СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01S13/32 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, в геодезии, при управлении движением подвижных объектов.

Известны амплитудные способы измерения дальности (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. - М.: Воен. издат., 1967). Однако амплитудные способы измерения дальности имеют большую погрешность.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ измерения дальности, основанный на первичном излучении измерительной станцией высокочастотных колебаний, первичном приеме, трансформации частоты высокочастотных колебаний, вторичном излучении ретранслятором трансформированных колебаний и вторичном приеме измерительной станцией трансформированных высокочастотных колебаний с последующим измерением разности фаз излученных и вторично принятых трансформированных высокочастотных колебаний и последующим вычислением расстояния между измерительной станцией и ретранслятором (см., например, кн. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. - М.: Советское радио, 1968, с. 22-23). При таком способе измерения дальности передатчик измерительной станции излучает колебания на частоте которые принимают приемником ретранслятора. Затем колебания трансформируют по частоте в отношении где тип - целые числа, и колебания с частотой излучают передатчиком ретранслятора. Принятые измерительным приемником колебания подают на умножитель частоты, производящий умножение частоты принятых колебаний на и и далее на измеритель разности фаз, куда кроме этого подают исходные колебания передатчика измерительной станции, прошедшие также через другой умножитель частоты, производящий умножение частоты колебаний передатчика измерительной станции на т. На входах измерителя разности фаз имеют, таким образом, два колебания с частотами На выходе измерителя получают напряжение, пропорциональное разности фаз этих высокочастотных колебаний, которое в свою очередь определяет расстояние между измерительной станцией и ретранслятором.

Реализация указанного способа измерения дальности предполагает включение в состав измерительной аппаратуры умножителей и делителей частоты высокочастотных колебаний. Известно, что сдвиг фазы колебаний, вносимый умножителем частоты, зависит от режима работы нелинейных элементов, входящих в состав умножителя, т. е. появляется соответствующая составляющая погрешности фазовых измерений, зависящая к тому же от температуры, режимов работы и изменяющаяся во времени из-за старения нелинейных элементов. Кроме того на умножитель частоты необходимо подавать колебания с достаточным уровнем мощности, что требует от приемников, входящих в измерительную систему высокого коэффициента усиления. Делитель частоты, необходимый для трансформации частоты в ретрансляторе, само по себе устройство не сложное и работает без существенных фазовых сдвигов, но только на низких частотах. На более высоких частотах (сотни мегагерц) фазовые сдвиги, вносимые делителем частоты, трудно оценить и предсказать. Делитель же частоты на еще более высокие частоты требует для своей реализации введения преобразователей частоты и колец фазовой автоподстройки частоты, что также увеличивает соответствующую составляющую погрешности фазовых измерений дальности.

Целью настоящего изобретения является увеличение точности измерения дальности. Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения дальности от измерительной станции до ретранслятора, включающему первичное излучение, первичный прием, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально генерируют два непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами и через сумматор, через один циркулятор и через одну общую антенну измерительной станции эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных двух высокочастотных колебаний подают на два смесителя, для каждого канала на свой, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в оба эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала от низкочастотного генератора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти оба вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смесители, где оба вторично принятых высокочастотных колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями, в каждом канале со своим, и на выходах смесителей выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, причем на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой а на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с той же частотой после чего измеряют разность фаз Δφ между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими с частотами F, при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в повышении точности измерения дальности.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в многократном умножении и делении частоты высокочастотных колебаний и, кроме того, требующего от усилительных трактов большого и нормированного коэффициента усиления, измерение дальности выполняется с большой погрешностью.

Указанный способ измерения дальности можно реализовать с помощью устройства, приведенного на фиг. 1.

Устройство измерения дальности состоит из генераторов непрерывных высокочастотных колебаний 1 и 2, направленных ответвителей 3 и 4, сумматора сигналов 5, Y-циркулятора измерительной станции 6, антенны измерительной станции 7, смесителей 8 и 9, узкополосных усилителей-ограничителей 10 и 11, измерителя разности фаз 12, антенны ретранслятора 13, Y-циркулятора ретранслятора 14, усилителя высокочастотных колебаний 15, управляемого фазовращателя 16, низкочастотного генератора 17.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен с входом направленного ответвителя 3, первый выход которого соединен с первым входом сумматора сигналов 5, выход которого соединен с первым выводом Y-циркулятора измерительной станции 6, второй вывод которого соединен с антенной измерительной станции 7, а третий вывод Υ-циркулятора измерительной станции 6 соединен с первыми входами смесителей 8 и 9, причем выход смесителя 8 соединен с входом узкополосного усилителя-ограничителя 10, а выход смесителя 9 соединен с входом узкополосного усилителя-ограничителя 11, причем выход узкополосного усилителя-ограничителя 10 соединен с первым входом измерителя разности фаз 12, причем выход узкополосного усилителя-ограничителя 11 соединен со вторым входом измерителя разности фаз 12, причем выход генератора высокочастотных колебаний 2 соединен с входом направленного ответвителя 4, первый выход которого соединен со вторым входом сумматора сигналов 5, при этом второй выход направленного ответвителя 3 соединен со вторым входом смесителя 8, а второй выход направленного ответвителя 4 соединен со вторым входом смесителя 9, при этом антенна ретранслятора 13 соединена с первым выводом Y-циркулятора ретранслятора 14, второй вывод которого соединен с входом усилителя высокочастотных колебаний 15, выход которого соединен с сигнальным входом управляемого фазовращателя 16, вход управления которого соединен с выходом низкочастотного генератора 17, при этом выход управляемого фазовращателя соединен с третьим выводом Y-циркулятора ретранслятора 14.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

