РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2016 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах ближней радиолокации для измерения радиальной скорости объектов.

Известно устройство для измерения скорости (Авт. св. №590687, МПК G01S 13/58, 1976 г.). Устройство содержит приемную антенну и последовательно соединенные генератор высокой частоты (ВЧ), фазовый детектор, усилитель постоянного тока и блок управления частотой, выход которого соединен с входом генератора ВЧ, который вторым выходом соединен с передающей антенной. Выход усилителя постоянного тока соединен с входом блока измерения частоты, частотно-сдвигающий блок, датчик величины опорной частоты и блок вычитания, при этом частотно-сдвигающий блок включен между выходом приемной антенны и вторым входом фазового детектора, а выход датчика величины опорной частоты соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока измерения частоты.

Недостатками аналога являются недостаточная точность измерения скорости из-за сложного преобразования ВЧ сигнала в сигнал доплеровской частоты.

Общими признаками аналога и изобретения являются генератор высокой частоты, приемная и передающая антенны и фазовый детектор.

Наиболее близким аналогом-прототипом изобретения является способ измерения радиальной скорости объекта и устройство для его осуществления (Патент РФ №2535487, МПК G01S 13/58, 2013 г.). Это устройство содержит генератор одиночного прямоугольного импульса высокой частоты (ВЧ), передающую и приемную антенны, выключатель принимаемого радиосигнала, таймер и измеритель фазы - фазовый детектор. Выход генератора ВЧ соединен с входом передающей антенны и входом опорного радиосигнала измерителя фазы. Выход приемной антенны соединен с входом выключателя принимаемого радиосигнала, а его выход соединен с сигнальным входом фазового детектра. Выход таймера соединен с входом управляющего сигнала выключателя принимаемого радиосигнала.

Общими признаками прототипа и изобретения являются генератор высокой частоты, приемная и передающая антенны, фазовый детектор.

Недостатками прототипа являются недостаточная точность измерения набега фазы из-за его дискретного измерения с шагом 2π.

Технический результат изобретения - устранение недостатка прототипа, а именно увеличение точности измерения набега фазы, а следовательно, и скорости измеряемого объекта, которая достигается за счет непрерывного измерения набега фазы за один ВЧ импульс в интервале фазы 0 до 2π (от +π до -π).

Изобретение поясняется структурной схемой измерителя радиальной скорости, представленной на фиг. 1, на которой ведены обозначения: 1 - ключ; 2 - генератор одиночного ВЧ импульса; 3 - передающая антенна; 4 - объект измерения; 5 - приемная антенна; 6 - первый смеситель; 7 - второй смеситель; 8 - гетеродин; 9 - фазовый детектор; 10 - индикатор фазы.

Предпосылки изобретения.

На сегодняшний день неразрешимой проблемой является невозможность ответить на вопрос: если в данный момент времени t₁ имеется величина А=sin(ωt₁+φ₀) гармонического колебания, то чему равна полная фаза этого колебания - или sin(ωt₁+φ₀), или sin(ωt₁+φ₀+2π), или sin(ωt₁+φ₀+4π) и т.д. Это означает, что точная величина полной фазы может быть определена лишь в пределах от 0 до 2π. Поскольку строгое решение данной проблемы отсутствует как в теории, так и измерительной области, поэтому необходимо перейти к изучению интервала фазовой однозначности, а именно - рассматривать величину полной фазы лишь в диапазоне значений от 0 до 2 π.[1]

За время измерения скорости объекта, набег фазы ВЧ колебаний, даже при малой скорости движения объекта, составляет несколько π. Прототип же измеряет набег фазы равный целому числу, кратному 2π (см. фиг. 1 описания прототипа). Покажем, что измеритель по изобретению измеряет набег фазы в интервале от 0 до 2π.

При движении объекта со скоростью много меньше скорости света, когда доплеровской частотой можно пренебречь по сравнению с частотой ВЧ сигнала, набег фазы Фвч ВЧ сигнала (туда и обратно) за длительность ВЧ импульса равен

где L - расстояние, пройденное объектом за время длительности ВЧ импульса;

λ - длина волны излучаемого ВЧ импульса, соответствующая его ВЧ частоте f=с/λ, где с - скорость света.

Известно, что длина пути L, пройденная объектом со средней скоростью V за время t, равна

t - длительность ВЧ импульса.

После алгебраических преобразований формул (1) и (2) и решения полученной формулы относительно V получим

Запишем аналогичную формулу для V, измеренную на длине волны Λ, соответствующую промежуточной частоте F=с/Λ радиосигнала

где Фпр - набег фазы на промежуточной частоте F радиосигнала, которая много меньше f.

