты определяется либо основной частотной характеристикой многочастотного дискриминатора (при амплитудной и импульсной модуляции), либо ее производной по частоте (при угловой модуляции), причем номер производной совпадает с номером гармоники.
Средство сравнения фаз может содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра и синхронного детектора, подключенную к выходу УВЧ, которая используется вместе с первой для выделения двух гармонических составляющих: четной и нечетной, номера которых отличаются, например, на единицу. На опорный вход второго синхронного детектора поступает сигнал нужной гармоники частоты модуляции с третьего выхода модулирующего генератора. В этом случае выходные сигналы синхронных детекторов будут квадратурны по отношению друг к другу, то есть один сигнал будет обеспечивать синусоидальную а другой косинусоидальную зависимость выходного сигнала от частоты, что позволяет осуществлять измерение ФЧХ путем переключения входа управления частотой генератора с одного выхода средства сравнения фаз на другой, и, тем самым, осуществлять изменение заданного значения разности фаз на Δϕi = π/2. По сравнению с прототипом, в схеме отсутствует фазовоащатель, что снижает количество узлов СВЧ и, тем самым, снижает стоимость устройства. Кроме того, генератор и смеситель средства сравнения фаз могут быть выполнены в виде единого автодинного узла, что также снижает количество узлов СВЧ и стоимость устройства.
Другой вариант устройства для измерения расстояний, обеспечивающий тот же самый технический результат, включает модулирующий генератор и фазовый модулятор, причем первый выход модулирующего генератора подключен к управляющему входу фазового модулятора, вход которого соединен с входом устройства, а выход подключен ко второму входу средства сравнения фаз. Наличие указанных блоков и их связей позволяет осуществить фазовую модуляцию принятого сигнала и, тем самым, обеспечить наличие в выходном сигнале смесителя гармонических составляющих частоты модуляции.
Третий вариант предлагаемого изобретения, обеспечивающий тот же самый технический результат, содержит модулирующий генератор, первый выход которого подключен через фазовращатель к управляющему входу ключа передатчика, а второй и третий соединены соответственно с управляющим входом ключа приемника и третьим опорным входом синхронного детектора средства сравнения фаз, причем генератор с частотой, управляемой напряжением, подключен к выходу устройства через ключ передатчика, а второй вход средства сравнения фаз подключен к входу устройства через ключ приемника. Наличие хотя бы одного из этих ключевых устройств, управляемых напряжением модулирующего генератора, позволяет осуществить импульсную (амплитудную) модуляцию генерируемого или принятого сигналов и, тем самым, обеспечить наличие в выходном сигнале смесителя гармонических составляющих частоты модуляции. Наличие обоих ключей обеспечивает устройству важную возможность селекции объектов по расстоянию. Наличие управляемого контроллером фазовращателя на входе управления ключа передатчика позволяет осуществить синхронизацию момента открытия ключа приемника с принимаемым импульсом, то есть выбрать измеряемый объект, а также выравнять фазы рабочей гармоники принятого сигнала и опорного сигнала.
Важную роль во всех вариантах устройства играет синхронный детектор, преобразующий сигнал выбранной гармоники частоты модуляции в постоянное напряжение, величина которого определяется амплитудой гармоники, а полярность - разностью фаз гармоники и опорного сигнала той же частоты, поступающего с модулирующего генератора. Синхронный детектор (см. Справочник по радиолокации, т. 3, стр.182 / Под ред. М. Скольник, пер. с англ. М.: Советское радио, 1979) имеет сигнальный вход, на который поступает детектируемый сигнал, и вход опорного сигнала. В предлагаемом устройстве синхронный детектор выполняет операцию перемножения опорного и детектируемого сигналов и выделения постоянной составляющей результирующего сигнала. Если опорный сигнал синусоидален (Uоп = U0опsinNΩt), то при детектируемом сигнале U = U0[sinN(Ωt-Ф)] выходной сигнал синхронного детектора определяется выражением Uсд = U0[sinN(Ωt-Ф)]sinNΩt = U0cosNФ, то есть полностью его свойства реализуются при Ф=0. В тех вариантах изобретения, когда условие Ф=0 не выполняется автоматически, целесообразно дополнить синхронный детектор квадратурным каналом, отличающимся от основного сдвигом фазы опорного (или детектируемого) сигнала на π/2 Выходной сигнал этого канала имеет вид U
Все три варианта устройства могут обеспечить не только прямое измерение частоты генератора (вход измерителя частоты соединен с выходом генератора, а его выход подключен шиной данных к контроллеру), но и косвенное измерение частоты. В этом случае измеритель частоты содержит последовательно соединенные вспомогательный генератор с частотой fвсп и генератор гармоник (умножитель частоты) кратности Nг, выход которого подключен ко второму входу средства сравнения фаз, а также счетчик периодов, вход которого связан с выходом вспомогательного генератора и третьим выходом средства сравнения фаз, а выход подключен шиной данных к контроллеру. Такое выполнение измерителя частоты и его подключение к средству сравнения фаз указанным образом позволяет организовать процесс измерения частоты путем преобразования (транспонирования) частоты генерируемого сигнала вниз на смесителе средства сравнения фаз, а выходной сигнал промежуточной частоты fпч = |f-Nгfвсп| снимать с выхода УВЧ средства сравнения фаз. Счетчиком периодов может измеряться промежуточная и вспомогательная частоты, либо одна из них, если вторая известна. Частота генератора вычисляется по формуле f=Nгfвсп±fпч. При неизвестном значении Nг проводятся два или более измерения при разных значениях fвсп, а измеряемая частота f определяется как решение системы уравнений. Данное техническое решение позволяет снять ограничения, связанные с переходом процесса измерения в диапазон миллиметровых волн.
