СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01S13/60 

Предлагаемые изобретения относятся к радионавигационной технике и могут быть использованы при разработке доплеровских измерителей скорости (ДИС) и доплеровских измерителей скорости и угла сноса (ДИСС), к которым предъявляются повышенные требования точности измерения скорости.

Известны [1], с.169, рис.7.4, радиолокационные станции с использованием эффекта Доплера, предназначенные для измерения скорости и содержащие (фиг.1) последовательно соединенные передатчик (ПРД) 1 и передающую антенну (А_прд) 2, последовательно соединенные приемную антенну, (А_прм) 3, смеситель 4, усилитель доплеровских частот (УДЧ) 5 и измеритель скорости (индикатор) 6.

Передатчик 1 генерирует непрерывные сигналы частоты F, которые излучаются передающей антенной 2. При отражении от движущейся цели частота отраженного сигнала отличается от частоты F излученного сигнала на величину доплеровского приращения fd, которое согласно [1], с.168, определяется как

где V_r - радиальная скорость движения цели относительно радиолокатора;

С - скорость света.

Отраженные колебания частоты F±fd (знак зависит от направления движения цели) принимаются приемной антенной 3 и поступают на смеситель 4, на второй вход которого также подаются колебания частоты F с 1-го выхода ПРД 1. Возникающие на выходе смесителя 4 колебания разностной (доплеровской) частоты усиливаются усилителем доплеровской частоты (УДЧ) 5 и поступают на измеритель скорости 6, в качестве которого может быть, например, использован описанный в [2], с.267, рис.8.10, преобразователь доплеровской частоты в двоичный код, содержащий формирователь импульсов 7, вход которого подключен к выходу УДЧ5 двоичный счетчик 11, регистр хранения кода и коммутатор, в состав которого входят генератор стабильной частоты (ГСЧ) 14, формирующий колебания стабильной частоты F_o, делитель частоты 8 и дешифратор 9, вырабатывающий (фиг.4) импульсы «сброс», «запись», «перепись». Импульсы «сброс» устанавливают в состояние «0» триггеры счетчика импульсов 11, импульсы «запись» открывают схему И 10, стоящую на входе счетчика импульсов 11, и импульсы «ж» с выхода формирователя импульсов 7, следующие с частотой fd, поступают на вход счетчика 11 в течение времени t_зап, которое определяется частотой F_o генератора 14 стабильной частоты, коэффициентом n₂ деления делителя частоты 8 и объемом w дешифратора

По окончании времени t_зап дешифратор 9 формирует импульс «е» «перепись», открываются вентили 12 управления регистром и выходной код счетчика импульсов 11 переписывается в выходной регистр 13. Таким образом в счетчик импульсов будет записано К импульсов

Недостатком таких доплеровских измерителей скорости является погрешность измерения скорости, вызываемая изменением частоты F СВЧ колебаний, создаваемых передатчиком 1.

Как следует из выражения (1) при изменении частоты F передатчика 1 на величину ΔF доплеровская частота fd изменится на величину Δfd

откуда .

Следовательно,

, или ,

что приведет к относительной погрешности ΔV_r/V_r измерения радиальной скорости V_r

Погрешность измерения радиальной скорости, вызываемая нестабильностью излучаемых частот, свойственна и когерентно-импульсным измерителям скорости [8], использующим двухчастотный метод, при котором излучаются импульсы с периодом Т и несущими частотами F₁ и F₂, измеряется фазовый сдвиг ΔФ разности доплеровских частот fd₁ и fd₂ и определяется радиальная скорость

Как следует из формулы (4) нестабильности частот F₁ и F₂ приводят к погрешности измерения скорости V_r.

Для уменьшения этой составляющей погрешности измерения скорости V_r применяют меры по повышению стабильности частоты F. Одно из таких решений состоит в стабилизации частоты с помощью резонаторов из инвара.

Как показано в [2], с.331, в этом случае удается обеспечить , что приведет к такой же относительной погрешности скорости.

Между тем в [3], с.114-117, отмечается, что современные баллистические артиллерийские радиолокационные станции должны измерять скорость снаряда с относительной срединной ошибкой не более 0,05%, а относительная нестабильность несущей частоты передатчика не должна превышать 0,01%.