Прировняем правые части уравнений (3) и (4), после алгебраических преобразований получим формулу для определения Фпр, выраженную через набег фазы ВЧ импульса Фвч и отношение частот f/F

Известно, что промежуточная частота F составляет десятки МГц, в то время как высокая частота f десятки ГГц, поэтому их отношение равно малому значению - порядка одной тысячной. Выбрав соответствующее отношение частот F/f, при скорости объекта V много меньше скорости света, изменение Фпр, однозначного укладывается в пределах интервала измерения фазы от 0 до 2π.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что радиотехнический измеритель радиальной скорости объекта содержит: 1 - ключ; 2 - генератор высокой частоты (ВЧ); 3 - передающую антенну; 5 - приемную антенну; 6 - первый смеситель; 7 - второй смеситель; 8 - гетеродин; 9 - фазовый детектор; 10 - индикатор набега фазы.

Возможное выполнение элементов схемы измерителя скорости.

Ключ 1 может быть выполнен в виде тумблера.

Генератор сигнала 2 высокой частоты (ВЧ) выполнен в виде генератора одиночного прямоугольного ВЧ импульса.

Передающая 3 и приемная 5 антенны могут быть выполнены в виде волноводного рупора.

Первый 6 и второй 7 смесители, гетеродин 8 и балансный фазовый детектор 9 могут быть выполнены по известным схемам этих элементов [1].

Индикатор набега фазы 10 может быть выполнен в виде конденсатора с параллельно включенным вольтметром. Конденсатор индикатора заряжается от напряжения Uфд на выходе фазового детектора, которое определяется по формуле

Соединение элементов схемы измерителя скорости.

Ключ 1, генератор 2 ВЧ сигнала и передающая антенна 3 соединены последовательно. Выход гетеродина 8 соединен с гетеродинным входом первого и второго смесителей 6 и 7. Сигнальный вход второго смесителя 7 соединен со вторым выходом генератора 2 ВЧ сигнала, выход приемной антенны соединен с сигнальным входом первого смесителя 6. Выходы смесителей 6 и 7 соединены с разными входами фазового детектора 9, выход которого соединен с входом индикатора 10.

Радиотехнический измеритель радиальной скорости работает следующим образом. Ключом 1 включают генератор 2, который, через передающую антенну 3, излучает ВЧ импульс. После отражения ВЧ импульса от поверхности объекта 4, скорость движения которого измеряется, он принимается приемной антенной 5, получает относительно фазы излученного ВЧ импульса сдвиг фазы Фвч. Отраженный ВЧ импульс с выхода приемной антенны 5 поступает на сигнальный вход первого смесителя 6, на выходе которого образуется сигнал промежуточной частоты, как разность частоты отраженного ВЧ импульса и частоты гетеродина 8, этот сигнал поступает на один вход фазового детектора 9. На второй вход фазового детектора 9 поступает сигнал промежуточной частоты со второго смесителя 7, который является сигналом опорной фазы. С выхода фазового детектора 9 сигнал постоянного тока заряжает конденсатор индикатор набега фазы 10 и регистрируется его вольтметром, шкала которого проградуирована в значениях скорости объекта. Ноль на середине шкалы означает нулевую скорость объекта, плюс объект удаляется, минус - приближается. Технический результат изобретения достигнут - набег фазы измеряется в интервале фазы от +π до -π.

Отличительные признаки изобретения.

Введены ключ, два смесителя, гетеродин, индикатор набега фазы. Ключ, сигнальный выход генератор прямоугольного импульса высокой частоты и передающая антенна соединены последовательно. Выход гетеродина соединен с гетеродинными входами первого и второго смесителей.

Сигнальный вход второго смесителя соединен со вторым выходом сигнала генератора прямоугольного импульса высокой частоты.

Выход приемной антенны соединен с сигнальным входом первого смесителя.

Выходы смесителей соответственно соединены с первым и вторым входами фазового детектора, выход которого соединен с входом индикатора набега фазы.

1. А.С. Карташкин. Радио-наблюдение воздушных объектов. М.: РадиоСофт, 2014.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах ближней радиолокации. Достигаемый технический результат - увеличение точности измерения скорости объекта за счет измерения набега фазы. Указанный результат достигается за счет того, что измеритель содержит генератор прямоугольного импульса высокой частоты, приемную и передающую антенны, фазовый детектор, ключ, два смесителя, гетеродин, индикатор набега фазы, соединенные между собой определенным образом. 1 ил.

Радиотехнический измеритель радиальной скорости объекта, содержащий генератор прямоугольного импульса высокой частоты, приемную и передающую антенны и фазовый детектор, отличающийся тем, что введены ключ, два смесителя, гетеродин, индикатор набега фазы, причем ключ, сигнальный выход генератора прямоугольного импульса высокой частоты и передающая антенна соединены последовательно, кроме того, выход гетеродина соединен с гетеродинными входами первого и второго смесителей, сигнальный вход второго смесителя соединен со вторым выходом сигнала генератора прямоугольного импульса высокой частоты, выход приемной антенны соединен с сигнальным входом первого смесителя, причем выходы смесителей соответственно соединены с первым и вторым входами фазового детектора, выход которого соединен с входом индикатора набега фазы, шкала которого проградуирована в значениях скорости объекта.