Генераторы высокочастотных колебаний 1 и 2 первоначально генерируют два непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами которые через направленные ответвители 3 и 4 с незначительными потерями энергии подают на сумматор сигналов 5. После этого сумму сигналов подают на Y-циркулятор измерительной станции 6 и далее с помощью антенны измерительной станции 7 излучают в направлении антенны ретранслятора 13. Высокочастотные колебания с частотой при распространении на расстояние D от антенны измерительной станции 7 до антенны ретранслятора 13 получают набег фазы где с - скорость света. Высокочастотные колебания с частотой получают набег фазы Принятые антенной ретранслятора 13 высокочастотные колебания подают на Y-циркулятор ретранслятора 14 и далее на усилитель высокочастотных колебаний 15. Далее оба усиленные высокочастотные колебания подают на сигнальный вход управляемого фазовращателя 16, где в эти оба непрерывные высокочастотные колебания под действием сигнала управления от низкочастотного генератора 17 вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. Если за время периода низкочастотного сигнала управления Τ в высокочастотные колебания монотонно вводится фазовый сдвиг то можно говорить, что оба эти колебания смещают на одну и ту же частоту что можно интерпретировать с доплеровским сдвигом частоты. Трансформированные таким образом колебания с частотами переизлучают через антенну ретранслятора 13 в направлении антенны измерительной станции 7.

Усилением антенн измерительной станции 7 и ретранслятора 13, а также усилением усилителя высокочастотных сигналов 15 обеспечивают требуемую энергетику линии связи.

Проходя это же расстояние D между антеннами 7 и 13, трансформированные по частоте высокочастотные колебания получают дополнительные фазовые набеги

Частоту F выбирают много меньше поэтому можно говорить, что и при этомРезультирующий набег фазы при распространении на двойное расстояние D колебаний с частотой будет равен

Набег фазы колебаний с частотойбудет равен

Принятые вторично антенной измерительной станции 7 трансформированные по частоте непрерывные высокочастотные колебания через Y-циркулятор измерительной станции 6 подают на первые входы обоих смесителей 8 и 9, на вторые входы которых подают часть энергии исходных непрерывных высокочастотных колебаний, причем на второй вход смесителя 8 сигнал подают со второго выхода направленного ответвителя 3, а на второй вход смесителя 9 сигнал подают со второго входа направленного ответвителя 4.

На выходах смесителей 8 и 9 присутствуют комбинационные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. С помощью узкополосных усилителей ограничителей 10 и 11 выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных высокочастотных колебаний с частотами и трансформированных по частоте колебаний с частотами причем на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 10 получают низкочастотную комбинационную составляющую разности с частотой а на выходе узкополосного усилителя-ограничителя 11 получают комбинационную низкочастотную составляющую разности с той же частотой После этого в измерителе разности фаз 12 измеряют разность фаз этих непрерывных низкочастотных колебаний с одинаковыми частотами F. Эта разность фаз равна разности набегов фаз двух отличных по частоте высокочастотных колебаний, возникающих в результате распространения радиоволн на одно и то же расстояние D:

Откуда

Таким образом, показания измерителя разности фаз прямо пропорциональны расстоянию между антенной измерительной станции 7 и антенной ретранслятора 13.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с увеличением точности измерения дальности, происходящим за счет исключения из трактов обработки и передачи высокочастотных колебаний умножителей и делителей частотны, а также возможных колец фазовой автоподстройки частоты, вносящих соответствующие составляющие погрешности фазовых измерений дальности. При этом уровни сигналов, принимаемых как ретранслятором, так и измерительной станции, могут быть произвольными.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности до движущихся объектов. Возникающий при этом дополнительный доплеровский сдвиг частоты естественного происхождения одинаков на обеих частотах и не влияет таким образом на точность фазовых измерений дальности.

Способ измерения дальности относится к области техники радиотехнический средств измерения расстояний и может быть использован, например, в геодезии, при управлении движением подвижных объектов.

Новым в способе измерения дальности является генерирование двух непрерывных высокочастотных колебаний, частоты которых известны, излучение этих колебаний через одну общую антенну, прием этих колебаний, сдвиг на одинаковую частоту, условно называемой частотой Доплера, переизлучение, вторичный прием и выделение в каждом из каналов комбинационной составляющей с этой частотой Доплера, с последующим измерением разности фаз этих комбинационных составляющих. При этом измеренная разность фаз пропорциональна дальности.

Генерирование двух непрерывных высокочастотных колебаний с последующим сдвигом обоих колебаний на одинаковую частоту Доплера с выделением комбинационных составляющих позволяет повысить точность фазовых измерений дальности за счет исключения из трактов обработки и передачи высокочастотных колебаний умножителей и делителей частоты, а также колец фазовой автоподстройки частоты, вносящих соответствующие составляющие погрешности измерений. Возникающий при измерении дальности до движущихся объектов допплеровский сдвиг частоты естественного происхождения не влияет на точность измерений, т.к. этот сдвиг частоты одинаков для обоих каналов.

Способ измерения дальности, включающий первичное излучение, первичный прием, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, отличающийся тем, что первоначально генерируют два непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами и через сумматор, через один циркулятор и через одну общую антенну измерительной станции эти непрерывные высокочастотные колебания первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных двух высокочастотных колебаний подают на два смесителя, для каждого канала на свой, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в оба эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала от низкочастотного генератора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотами подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти оба вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смесители, где оба вторично принятых высокочастотных колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями, в каждом канале со своим, и на выходах смесителей выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, причем на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с частотой а на выходе смесителя того канала, где генерируют колебания с частотой , выделяют комбинационную низкочастотную составляющую с той же частотой после чего измеряют разность фаз между этими двумя комбинационными низкочастотными составляющими с частотами F, при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света.