Способ измерения дальности Российский патент 2018 года по МПК G01S15/08 

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, для измерения малых дальностей в локальных навигационных системах при управлении движением подводных 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 предлагаемому изобретению является способ измерения дальности, описанный в Патентах на изобретение №2584976 и №2584972, Россия, МПК G01S 13/32.

По этому способу измерения дальности в измерительной станции генерируют два непрерывных высокочастотных колебания с известными частотами ƒ₁ и ƒ₂ и эти непрерывные высокочастотные колебания излучают в направлении ретранслятора. Далее в ретрансляторе эти колебания принимают и трансформируют по частоте, после чего их переизлучают в направлении антенны измерительной станции, где эти колебания вторично принимают и смешивают с исходными непрерывными высокочастотными колебаниями. На выходах смесителей выделяют комбинационные низкочастотные составляющие разности исходных непрерывных высокочастотных колебаний и вторично принятых трансформированных по частоте непрерывных высокочастотных колебаний. После чего измеряют разность фаз Δϕ между выделенными двумя комбинационными низкочастотными составляющими, при этом расстояние от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

где с - скорость света. Коэффициент 2 в знаменателе указывает на двойное прохождение радиоволн по трассе.

Однако указанный способ измерения дальности реализуется исключительно в радиочастотном или микроволновом диапазоне длин волн и совершенно оказывается непригодным для измерения расстояний под водой, поскольку в воде радиочастотные и микроволновые колебания при распространении быстро затухают.

Целью настоящего изобретения является реализация возможности измерения дальности под водой. Поставленная цель достигается тем, что по способу измерения дальности, включающему генерирование непрерывных колебаний, излучение непрерывных колебаний, прием непрерывных колебаний, измерение разности фаз непрерывных колебаний, последовательное изменение частоты непрерывных колебаний, отличающемуся тем, что первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₁, при этом непрерывные колебания подают одновременно на вход передающей рамочной магнитной антенны и на вход передающего акустического преобразователя, оба из которых располагают на одном конце измерительной трассы, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле и акустическую волну, после чего на другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы, после чего измеряют и фиксируют разность фаз Δϕ_m1 между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₂ и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз Δϕ_m2 между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз Δϕ=Δϕ_m1-Δϕ_m2, при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

где с_а - скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.

Сравнение предлагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности измерения дальности под водой.

Эти свойства предлагаемого изобретения являются новыми, так как в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в использовании исключительно радиочастотных или микроволновых колебаний, измерение дальности возможно только в воздушном или безвоздушном пространстве.

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

Устройство измерения дальности состоит из генератора непрерывных колебаний 1, передающей рамочной магнитной антенны 2, передающего акустического преобразователя 3, приемной рамочной магнитной антенны 4, приемного акустического преобразователя 5, измерителя разности фаз непрерывных колебаний 6.

Выход генератора непрерывных колебаний 1 соединен с входом передающей рамочной магнитной антенны 2 и с входом передающего акустического преобразователя 3, причем выход приемной рамочной магнитной антенны 4 соединен с первым входом измерителя разности фаз 6, а выход приемного акустического преобразователя 5 соединен с вторым входом измерителя разности фаз 6.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

С помощью генератора непрерывных колебаний 1 первоначально генерируют непрерывные колебания с известной частотой ƒ₁, начальной фазой ϕ₀₁ и амплитудой U₀

Частота этих колебаний выбирается невысокой. Значение частоты этих колебаний лежит в звуковом или ультразвуковом диапазоне длин волн. Эти колебания подают на вход передающей рамочной магнитной антенны 2 и одновременно на вход передающего акустического преобразователя 3.

С помощью передающей рамочной магнитной антенны 2 излучают в направлении другого конца измерительной трассы электромагнитную волну. Электромагнитная волна с частотой ƒ₁ при распространении на расстояние D от передающей рамочной магнитной антенны 2 до приемной рамочной магнитной антенны 4 получает набег фазы где - скорость света. При низких частотах ƒ₁ звукового или ультразвукового диапазона длин волн и при малых дальностях D, составляющих до сотни метров, длина волны электромагнитного излучения оказывается много больше измеряемой дальности D. Другими словами, передающая и приемная рамочные магнитные антенны работают в ближней зоне и их результирующее излучаемое (принимаемое) поле является преимущественно переменным магнитным полем. При этом набегом фазы ϕ₁₁ можно пренебречь и можно утверждать, что непрерывные колебания, формируемые на выходе приемной рамочной магнитной антенны 4, являются синфазными по отношению к непрерывным колебаниям, поступающим на вход передающей рамочной магнитной антенны 2, и описываются одним и тем же выражением (1). Причем место установки передающей и приемной рамочных магнитных антенн не принципиально. Непрерывные колебания на входе передающей и на выходе приемной рамочных магнитных антенн всегда будут синфазны или противофазны (в зависимости от их взаимной ориентации), как это имеет место в случае использования двух катушек индуктивностей (те же рамочные магнитные антенны) с взаимной индуктивной (магнитной) связью. Правомерность использования взаимной магнитной связи двух рамочных магнитных антенн подтверждена полномасштабными теоретическими и экспериментальными исследованиями и нашла отражение в трудах и патентах РФ автора №№2584977, 2584978, 2584979, 2584980, 2584981, 2584982, 2584983 и др.

