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, строительстве, определения точного местоположения объекта.

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, описанный в патенте Украины № 93645, опубл. в бюл. № 4 от 25.02.2011, МПК G01S 13/32.

По этому способу измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора, включающему первичное излучение, первичный прием, сдвиг частоты исходных высокочастотных колебаний, усиление высокочастотных колебаний, вторичное излучение, вторичный прием высокочастотных колебаний, первоначально в измерительной станции и в ретрансляторе двумя генераторами одновременно генерируют непрерывные низкочастотные высокостабильные колебания с максимально близкими частотами F и F', одновременно с этим в измерительной станции генерируют непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₁, которые через циркулятор и через антенну измерительной станции первично излучают в направлении антенны ретранслятора, при этом часть энергии первоначально сгенерированных высокочастотных колебаний подают на смеситель, при этом излученные непрерывные высокочастотные колебания первично принимают антенной ретранслятора и через циркулятор подают на усилитель, где их усиливают и далее усиленные колебания подают на управляемый фазовращатель, где в эти высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой F' от низкочастотного высокостабильного генератора ретранслятора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают через циркулятор на антенну ретранслятора и переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти вторично излученные колебания антенной измерительной станции вторично принимают и через циркулятор подают на смеситель, где вторично принятые высокочастотные колебания смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний , после чего измеряют и фиксируют разность фаз между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой F и сигналом местного низкочастотного генератора с максимально близкой частотой F, после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом изменение разности фаз низкочастотных сигналов с частотами F и F', и при достижении величины разности фаз сигналов изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний ƒ₂, при этом дальность от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света, при этом значения частот F и F' высокостабильных низкочастотных генераторов выбирают близкими друг относительно друга настолько, насколько допускается изменение разности фаз сигналов, генерируемых этими генераторами за время выполнения всей процедуры измерения дальности или, другими словами, изменение этой разности фаз за все время измерения дальности не должно превышать абсолютной разрешающей способности применяемого измерителя разности фаз.

Однако указанный способ измерения дальности имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что для измерения дальности необходимо на объекте устанавливать ретранслятор, что является не всегда возможным. Кроме того, для излучения и приема радиочастотных сигналов на объекте и измерительной станции необходимо устанавливать антенны с высокой направленностью, что делает устройства громоздкими. И последнее, измерение расстояния по способу-прототипу предполагает генерирование непрерывных низкочастотных высокостабильных колебаний с максимально близкими частотами F и F' на объекте и измерительной станции в отдельности. Эти частоты не могут быть равны в принципе, что является дополнительным источником погрешности.

Целью настоящего изобретения является упрощение возможной конструкции измерителя дальности и увеличение точности измерения дальности. Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения дальности, включающему генерирование непрерывных низкочастотных колебаний, генерирование непрерывных высокочастотных колебаний, сдвиг частоты этих непрерывных высокочастотных колебаний с помощью управляемого фазовращателя, смешивание исходных и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, выделение комбинационной составляющей разности, управление частотой непрерывных высокочастотных колебаний по заданному алгоритму, непрерывным измерением разности фаз между исходным непрерывным низкочастотным сигналом и выделенной комбинационной составляющей разности и по результатам управления частотой и фиксацией разностей фаз вычислением дальности по формуле

отличающийся тем, что все измерительное оборудование размещают в одном месте - в измерительной станции, при этом осуществляют разделение сигнала высокочастотного генератора на два канала, при этом в одном канале непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₁ подают на управляемый фазовращатель, где в эти непрерывные высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой F от низкочастотного высокостабильного генератора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают на высокочастотный смеситель, при этом во втором канале полученными непрерывными высокочастотными колебаниями осуществляют модуляцию интенсивности сигнала источника оптического когерентного излучения, после чего осуществляют излучение оптических когерентных колебаний, модулированных по амплитуде в направлении объекта, дальность которого необходимо измерить, после чего отраженный от объекта оптический сигнал принимают приемником оптического когерентного излучения, где осуществляют демодуляцию оптического сигнала и выделяют огибающую оптического когерентного излучения, частота которой равна частоте исходных непрерывных высокочастотных колебаний, а фаза этой огибающей содержит информацию о дальности объекта, после чего сигнал огибающей подают на смеситель, где эти высокочастотные колебания огибающей смешивают с трансформированными по частоте непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний и демодулированных в приемнике оптического когерентного излучения непрерывных высокочастотных колебаний огибающей, после чего в фазовом детекторе измеряют и фиксируют разность фаз , между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой F и сигналом низкочастотного высоко стабильного генератора измерителя с той же частотой F, после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом на выходе фазового детектора изменение разности фаз низкочастотных сигналов с частотами F, и при достижении величины разности фаз сигналов изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний ƒ₂, при этом дальность объекта определяют по приведенной выше формуле.