Таким образом, представленные шесть вариантов изобретения (три варианта с прямым измерением частоты и три варианта с косвенным измерением частоты) обеспечивают достижение одного и того же технического результата путем модуляции одного из перемножаемых сигналов - генерируемого или принятого по любому параметру: амплитуде, частоте или фазе, выделения из полученного сложного сигнала одной или двух гармонических составляющих частоты модуляции, использования полученных сигналов для подстройки частоты генерируемого (излучаемого) сигнала до достижения заданного значения разности фаз излучаемого и принятого сигналов, измерения ФЧХ и вычисления расстояния до объекта.
Далее изобретение поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 и 2 представлены схемы устройств для измерения расстояния с частотной модуляцией генерируемого сигнала с прямым и косвенным измерением частоты соответственно; на фиг. 3 представлена схема одного из вариантов измерителя частоты косвенным методом; на фиг. 4 и 5 представлены схемы устройств для измерения расстояния с фазовой модуляцией принятого сигнала с прямым и косвенным измерением частоты соответственно; на фиг. 6 и 7 представлены схемы устройств для измерения расстояния с амплитудной (импульсной) модуляцией генерируемого и принятого сигналов с прямым и косвенным измерением частоты соответственно;
Устройство для измерения расстояния с частотной модуляцией генерируемого сигнала и прямым измерением частоты (см. фиг. 1) содержит генератор с частотой, управляемой напряжением, (далее генератор) 1, средство сравнения фаз 2, модулирующий генератор 3, контроллер 4. Генератор 1, средство сравнения фаз 2 и контроллер 4 образуют цепь автоматической подстройки частоты генератора 1. Первый вход средства сравнения фаз 2 соединен с выходом генератора 1 и выходом устройства, второй вход подключен к входу устройства. Первый выход модулирующего генератора 3 соединен с входом управления частотой генератора 1 непосредственно или через фазовращатель 5. Первый выход контроллера 4 подключен к входу управления частотой генератора 1, второй выход соединен с управляющим входом фазовращателя 5, а третий выход подключен к входу управления частотой модулирующего генератора 3, второй и третий выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз 2, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам контроллера 4. Контроллер 4 соединен шиной данных с вычислительным средством 6, дисплеем 7 и измерителем частоты 8, вход которого подключен к выходу генератора 1. Средство сравнения фаз 2 содержит последовательно соединенные смеситель 9 и УВЧ 10, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз 2, который подключен к цепочке из последовательно соединенных фильтра 11 и синхронного детектора 12, выход которого соединен с первым выходом средства сравнения фаз 2. Средство сравнения фаз 2 может содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра 13 и синхронного детектора 14, вход которой подключен к выходу УВЧ 10, а выход соединен со вторым выходом средства сравнения фаз 2. Синхронные детекторы 12, 14 средства сравнения фаз 2 могут иметь дополнительные квадратурные каналы. Генератор 1, подключенный к первому входу средства сравнения фаз 2, и смеситель 9 средства сравнения фаз 2 могут быть выполнены в виде единого автодинного узла.
