СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2019 года по МПК G01S13/32 

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 предполагаемому 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 и , 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 между выделенными двумя комбинационными низкочастотными составляющими, при этом расстояние от антенны измерительной станции до антенны ретранслятора определяют по формуле:

,

где — 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,

отличающийся тем, что первоначально генерируют непрерывные электрические колебания с известной фиксированной частотой , при этом непрерывные электрические колебания подают на вход передающей рамочной магнитной антенны, которую устанавливают на измерительной станции и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, переменное магнитное поле, после чего на другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, которую устанавливают на контролируемом объекте, после чего принятые непрерывные электрические колебания усиливают и подают на вход передающего акустического преобразователя, который устанавливают на контролируемом объекте, и излучают, таким образом, акустическую волну, после чего акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, который устанавливают на измерительной станции, после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные электрические колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, усиления, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем, установленным на контролируемом объекте, и приемным акустическим преобразователем, установленным на измерительной станции, определяют по формуле:

,

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

Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности измерения дальности до объекта под водой, причем измерение дальности осуществляют на измерительной станции.

Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, измерить дальность до объекта под водой, описываемым в прототипе способом, не представляется возможным.

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, измерителя разности фаз непрерывных колебаний 3, приемного акустического преобразователя 4, приемной рамочной магнитной антенны 5, усилителя непрерывных электрических колебаний 6, передающего акустического преобразователя 7.

Выход генератора непрерывных колебаний 1 соединен с входом передающей рамочной магнитной антенны 2 и с первым входом измерителя разности фаз 3, второй вход которого соединен с выходом приемного акустического преобразователя 4, при этом выход приемной рамочной магнитной антенны 5 соединен с входом усилителя электрических колебаний 6, выход которого соединен с входом передающего акустического преобразователя 7.

Работает устройство, реализующее заявляемый способ измерения дальности следующим образом.

С помощью генератора непрерывных электрических колебаний 1, устанавливаемого на измерительной станции, первоначально генерируют непрерывные колебания с известной частотой , начальной фазой и амплитудой

. (1)

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, устанавливаемой на измерительной станции, и одновременно на первый вход измерителя разности фаз 3.

С помощью передающей рамочной магнитной антенны 2 измерительной станции излучают в направлении контролируемого объекта электромагнитную волну. Электромагнитная волна с частотой при распространении на расстояние от передающей рамочной магнитной антенны 2 до приемной рамочной магнитной антенны 5, устанавливаемой на контролируемом объекте, получает набег фазы , где — скорость света. При низких частотах звукового или ультразвукового диапазона и при малых дальностях , составляющих до сотни метров, длина волны электромагнитного излучения оказывается много больше измеряемой дальности . 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 можно пренебречь и можно утверждать, что непрерывные колебания, формируемые на выходе приемной рамочной магнитной антенны 5 контролируемого объекта, являются синфазными, по отношению к непрерывным колебаниям, поступающим на вход передающей рамочной магнитной антенны 2 измерительной станции, 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.

Электрический сигнал на выходе приемной рамочной магнитной антенны 5 имеет малую величину. Этот электрический сигнал усиливают с помощью усилителя непрерывных электрических колебаний 6 и подают на вход передающего акустического преобразователя 7, устанавливаемого на контролируемом объекте. С помощью передающего акустического преобразователя 7 контролируемого объекта излучают в направлении измерительной станции акустическую волну. Акустическая волна с частотой при распространении на расстояние от передающего акустического преобразователя 7 контролируемого объекта до приемного акустического преобразователя 4 измерительной станции также получает свой набег фазы , где — скорость звука в среде распространения. Значением этого набега фазы пренебречь нельзя, поскольку его величина может достигать нескольких тысяч фазовых циклов величиной каждый. Таким образом, на выходе приемного акустического преобразователя 4 измерительной станции формируются непрерывные колебания

. (2)

Исходные непрерывные электрические колебания с выхода генератора непрерывных электрических колебаний 1, описываемые выражением (1) и с выхода приемного акустического преобразователя 4, описываемые выражением (2), подают на входы измерителя разности фаз 3, на выходе которого формируют сигнал, пропорциональный разности фаз сигналов (1) и (2). Однако измеритель разности фаз 3 способен адекватно отобразить измеряемую разность фаз, если величина этой разности фаз лежит в пределах от 0 до . Другими словами измеритель разности фаз формирует сигнал, пропорциональный некоторой величине , которая связана с реальным набегом фазы соотношением

,

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

Для решения этой проблемы указанное измеренное значение фиксируют, после чего изменяют значение частоты непрерывных электрических колебаний до некоторой известной величины и повторяют всю процедуру излучения и приема электромагнитных и акустических волн и вновь измеряют разность фаз непрерывных колебаний на выходе генератора непрерывных электрических колебаний 1 и на выходе приемного акустического преобразователя 4, которую вновь фиксируют. После чего определяют разность фаз и вычисляют дальность по формуле

.

Важно при этом помнить, что изменение частоты не должно приводить к изменению разности фаз сигналов на величину бóльшую, чем . Другими словами

.

Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности измерения дальности до контролируемого объекта под водой, причем эти измерения дальности осуществляют на измерительной станции.

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

Способ измерения дальности относится к области техники радиотехнический средств измерения расстояний и может быть использован, например, для измерения малых дальностей в локальных навигационных системах при управлении движением подводных объектов. Достигаемый технический результат – измерение дальности под водой. Указанный результат достигается за счет использования 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 измерительной станции и на контролируемом объекте формируют синфазные непрерывные электрические колебания. На контролируемом объекте принятые электрические колебания усиливают и подают на вход акустического преобразователя, в результате чего во втором информационном канале формируют акустическую волну. Набег фазы акустической волны является информационным параметром определения расстояния. На самой измерительной станции акустическую волну принимают и преобразуют в электрический сигнал и далее последовательным изменением частоты непрерывных электрических колебаний и сопутствующим измерением разности фаз электрических сигналов, формируемых в результате преобразований в акустическом канале, однозначно определяют дальность до контролируемого объекта 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 электрические колебания с известной фиксированной частотой , при этом непрерывные электрические колебания подают на вход передающей рамочной магнитной антенны, которую устанавливают на измерительной станции, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, переменное магнитное поле, после чего на другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, которую устанавливают на контролируемом объекте, после чего принятые непрерывные электрические колебания усиливают и подают на вход передающего акустического преобразователя, который устанавливают на контролируемом объекте, и излучают, таким образом, акустическую волну, после чего акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, который устанавливают на измерительной станции, после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные электрические колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем, установленным на контролируемом объекте, и приемным акустическим преобразователем, установленным на измерительной станции, определяют по формуле:

,

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