Для обеспечения такой высокой стабильности применяют [4] системы с фазовой автоподстройкой, позволяющей уменьшить до 10^-4, или стабилизируют несущую частоту F передатчика с помощью кварцевого генератора, имеющего более низкую частоту (порядка 200 МГц), с последующим ее умножением. Однако такие системы усложняют схему приемопередатчика и приводят к увеличению его стоимости и снижению надежности.

Целью предлагаемых изобретений является повышение точности измерения скорости объекта доплеровским измерителем скорости за счет исключения ошибки, вызываемой нестабильностью частоты передатчика.

Поставленная цель достигается тем, что формирование временного интервала t_зап, в течение которого осуществляется счет импульсов частоты fd, проводится путем деления частоты F передатчика, для чего в состав доплеровского измерителя скорости вводят последовательно соединенные направленный ответвитель и скоростной делитель частоты, вход направленного ответвителя подключают к выходу передатчика, второй выход - ко входу передающей антенны, третий выход - ко второму входу смесителя, а выход скоростного делителя частоты подключают ко входу низкочастотного делителя частоты, используемого в прототипе.

Сущность предлагаемого способа измерения радиальной скорости V_r подвижного объекта состоит в том, что для исключения погрешности измерения радиальной скорости V_r, вызываемой нестабильностью частоты F передатчика, формирование временного интервала t_раз, в течение которого осуществляется счет импульсов доплеровской частоты, проводится путем деления частоты F передатчика. В этом случае происходит компексация изменения частоты передатчика F обратным изменением интервала t_раз, и показания измерителя скорости не зависят от F. Например, увеличение частоты ΔF приводит к увеличению доплеровской частоты на величину Δfd, т.е.

и одновременному уменьшению времени ,

где w - объем дешифратора;

n - коэффициент деления;

n=n₁·n₂,

где n₁ и n₂ - коэффициенты деления скоростного и низкочастотного делителя частоты соответственно.

Следовательно, число импульсов К, прошедших на вход счетчика, , не зависит от частоты F.

Введение подобных действий для повышения точности измерения радиальной скорости V_r из общедоступных источников неизвестно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа и устройства для его реализации критерию «Новизна».

Вновь вводимые блоки, необходимые для реализации предлагаемого способа, известны и описаны в технической литературе.

В качестве направленного ответвителя могут быть использованы направленные ответвители, описанные в [5], с.264-271. СВЧ делители, работающие на частотах до 18 ГГц, описаны в [6], в то время как согласно [7], с.133, для наземных доплеровских измерителей скорости выделен диапазон частот (13,56-13,62) ГГц.

При введении новых блоков в указанных связях с остальными блоками ДИС проявляет новые свойства, позволяющие повысить точность измерения радиальной скорости за счет исключения погрешности, обусловленной нестабильностью частоты передатчика, что не следует из уровня техники и соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется дальнейшим описанием и чертежами, на которых в качестве примера технического воплощения предлагаемого способа измерения радиальной скорости V_r подвижного объекта, подтверждающего возможность его промышленной применимости, представлены:

- фиг.1 - функциональная схема, поясняющая принцип построения доплеровского измерителя радиальной скорости V_r;

- фиг.2 - функциональная схема доплеровского измерителя радиальной скорости, поясняющая предлагаемый способ измерения радиальной скорости V_r;

- фиг.2 - функциональная схема доплеровского измерителя радиальной скорости, поясняющая предлагаемый способ измерения радиальной скорости V_r;

- фиг.3 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения радиальной скорости V_r подвижного объекта ДИС;

- фиг.4 - эпюры напряжений, поясняющие сущность предлагаемого способа измерения радиальной скорости V_r подвижного объекта ДИС.