Устройство для измерения расстояния с частотной модуляцией генерируемого сигнала и косвенным измерением частоты (см. фиг. 2) отличается от устройства на фиг. 1 подключением измерителя частоты 8, вход которого соединен с третьим выходом средства сравнения фаз 2, а выход подключен ко второму входу средства сравнения фаз 2.
Измеритель частоты 8, используемый для косвенного измерения частоты (см. фиг. 3) может включать в себя, например, последовательно соединенные вспомогательный генератор 15 и генератор гармоник 16, выход которого является выходом измерителя частоты 8, счетчик периодов 17 и переключатель 18. Первый вход переключателя 18 является входом измерителя частоты 8, а второй вход соединен с выходом вспомогательного генератора 15. Выход переключателя 18 подключен к входу счетчика периодов 17. Переключатель 18 и счетчик периодов 17 соединены шиной данных с контроллером 4.
Устройство для измерения расстояний с фазовой модуляцией принятого сигнала и прямым измерением частоты (см. фиг. 4) содержит генератор 1, средство сравнения фаз 2, модулирующий генератор 3, контроллер 4. Генератор 1, средство сравнения фаз 2 и контроллер 4 образуют цепь автоматической подстройки частоты генератора 1. Первый вход средства сравнения фаз 2 соединен с выходом генератора 1 и выходом устройства, второй вход подключен к входу устройства через фазовый модулятор 19, управляющий вход которого соединен с первым выходом модулирующего генератора 3. Второй и третий выходы модулирующего генератора 3 соединены с третьим и четвертым опорными входами средства сравнения фаз 2, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам контроллера 4. Первый выход контроллера 4 соединен с входом управления частотой генератора 1. Контроллер 4 соединен шиной данных с вычислительным средством 6, дисплеем 7 и измерителем частоты 8, вход которого подключен к выходу генератора 1. Средство сравнения фаз 2 содержит последовательно соединенные смеситель 9 и УВЧ 10, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз 2, который подключен к цепочке из последовательно соединенных фильтра 11 и синхронного детектора 12, выход которого соединен с первым выходом средства сравнения фаз 2. Средство сравнения фаз 2 может содержать вторую цепочку из последовательно соединенных фильтра 13 и синхронного детектора 14, вход которой подключен к выходу УВЧ 10, а выход соединен со вторым выходом средства сравнения фаз 2.
Устройство для измерения расстояний с фазовой модуляцией генерируемого сигнала и косвенным измерением частоты (см. фиг. 5) отличается от устройства на фиг. 4 подключением измерителя частоты 8, вход которого соединен с третьим выходом средства сравнения фаз 2, а выход подключен ко второму входу средства сравнения фаз 2. В качестве измерителя частоты 8 может использоваться описанный выше измеритель частоты по фиг. 3.
Устройство для измерения расстояний с амплитудной (импульсной) модуляцией и прямым измерением частоты (см. фиг. 6) содержит генератор 1, средство сравнения фаз 2, модулирующий генератор 3, контроллер 4. Генератор 1, средство сравнения фаз 2 и контроллер 4 образуют цепь автоматической подстройки частоты генератора 1. Первый вход средства сравнения фаз 2 соединен с выходом генератора 1 и через ключ 20 передатчика - с выходом устройства, второй вход подключен через ключ 21 приемника к входу устройства. Первый выход модулирующего генератора 3 соединен через фазовращатель 22 с управляющим входом ключа 20 передатчика, второй и четвертый выходы подключены соответственно к третьему опорному входу средства сравнения фаз 2 и управляющему входу ключа 21 приемника. Первый выход средства сравнения фаз 2 соединен с первым входом контроллера 4, первый выход которого подключен к входу управления частотой генератора 1, а второй выход соединен с управляющим входом фазовращателя 22. Контроллер 4 соединен шиной данных с вычислительным средством 6, дисплеем 7 и измерителем частоты 8, вход которого подключен к выходу генератора 1. Средство сравнения фаз 2 содержит последовательно соединенные смеситель 9 и УВЧ 10, выход которого является третьим выходом средства сравнения фаз 2, который подключен к цепочке из последовательно соединенных фильтра 11 и синхронного детектора 12, выход которого соединен с первым выходом средства сравнения фаз 2. Синхронный детектор 12 средства сравнения фаз 2 может иметь дополнительный квадратурный канал.