С другой стороны, с помощью передающего акустического преобразователя 3 излучают в направлении другого конца измерительной трассы акустическую волну. Акустическая волна с частотой ƒ₁ при распространении на расстояние D от передающего акустического преобразователя 3 до приемного акустического преобразователя 5 также получает свой набег фазы где с_а - скорость звука в среде распространения. Значением этого набега фазы пренебречь нельзя, поскольку его величина может достигать нескольких тысяч фазовых циклов величиной 2π каждый. Таким образом, на выходе приемного акустического преобразователя 5 формируются непрерывные колебания

Непрерывные колебания с выхода приемной рамочной магнитной антенны 4, описываемые выражением (1) и с выхода приемного акустического преобразователя 5, описываемые выражением (2), подают на входы измерителя разности фаз 6, на выходе которого формируют сигнал, пропорциональный разности фаз сигналов (1) и (2). Однако измеритель разности фаз 6 способен адекватно отобразить измеряемую разность фаз, если величина этой разности фаз лежит в пределах от 0 до 2π. Другими словами, измеритель разности фаз формирует сигнал, пропорциональный некоторой величине Δϕ_m1, которая связана с реальным набегом фазы ϕ₂₁ соотношением

где n - некоторое целое число, которое может достигать нескольких тысяч и более.

Для решения этой проблемы указанное измеренное значение Δϕ_m1 фиксируют, после чего изменяют значение частоты непрерывных колебаний до некоторой известной величины ƒ₂ и повторяют всю процедуру излучения и приема электромагнитных и акустических волн и вновь измеряют разность фаз Δϕ_m2 непрерывных колебаний на выходе приемной рамочной магнитной антенны 4 и выходе приемного акустического преобразователя 5, которую вновь фиксируют. После чего определяют разность фаз Δϕ=Δϕ_m1-Δϕ_m2 и вычисляют дальность по формуле

Важно при этом помнить, что изменение частоты (ƒ₁-ƒ₂) не должно приводить к изменению разности фаз сигналов на величину, большую чем 2π. Другими словами

Народнохозяйственный эффект от использования предлагаемого изобретения связан с появлением возможности измерения дальности под водой, в той среде, где радиоволны и микроволны распространяются на очень короткие дистанции, много меньшие, чем рабочие дальности в локальных навигационных системах.

Другой аспект повышения эффективности от использования предлагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности с повышенной точностью, при этом неоднозначность измерений исключается.

Способ измерения дальности относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояний и может быть использован, например, для измерения малых дальностей в локальных навигационных системах при управлении движением подводных объектов. Новым в способе измерения дальности является использование одновременно двух каналов передачи информации, оба из которых пригодны для передачи сигналов под водой. В первом канале используется индуктивная связь двух рамочных магнитных антенн. С помощью этого канала на обоих концах измерительной трассы формируют синфазные непрерывные колебания. Причем наличие электропроводности воды не сказывается на работе этого канала. В другом канале используются акустические волны. Собственно набег фазы акустических волн является информационным параметром определения расстояния. Последовательным изменением частоты непрерывных колебаний и сопутствующим измерением разности фаз сигналов в электромагнитном и акустическом каналах однозначно определяют дальность в локальной навигационной системе ближнего радиуса действия. 1 ил.

Способ измерения дальности, включающий генерирование непрерывных колебаний, излучение непрерывных колебаний, прием непрерывных колебаний, измерение разности фаз непрерывных колебаний, последовательное изменение частоты непрерывных колебаний,

отличающийся тем, что первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₁, при этом непрерывные колебания подают одновременно на вход передающей рамочной магнитной антенны и на вход передающего акустического преобразователя, оба из которых располагают на одном конце измерительной трассы, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле и акустическую волну, после чего на другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы, после чего измеряют и фиксируют разность фаз Δϕ_ИЗ1 между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой ƒ₂ и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз Δϕ_ИЗ2 между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз Δϕ=Δϕ_ИЗ1-Δϕ_ИЗ2, при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

где с - скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.