На фиг.1 применены следующие обозначения:

1 - передатчик (ПРД);

2 - антенна передающая (А_ПРД);

3 - антенна приемная (А_ПРМ);

4 - смеситель;

5 - усилитель доплеровской частоты (УДЧ);

6 - измеритель скорости;

7 - формирователь импульсов;

8 - низкочастотный делитель частоты НДЧ;

9 - дешифратор;

10 - схема И;

11 - счетчик импульсов;

12 - вентили управления регистром хранения кода;

13 - регистр хранения кода;

14 - генератор стабильной частоты (ГСЧ).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.1.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 - передатчик (ПРД);

2 - антенна передающая (А_ПРД);

3 - антенна приемная (А_ПРМ);

4 - смеситель;

5 - усилитель доплеровских частот (УДЧ);

6 - измеритель скорости;

7 - формирователь импульсов;

8 - низкочастотный делитель частоты (НДЧ);

9 - дешифратор;

10 - схема И;

11 - счетчик импульсов;

12 - вентили управления регистром хранения кода;

13 - выходной регистр хранения кода.

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.2.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

1 - передатчик (ПРД);

2 - антенна передающая (А_ПРД);

3 - антенна приемная (А_ПРМ);

4 - смеситель;

5 - усилитель доплеровской частоты (УДЧ);

6 - измеритель скорости;

7 - формирователь импульсов;

8 - низкочастотный делитель частоты (НДЧ);

9 - дешифратор

10 - схема И;

11 - счетчик импульсов;

12 - вентили управления регистром хранения кода;

13 - регистр хранения кода;

15 - направленный ответвитель (НО);

16 - делитель частоты передатчика (ДЧП).

Связи между указанными блоками соответствуют приведенным на фиг.3.

На фиг.4 представлены:

а - СВЧ колебания частоты F передатчика 1;

б - импульсы, образованные делением ДЧП 16;

в - импульсы на выходе делителя частоты 8;

г - импульсы «сброс» на 1-м выходе дешифратора 9;

д - импульсы «запись» на 2-м выходе дешифратора 9;

е - импульсы «перепись» на 3-м выходе дешифратора 9;

ж - импульсы частоты fd с выхода схемы И 10.

В приведенной на фиг.2 функциональной схеме предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Передатчик 1 генерирует СВЧ-колебания частоты F, которые снимаются с выхода 2, подводятся к передающей антенне 2 и излучаются по направлению к движущемуся объекту. Отраженные от объекта колебания частоты F+fd принимаются приемной антенной 3 и поступают на 1-й вход смесителя 4, на второй вход которого поступают СВЧ- колебания передатчика 1, снимаемые с его 1-го выхода.

Возникающие на выходе смесителя 4 колебания доплеровской частоты fd усиливаются усилителем 5 доплеровской частоты и поступают на вход формирователя импульсов 7, создающего импульсы «ж» (фиг.4) постоянной амплитуды, следующие с частотой (периодом ) и поступающие на 1-й вход схемы И 10, на 2-й вход которой подаются импульсы «д» со 2-го выхода дешифратора, получаемые следующим образом. С 3-го выхода передатчика 1 снимаются импульсы «б», следующие с уменьшенной в n₁ раз частотой и поступающие на делитель 8, формирующего на выходе импульсы «в», следующие с частотой , где n₂ - коэффициент деления делителя частоты 8.

Эти импульсы поступают на вход дешифратора 9, формирующего импульсы «г», «д», «е». (фиг.4). Импульсы «г» («сброс») устанавливают в состояние лог. «0» триггеры счетчика 11. Импульсы «д» длительностью t_зап поступают на 2-й вход схемы И 10, открывают ее, и импульсы формирователя 7 импульсов начинают поступать на вход счетчика 11 в течение времени

где w - объем дешифратора 9.

Очевидно, что число импульсов «ж», следующих с периодом

и прошедших на вход счетчика 11 за время t_зап,

т.е. К не зависит от стабильности частоты F передатчика.

Определим требования к коэффициентам K, n₁ и n₂.

Пусть, например, максимальная радиальная скорость V_rm=300 м/с,

F=13,6 ГГц, а относительная погрешность измерения V_r не должна превышать 0,1%.

Тогда

а необходимое число импульсов К исходя из заданной погрешности измерения должно быть не менее К=1,012·10³.

В этом случае

а коэффициент деления .

Если принять w=10³, то

Если считать, что низкочастотный делитель частоты 8 может считать импульсы, следующие с частотой f_нч=10⁸ Гц, то коэффициент деления n₁ скоростного делителя частоты должен быть

С небольшим запасом выбирается n₁=256 (8-разрядный делитель частоты).