Устройство для измерения расстояний с амплитудной (импульсной) модуляцией и косвенным измерением частоты (см. фиг. 7) отличается от устройства на фиг. 6 подключением измерителя частоты 8, вход которого соединен с третьим выходом средства сравнения фаз 2, а выход подключен ко второму входу средства сравнения фаз 2. В качестве измерителя частоты 8 может использоваться описанный выше измеритель частоты по фиг. 3.
Контроллер 4 наделен программой, обеспечивающей установку частоты генератора 1, соответствующей условию устойчивости АПЧ генератора 1, с использованием операций подключения и отключения входа генератора 1 к выходу (выходам) средства сравнения фаз 2, изменения напряжения управления частотой генератора 1, а также изменения знака коэффициента передачи сигнала с выхода средства сравнения фаз 2 на вход управления частотой генератора 1.
Предлагаемый способ измерения расстояний с использованием предлагаемых устройств для измерения расстояний осуществляют следующим образом.
С помощью генератора 1 генерируют сигнал частоты f, излучают его с выхода устройства в направлении объекта и принимают на вход устройства задержанный по времени прошедший по измеряемой траектории сигнал. При этом в зависимости от варианта устройства, с помощью которого осуществляют способ, модулируют, по крайней мере, один из сигналов - генерируемый или принятый.
В устройствах, представленных на фиг. 1, 2 осуществляют модуляцию генерируемого сигнала по частоте с помощью модулирующего генератора 3, первый выход которого подключен к входу управления частотой генератора 1 либо непосредственно, либо через фазовращатель 5. При этом и генерируемый и принятый сигналы оказываются модулированы по частоте, один из которых - генерируемый поступает на первый вход смесителя 9, а другой - принятый (задержанный по времени) поступает на второй вход смесителя 9 средства сравнения фаз 2.
В устройствах, представленных на фиг. 4, 5 осуществляют модуляцию принятого сигнала по фазе с помощью фазового модулятора 19, управляемого модулирующим генератором 3. При этом оказывается модулированным только один из двух сигналов, поступающих на смеситель 9 - принятый, а генерируемый (излучаемый) - не модулирован.
В устройствах, представленных на фиг. 6, 7 осуществляют амплитудную (импульсную) модуляцию и генерируемого и принятого сигналов с помощью ключевых устройств 20, 21, управляемых с помощью модулирующего генератора 3. При этом генерируемый немодулированный сигнал поступает на первый вход, а принятый модулированный сигнал на второй вход смесителя 9 средства сравнения фаз 2.
С помощью смесителя 9 средства сравнения фаз 2 (см. фигуры 1, 2, 4-7) генерируемый и принятый сигналы перемножают и получают на выходе при любом виде модуляции сложный периодический сигнал, содержащий спектральные компоненты с частотами, кратными частоте модуляции, амплитуды которых зависят от разности фаз несущих перемножаемых сигналов. Полученный сигнал усиливают на частоте модуляции или ее гармонике с помощью УВЧ 10 для обеспечения необходимого уровня сигнала для функционирования АПЧ. Далее, из выходного сигнала УВЧ 10 фильтром 11 выделяют сигнал одной из гармоник частоты модуляции, который затем подают на синхронный детектор 12, на опорный вход которого поступает сигнал той же гармоники со второго выхода модулирующего генератора 3. Зависимость полученного на выходе синхронного детектора 12 сигнала от частоты будет соответствовать производной характеристики многочастотного дискриминатора, причем номер производной будет равен номеру гармоники. Выделение сигнала гармоники частоты модуляции позволяет использовать его нулевые значения в качестве критерия при измерении зависимости разности фаз генерируемого и принятого сигналов от частоты. Детектированный сигнал выделенной гармоники поступает с выхода средства сравнения фаз 2 на вход контроллера 4, и, замыкая цепь обратной связи АПЧ, подается с первого выхода контроллера 4 на вход управления частотой генератора 1. В результате работы АПЧ генерируемая частота устанавливается в ближайшей точке устойчивости АПЧ, где уровень сигнала выделенной гармоники близок к нулю. Далее процесс измерения зависимости разности фаз генерируемого и принятого сигналов от частоты (ФЧХ) осуществляется под управлением программы контроллера 4. Для этого изменением частоты генерируемого сигнала устанавливают начальную заданную разность фаз и начальное значение частоты генератора, соответствующее нулевому значению сигнала выделенной гармоники. Затем многократно на величину Δϕi = π изменяют заданную разность фаз. Значения частоты и разности фаз устанавливаются системой АПЧ после каждого изменения фазы и измеряются при нулевом значении сигнала выделенной гармоники. Далее по измеренным значениям вычисляют фазочастотную характеристику, из которой по алгоритмам определяют линейную составляющую, из крутизны которой затем вычисляют расстояние пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям.