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ предполагает упрощение конструкции устройства и увеличение точности определения дальности. В частности, все оборудование для измерения дальности располагают в одном месте - в измерительной станции, что само по себе повышает удобство использования реализуемого измерителя. Высокочастотные высоконаправленные антенны при этом исключают и вместо них используют источник и приемник когерентного оптического излучения, что удешевляет устройство в целом и делает его компактным. Кроме этого, измерение разности фаз с последующим вычислением дальности объекта осуществляют между двумя низкочастотными сигналами, произошедшими от одного и того же источника, стабильность частоты которого может быть не высока. Дополнительной составляющей погрешности измерений дальности при этом не возникает.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в наличии погрешности измерения дальности, обусловленной генерированием низкочастотных сигналов двумя отдельными низкочастотными генераторами, измерение дальности осуществляют неэффективно. Кроме того, устройство, реализующее способ прототип, достаточно сложно в конструкции, громоздко и дорого, поскольку требует для своей реализации два низкочастотных генератора и две высоконаправленные высокочастотные антенны. При этом часть оборудования необходимо устанавливать на объекте, дальность которого необходимо измерять.

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

Устройство измерения дальности состоит из управляемого генератора высокочастотных колебаний 1, генератора низкочастотных колебаний 2, управляемого фазовращателя 3, смесителя 4, фазового детектора 5, источника оптического когерентного излучения 6, приемника оптического когерентного излучения 7 и объекта 8.

Выход генератора высокочастотных колебаний 1 соединен одновременно с модуляционным входом источника оптического когерентного излучения 6 и сигнальным входом фазовращателя 3, вход управления которого соединен с выходом генератора низкочастотных колебаний 2, при этом выход управляемого фазовращателя 3 соединен с первым входом смесителя 4, второй вход которого соединен с выходом приемника оптического когерентного излучения 7, причем выход смесителя 4 соединен с первым входом фазового детектора 5, второй вход которого соединен с выходом генератора низкочастотных колебаний 2.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

Генератор низкочастотных колебаний 2 генерирует непрерывные низкочастотные колебания с частотой F, амплитудой U₀ и начальной фазой φ_LF.

Управляемый генератор высокочастотных колебаний 1 генерирует непрерывные высокочастотные колебания с некоторой известной и зафиксированной частотой ƒ₁, начальной фазой φ₀ и амплитудой U₀, описываемые следующим выражением

Эти высокочастотные колебания подают на модуляционный вход источника оптического когерентного излучения 6 и модулируют, тем самым, по амплитуде его когерентный оптический сигнал, который излучают в направлении объекта 8.

Огибающая с частотой ƒ₁ модулированных когерентных оптических колебаний при распространении на расстояние D от источника оптического когерентного излучения 6 до объекта 8 получает набег фазы

где с - скорость света. Отражаясь от объекта и проходя это же расстояние D между объектом 8 и приемником оптического когерентного излучения 7, огибающая модулированных оптических колебаний получает дополнительный фазовый набег той же величины, поскольку расстояние между источником оптического когерентного излучения 6 и приемником оптического когерентного излучения 7 много меньше измеряемой дальности D, а источник и приемник оптического когерентного излучения располагают в одной плоскости. Результирующий набег фазы при распространении на двойное расстояние D огибающей оптических когерентных колебаний с частотой ƒ₁ будет равен

Приемником оптического когерентного излучения 7 модулированный оптический когерентный сигнал принимают и демодулируют, выделяя огибающую

где А - некоторый множитель ослабления, условно принимаемый равным единице. Сигнал огибающей подают на второй вход смесителя 4.

Управляемый фазовращатель 3 производит сдвиг спектра непрерывных высокочастотных колебаний, получаемых на выходе управляемого генератора высокочастотных колебаний 1, на частоту низкочастотных колебаний F. Если за время периода низкочастотного сигнала управления Τ в непрерывные высокочастотные колебания монотонно вводят фазовый сдвиг φ = 2π, то можно говорить, что эти колебания смещают на частоту , что можно интерпретировать с доплеровским сдвигом частоты .

При этом сигнал на выходе управляемого фазовращателя описывают следующим выражением:

Данный сигнал подают на первый вход смесителя 4, после чего на его выходе выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний u₃(t) и колебаний огибающей u₂(t), описываемую следующим выражением

которую подают на первый вход фазового детектора 5, на второй вход которого подают исходный сигнал генератора низкочастотных колебаний 2. После этого на выходе фазового детектора 5 измеряют разность фаз двух непрерывных низкочастотных колебаний с одинаковыми частотами F и одинаковыми начальными фазами φ_LF, получаемых на выходе смесителя 4 и генератора низкочастотных колебаний 2. В итоге измеренная разность фаз будет равна

Эту разность фаз фиксируют, после этого начинают изменять частоту исходных высокочастотный колебаний, одновременно контролируя изменение разности фаз на выходе фазового детектора 5 и при изменении этой разницы фаз на 2π от величины изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты ƒ₂. При этом разность фаз низкочастотных сигналов на выходе фазового детектора 5 будет

С другой стороны, если принять во внимание, что , а дальность D одна и та же для обеих формул, то согласно известной формуле

где , или

Эффект от использования предполагаемого изобретения связан с упрощением конструкции измерителя дальности, связанной с исключением второго генератора низкочастотных колебаний и высокочастотных высоконаправленных антенн. При этом к стабильности частоты генератора низкочастотных колебаний предъявляются пониженные требования. Все узлы оборудования для измерения дальности размещают при этом в одном месте.

Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности с повышенной точностью, при этом неоднозначность измерений исключается. Повышение точности измерений обуславливается тем, что съем показаний измерителя разности фаз всегда осуществляется на краю шкалы, обеспечивая тем самым минимальную ошибку считывания показаний, а погрешность измерения дальности, обусловленная наличием двух не синхронизированных генераторов низкой частоты, отсутствует в принципе.

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

Новым в способе измерения дальности является генерирование непрерывных низкочастотных колебаний в одном месте - в измерителе, и генерирование в измерителе высокочастотных колебаний, частота которых известна, модулируя этими колебаниями колебания источника оптического когерентного излучения, который осуществляет излучение оптических колебаний в направлении объекта. Отраженный от объекта оптический сигнал принимают, демодулируют и выделяют огибающую колебаний оптического когерентного излучения, которую далее подают на смеситель, где принятые высокочастотные колебания огибающей смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями с частотой сигнала микроволнового генератора, но сдвинутые на известную низкую частоту, условно называемой частотой Доплера, генерируемую низкочастотным генератором измерителя. Далее выделяют низкочастотную комбинационную составляющую разности с последующим измерением разности фаз этой комбинационной составляющей и сигналом низкочастотного генератора. После этого изменяют значение частоты высокочастотного генератора до тех пор, пока разность фаз низкочастотных сигналов не изменится на 2π. При этом фиксируют новое значение частоты высокочастотного генератора и по полученной разнице частот высокочастотного генератора вычисляют дальность.

Размещение всех узлов измерителя в одном месте позволяет упростить конструкцию. Дополнительно упростить конструкцию позволяет исключение второго высокостабильного низкочастотного генератора и двух высоконаправленных высокочастотных антенн. При этом к стабильности частоты оставшегося низкочастотного генератора предъявляют пониженные требования. При этом точность фазовых измерений дальности повышается.

Способ измерения дальности, включающий генерирование непрерывных низкочастотных колебаний, генерирование непрерывных высокочастотных колебаний, сдвиг частоты этих непрерывных высокочастотных колебаний с помощью управляемого фазовращателя, смешивание исходных и трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний, выделение комбинационной составляющей разности, управление частотой непрерывных высокочастотных колебаний по заданному алгоритму, непрерывным измерением разности фаз между исходным непрерывным низкочастотным сигналом и выделенной комбинационной составляющей разности и по результатам управления частотой и фиксацией разностей фаз вычислением дальности по формуле

отличающийся тем, что все измерительное оборудование размещают в одном месте - в измерительной станции, при этом осуществляют разделение сигнала высокочастотного генератора на два канала, при этом в одном канале непрерывные высокочастотные колебания с известной фиксированной частотой f₁ подают на управляемый фазовращатель, где в эти непрерывные высокочастотные колебания вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг под действием управляющего сигнала с частотой F от низкочастотного высокостабильного генератора, причем трансформированные таким образом по частоте непрерывные высокочастотные колебания с частотой подают на высокочастотный смеситель, при этом во втором канале полученными непрерывными высокочастотными колебаниями осуществляют модуляцию интенсивности сигнала источника оптического когерентного излучения, после чего осуществляют излучение оптических когерентных колебаний, модулированных по амплитуде в направлении объекта, дальность которого необходимо измерить, после чего отраженный от объекта оптический сигнал принимают приемником оптического когерентного излучения, где осуществляют демодуляцию оптического сигнала и выделяют огибающую оптического когерентного излучения, частота которой равна частоте исходных непрерывных высокочастотных колебаний, а фаза этой огибающей содержит информацию о дальности объекта, после чего сигнал огибающей подают на смеситель, где эти высокочастотные колебания огибающей смешивают с трансформированными по частоте непрерывными высокочастотными колебаниями и на выходе смесителя выделяют комбинационную низкочастотную составляющую разности трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний и демодулированных в приемнике оптического когерентного излучения непрерывных высокочастотных колебаний огибающей, после чего в фазовом детекторе измеряют и фиксируют разность фаз Δφ_{ΜS 1}, между этой комбинационной низкочастотной составляющей с частотой F и сигналом низкочастотного высокостабильного генератора измерителя с той же частотой F, после чего начинают последовательно изменять частоту непрерывных высокочастотных колебаний, постоянно контролируя при этом на выходе фазового детектора изменение разности фаз Δφ_{ΜS 2} низкочастотных сигналов с частотами F, и при достижении величины разности фаз сигналов Δφ_{ΜS 2}=Δφ_{ΜS 1}±2π изменение частоты высокочастотных колебаний прекращают и фиксируют новое значение частоты высокочастотных колебаний f₂, при этом дальность объекта определяют по приведенной выше формуле.