Тогда коэффициент деления низкочастотного делителя 8 частоты

т.е. можно использовать 11-разрядный делитель частоты. Такой делитель частоты может быть выполнен в виде 3-х последовательно соединенных микросхем типа 530ИЕ15ММ, каждая из которых содержит 4-разрядный делитель частоты. В этом случае общий коэффициент деления частоты F

На фиг.3 приведена функциональная схема ДИС, реализующего предлагаемый способ.

Передатчик 1 генерирует СВЧ-колебания частоты F, которые подводятся через второй выход НО 15 к передающей антенне 2 и излучаются по направлению к движущемуся объекту. Отраженные от объекта колебания частоты F+fd принимаются приемной антенной 3 и поступают на смеситель 4, на второй вход которого поступают СВЧ-колебания передатчика 1, снимаемые с 3-го выхода НО 15, устанавливаемого в непосредственной близости от А_ПРД2, что позволяет снизить требования к амплитудным и фазовым шумам ПРД1 [3].

Возникающие на выходе смесителя 4 колебания доплеровской частоты fd усиливаются усилителем 5 доплеровской частоты и поступают на вход формирователя импульсов 7, создающего импульсы постоянной амплитуды, следующие с частотой (периодом ) и поступающие на 1-й вход схемы И 10, на 2-й вход которой подаются импульсы «д» со 2-го выхода дешифратора, получаемые следующим образом. Снимаемые с 1-го выхода НО 15 СВЧ колебания частоты F поступают на скоростной делитель частоты 16, формирующий на выходе импульсы «б» (фиг.4), следующие с частотой , где n₁ - коэффициент деления скоростного делителя частоты 16.

на 1-й вход схемы И 10, на 2-й вход которой подаются импульсы «д» со 2-го выхода дешифратора, получаемые следующим образом. Снимаемые с 1-го выхода НО 15 СВЧ-колебания частоты F поступают на ДЧП 16, формирующий на выходе импульсы «б» (фиг.4), следующие с частотой ,

где n₁ - коэффициент деления ДЧП 16.

Снимаемые с выхода ДЧП 16 импульсы «б» поступают на вход НДЧ 8, формирующего импульсы «в», следующие с периодом

где n₂ - коэффициент деления НДЧ 8.

Эти импульсы поступают на вход дешифратора 9, формирующего импульсы «г», «д», «е». (фиг.4). Импульсы «г» («сброс») устанавливают в состояние лог.«0» триггеры счетчика импульсов 11. Импульсы «д» длительностью t_зап поступают на 2-й вход схемы И 10, открывают ее, и импульсы формирователя импульсов 7 начинают поступать на вход счетчика импульсов 11 в течение времени

где w - объем дешифратора 9.

Очевидно, что число К импульсов «ж», следующих с периодом и прошедших на вход счетчика импульсов 11 за время t_зап,

т.е. число импульсов К, прошедших на вход счетчика импульсов 11, не зависит от частоты F передатчика.

Из выражения для К можно определить радиальную скорость подвижного объекта как

По окончании времени t_зап дешифратор 9 формирует импульс «е», открывающий вентили управления регистром хранения кода 12, и выходной код счетчика импульсов 11, пропорциональный радиальной скорости V_r, переписывается в регистр хранения кода 13, с выхода которого информация о радиальной скорости V_r выдается потребителю.

Таким образом, при построении ДИС по предлагаемой функциональной схеме повышают точность измерения радиальной скорости подвижного объекта, используя простейший передатчик.

Пользуясь сведениями, приведенными в материалах заявки, можно разработать и изготовить на своевременной элементной базе ДИС для измерения радиальной скорости объекта с повышенной точностью.

Вновь вводимые направленный ответвитель и делитель частоты передатчика являются известными устройствами, имеющими незначительные габаритные размеры и массу, что не приведет к существенному увеличению габаритных размеров и массы ДИС.

Заявляемые способ и устройство для его реализации позволяют излучать СВЧ-сигналы с переменной в целях повышения помехоустойчивости частотой F и могут быть использованы при разработке доплеровских измерителей скорости и, следовательно, удовлетворяют требованиям критерия «Промышленная применимость».

Литература

1. А.С.Виницкий. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. - М.: Советское радио, 1961, с.169.