При наличии в средстве сравнения фаз 2 второй цепочки из последовательно соединенных полосового фильтра 13 и синхронного детектора 14 обеспечивается возможность выделения сигналов двух гармонических составляющих, номера которых отличаются на единицу. При этом на выходе средства сравнения фаз 2 получают два выходных сигнала, один из которых имеет синусоидальную, а другой косинусоидальную зависимость от частоты. В этом случае при измерении зависимости разности фаз генерируемого и принятого сигналов от частоты заданную разность фаз изменяют на величину Δϕi = π/2 путем переключения контроллером 4 входа управления частотой генератора 1 с одного выхода средства сравнения фаз 2 на другой, измерения установленных АПЧ значений частоты генератора 1 и определения задаваемой разности фаз сигналов при нулевых значениях сигналов выделенных гармоник.
Для того, чтобы исключить сложности при переходе в миллиметровый диапазон длин волн в предлагаемом изобретении предусмотрено как прямое, так и косвенное измерение частоты. При косвенном измерении частоты измеритель 8 подключают входом к третьему выходу средства сравнения фаз 2, а выходом - ко второму входу средства сравнения фаз 2. При таком подключении в процесс обработки сигнала включаются смеситель 9 и УВЧ 10 средства сравнения фаз 2.
Измеритель частоты работает следующим образом.
Гармоника сигнала вспомогательного генератора 15 поступает с выхода генератора гармоник 16 на второй вход смесителя 9 средства сравнения фаз 2. После перемножения на смесителе 9 сигнала гармоники и генерируемого сигнала на выходе УВЧ 10 получают усиленный сигнал промежуточной частоты, равной разности частот генерируемого сигнала и сигнала гармоники вспомогательного генератора 15. Этот сигнал и сигнал вспомогательного генератора 15 поступает через управляемый контроллером 4 переключатель 18 на счетчик периодов 17, соединенный шиной данных с контроллером 4. Таким образом, измерение частоты осуществляется путем транспонирования частоты генерируемого сигнала вниз, где работают дешевые и надежные счетчики периодов.
Предлагаемое изобретение обеспечивает высокую точность измерения расстояний за счет исключения влияния фликкер-шума на результаты измерений, не имеет ограничений по используемому диапазону частот, включая миллиметровый диапазон длин волн. Устройство, выполненное по принципам изобретения имеет сравнительно низкую стоимость, так как его схема содержит ограниченное количество узлов СВЧ: генератор и смеситель, причем при косвенном измерении частоты один и тот же смеситель используется для получения нескольких необходимых для процесса измерения сигналов. Алгоритмы процесса измерения и вычисления результатов измерения очень просты и не требуют использования сложных и дорогих микропроцессоров.
Предлагаемое изобретение имеет несколько конструктивных вариантов, каждый из которых обладает рядом особенностей, учет которых позволяет выбрать оптимальный вариант для решения конкретной технической задачи.
Вариант с фазовой модуляцией сигнала имеет не зависящую от времени задержки сигнала (и от дальности) чувствительность и может быть рекомендован для систем измерения расстояния с большим количеством объектов. Варианты с импульсной модуляцией дают возможность эффективного подавления паразитных сигналов, например, отраженных от посторонних объектов. Поэтому они рекомендуются для измерения расстояний до слабо отражающих объектов, затененных посторонними предметами. Варианты с частотной модуляцией наиболее дешевы, так как не требуют специального модулятора, и обладают, благодаря наличию "слепых" зон, определенными возможностями по селекции мешающих объектов. Вредные последствия "слепых" зон устраняются в варианте с изменяющейся частотой модуляции. Автодинный вариант изобретения обещает быть простейшим и наиболее дешевым радиолокационным измерителем расстояния.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ | 2001 |
|
RU2218582C2 |
| ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ГОМОДИННОГО РАДИОЛОКАТОРА | 2000 |
|
RU2189055C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ | 1998 |
|
RU2158937C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2239845C2 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ (ВАРИАНТЫ) | 2003 |
|
RU2255352C2 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ | 2000 |
|
RU2189694C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИИ СИГНАЛА | 2003 |
|
RU2260901C1 |
| Приёмо-передающее устройство гомодинного радиолокатора | 2021 |
|
RU2787976C1 |
| Диэлькометрический измеритель концентрации пластификатора в пленочных материалах | 1982 |
|
SU1081566A1 |
| Ультразвуковой измеритель концентрации компонентов | 1981 |
|
SU958955A1 |
Изобретение относится к средствам измерения расстояния и может быть использовано в технике радиоизмерений (дальнометрия, измерение уровня), а также в акустике и оптике. Способ измерения расстояния осуществляют путем измерения зависимости разности фаз излучаемого и принятого периодических сигналов от частоты, по которой вычисляют фазочастотную характеристику, определяют ее линейную составляющую, из крутизны которой определяют расстояние, пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям. Новым в способе является то, что генерируемый и принятый сигналы перемножают, при этом один из перемножаемых сигналов модулируют периодическим сигналом по амплитуде, частоте или фазе, выделяют из полученного сигнала сигнал, по крайней мере, одной из гармоник частоты модуляции, а измерение зависимости разности фаз от частоты осуществляют при нулевых значениях сигналов выделенных гармоник. Устройство для измерения расстояния содержит генератор с частотой, управляемой напряжением, подключенный к выходу устройства, средство сравнения фаз, первый вход которого подключен к выходу генератора, второй - к входу устройства, и программируемое управляющее средство, выполненное в виде контроллера, образующие цепь автоматической подстройки частоты генератора, а также измеритель частоты и вычислительное средство, определяющее расстояние. Оно также содержит модулирующий генератор, выходы которого соединены соответственно с входом управления частотой генератора и опорными входами средства сравнения фаз, наличие которого обеспечивает частотную модуляцию генерируемого сигнала. Один из вариантов устройства содержит фазовый модулятор, управляющий вход которого подключен к выходу модулирующего генератора, наличие которого обеспечивает фазовую модуляцию принятого сигнала. Другой вариант устройства содержит на входе и выходе устройства соответственно ключи приемника и передатчика, при этом выход модулирующего генератора подключен к управляющему входу ключа передатчика. Наличие по крайней мере одного ключевого устройства, управляемого выходным сигналом модулирующего генератора, обеспечивает амплитудную (импульсную) модуляцию принятого сигнала. Любой вид модуляции генерируемого или принятого сигналов позволяет обеспечить наличие в выходном сигнале смесителя средства сравнения фаз гармонических составляющих частоты модуляции, выделение которых позволяет использовать их нулевые значения для измерения зависимости разности фаз от частоты модуляции, выделение которых позволяет использовать их нулевые значения для измерения зависимости разности фаз от частоты, а следовательно, и расстояния. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения расстояния в любом диапазоне частот, включая миллиметровый диапазон. 7 с. и 28 з. п.ф-лы, 7 ил.
где ϕi[fi] - значение разности фаз для измеренного значения частоты fi, определяют из фазочастотной характеристики линейную составляющую φ(лин) = 2πfl/V, где V - скорость распространения, а f - частота сигнала, из крутизны которой определяют расстояние l, пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям, отличающийся тем, что генерируемый и принятый сигналы перемножают, при этом один из перемножаемых сигналов модулируют периодическим сигналом, выделяют из полученного после перемножения сигнала сигнал, по крайней мере, одной из гармоник частоты модуляции, а установку значений заданной разности фаз ϕ0, ϕi и измерение соответствующих им значений частот f0, fi осуществляют при нулевых значениях сигнала выделенных гармоник.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модулируют один из перемножаемых сигналов по частоте или фазе, выделяют из полученного сигнала сигналы четной и нечетной гармоник, заданную разность фаз изменяют на величину Δϕi = π/2, значения частот генерируемого сигнала измеряют при каждом нулевом значении сигналов обеих выделенных гармоник, а фазочастотную характеристику вычисляют по формуле
ϕi[fi] = ϕ0+iπ/2.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что измерение частоты генерируемого сигнала осуществляют путем его перемножения с сигналом гармоники вспомогательного генератора, выделения сигнала промежуточной частоты, равной разности их частот, и вычисления значения частоты генерируемого сигнала по значениям промежуточной частоты и частоты вспомогательного генератора.
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ | 1998 |
|
RU2158937C2 |
| US 5134411 A, 28.07.1992 | |||
| БЛАНШИРОВАННЫЕ БЫСТРОЗАМОРОЖЕННЫЕ ОВОЩИ И СПОСОБ ИХ ПРОИЗВОДСТВА | 2006 |
|
RU2327368C1 |
| US 4833480, 23.05.1989. | |||