2. В.Е.Колчинский, М.А.Мандуровский, М.И.Константиновский. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов. - М.: Советское радио, 1975, с.267, рис.8.10.

3. А.А.Илюха и др. Возможности применения СВЧ-модуля «Отвага» в баллистических артиллерийских радиолокационных станциях. Электронная техника, серия «СВЧ-техника», вып.2 (482), 2003, с.114-117.

4. Моноимпульсная радиолокационная станция сопровождения цели. Патент № 2211444 RU (13) с.1, кл. G01S 13/44 по заявке 97112846/09 от 15.07.97.

5. Г.Б.Белоцерковский. Основы радиотехники и антенны. Часть 2. Антенны. - М.: Советское радио, 1969, с.269-271.

6. Ga As HBT MMIC/DIVIDE-BY-2DC-13 GHz, WWW nitlite/com.

7. Таблица распределения полос частот между радиослужбами Российской Федерации в диапазоне частот от 3 кГц до 400 ГГц / Государственная комиссия по радиочастотам при Министерстве связи Российской Федерации. - М.: 1996, с.133.

8. Радиолокационная станция для определения скорости цели. Патент № 2236694 RU.

Предлагаемые изобретения относятся к радионавигации, а именно к способам и устройствам измерения радиальной скорости подвижного объекта. Сущность: для исключения погрешности измерения радиальной скорости, вызываемой нестабильностью частоты передатчика доплеровского измерителя скорости, формирование временного интервала, в течение которого осуществляется счет импульсов доплеровской частоты, проводится путем деления частоты передатчика с помощью скоростного делителя частоты. Достигаемый технический результат: повышается точность измерения радиальной скорости при использовании упрощенного передатчика, что снижает стоимость доплеровского измерителя скорости. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения радиальной скорости подвижного объекта доплеровским измерителем скорости, заключающийся в том, что генерируют и излучают непрерывные сверхвысокочастотные колебания частоты F, принимают отраженные подвижным объектом сигналы, частота которых смещена относительно частоты F на частоту f_d, пропорциональную радиальной скорости V_r подвижного объекта, вычисляют частоту f_d путем счета счетчиком числа К ее периодов Т_d в течение времени t_зап, где Т_d=1/f_d=C/2V_r·F, где С - скорость света, отличающийся тем, что время записи t_зап формируют с обеспечением независимости измерения радиальной скорости от нестабильности частоты передатчика путем деления в n=n₁·n₂ раз частоты F передатчика, где n₂ - коэффициент деления низкочастотного делителя частоты, n₁ - коэффициент деления частоты передатчика, определяемый как n₁≥F/f_нч, f_нч - частота низкочастотного делителя частоты, при этом t_зап=n₁·n₂·w/F, где w - объем дешифратора, а V_r определяют из выражения К=t_зап/Т_d=2V_r·n₁·n₂·w/C как V_r=K·C/2n₁·n₂·w.2. Доплеровский измеритель радиальной скорости подвижного объекта, содержащий передатчик, генерирующий непрерывные сверхвысокочастотные колебания частоты F, передающую антенну, последовательно соединенные приемную антенну, смеситель, усилитель доплеровских частот, формирователь импульсов, частота повторения которых пропорциональна радиальной скорости, последовательно соединенные низкочастотный делитель частоты и дешифратор, создающие временной интервал, обратно пропорциональный частоте повторения импульсов, поступающих на вход низкочастотного делителя частоты, последовательно соединенные схему И, счетчик импульсов, выходы которого подключены к информационным входам вентилей управления регистром хранения кода, и регистр хранения кода, выход формирователя импульсов подключен к первому входу схемы И, второй вход которой соединен со вторым выходом дешифратора, первый выход которого соединен со вторым входом счетчика, а третий выход - с управляющими выходами вентилей управления регистром хранения кода, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные направленный ответвитель и делитель частоты передатчика, выход которого подключен к входу низкочастотного делителя частоты, вход направленного ответвителя подключен к выходу передатчика, второй выход - к входу передающей антенны, третий выход - к второму входу смесителя, а выходами доплеровского измерителя радиальной скорости подвижного объекта являются выходы регистра хранения кода.