Микроволновый интерферометр Российский патент 2019 года по МПК G01S13/36 

Изобретение относится к области средств измерения перемещения с использованием радиоволн фазовым методом. Микроволновый интерферометр, установленный на неподвижном основании, может быть использован для непрерывных бесконтактных измерений перемещения любого объекта, отражающего микроволновое излучение интерферометра, относительно этого неподвижного основания. Например, может быть измерено перемещение материального тела, движущегося в радиопрозрачной среде, смещение элементов конструкции сооружения или механизма относительно точки размещения интерферометра, вызванное деформациями под внешними статическими или динамическими нагрузками, вибрациями или ударным воздействием, перемещение поверхности тела живого объекта, связанное с его дыханием и/или сердцебиением, перемещение отражающего микроволновое излучение фронта газодинамического процесса, развивающегося в радиопрозрачной среде, и т.п. Высокая точность, непрерывность и бесконтактный характер измерения перемещения определяют преимущества интерферометра по сравнению другими средствами измерения перемещения. Рекордные точности измерения линейных перемещений реализуются лазерными (оптическими) интерферометрами, например, [www.zygo.com, www.lavision.de, www.limess.com]. Однако, эти приборы весьма дороги, сложны в эксплуатации и настройке, чувствительны к воздействию внешних неблагоприятных факторов и, фактически, не пригодны для оперативного контроля и массового применения. Обеспечивая максимально достижимую в настоящее время точность измерения, лазерные (оптические) системы имеют ряд серьезных ограничений на применение в полевых и промышленных условиях эксплуатации. К таким ограничениям относятся измерения в оптически непрозрачных средах, за препятствием, в условиях повышенной задымлённости, запылённости, высокой турбулентности газовой среды, в присутствии гидрометеоров, при быстрой деградации оптических элементов в агрессивной среде, при загрязнении или при сильной вибрации, значительных температурных вариациях, изменении влажности воздуха. Альтернативой лазерным интерферометрам являются интерферометры микроволнового диапазона. Так как длина волны зондирующего излучения микроволновых интерферометров в тысячи раз больше длины волны зондирующего излучения оптических интерферометров, требования к условиям эксплуатации микроволновых систем соответственно в тысячи раз мягче, чем для аналогичных оптических систем.

Микроволновый интерферометр может применяться как датчик перемещения для непрерывного и бесконтактного контроля состояния и правильного функционирования сложных сооружений, работающих механизмов, выполняющих ответственные функции операторов потенциально опасного оборудования с целью предупреждения аварийных ситуаций и техногенных катастроф.

В качестве аналогов заявляемого устройства можно привести устройство для дистанционного измерения перемещения и скорости фазовым методом, работающее в миллиметровом диапазоне длин волн и описанное в статье на англ. яз. Hongxing Zheng. «A displacement and velocity measurement technique using millimeter-wave sensor» - International journal of Infrared and millimeter waves. 2005. - V. 26. - № 9. P. 1277 – 1290, и приёмо-передающее устройство с диэлектрическим волноводным трактом для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн в соответствии с изобретением по патенту РФ2569936, G01S13/02, H01P1/02, 2015.

Первый аналог состоит из генератора непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, двухканального приёмного устройства для измеряемого и опорного сигналов супергетеродинного типа с балансными смесителями и реализованными в виде цифрового устройства квадратурными фазовыми детекторами, рупорной приёмо-передающей антенны, волноводного тракта.

Второй аналог содержит генератор непрерывного зондирующего излучения, гетеродин, два смесителя, передающую и приёмную антенны и волноводный тракт.

Эти аналоги могут измерять перемещения объекта посредством сравнения фаз излучаемых устройством электромагнитных колебаний и принимаемых самим устройством электромагнитных колебаний, отражающихся от поверхности перемещаемого объекта. Однако, как будет показано ниже, конструкция микроволнового датчика перемещения может быть существенно упрощена за счет унификации элементов структурной схемы.

Наиболее близким к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство для дистанционного измерения взаимных смещений элементов конструкции зданий и сооружений (Патент РФ2621473, G01S13/36, 2017), представляющее собой микроволновый активный интерферометр и содержащее два приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, подключённого к входу Y-циркулятора, который своим выходом с малыми потерями соединён с приёмо-передающей антенной и своим выходом с большими потерями с входом квадратичного смесителя, подсоединённого своим выходом к входу усилителя промежуточной частоты, равной разнице частот зондирующего излучения генераторов непрерывных гармонических колебаний в составе указанных блоков, и фазовый детектор, соединённый своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости взаимного смещения двух элементов конструкции здания или сооружения. При этом упомянутые приёмо-передающие блоки жёстко закреплены по одному на двух взаимно смещаемых элементах здания или сооружения, а приёмо-передающие антенны указанных блоков направлены друг на друга.

Данное устройство способно измерять взаимное перемещение двух объектов, на которых жёстко закреплены входящие в состав устройства приёмо-передающие блоки, посредством сравнения фаз излучаемых и принимаемых этими приёмо-передающими блоками электромагнитных колебаний. Конструкция прототипа упрощена по сравнению с конструкцией аналогов за счёт унификации входящих в его состав блоков. Однако, если разместить оба приёмо-передающих блока прототипа на одной позиции и направить входящие в его состав антенны на отражающую поверхность, измерить перемещение отражающей поверхности относительно позиции прототипа не представляется возможным, т.к. каждый приёмо-передающий блок будет принимать не только отражённый от поверхности сигнал, излучённый другим приёмо-передающим блоком, но и отражённый от поверхности сигнал, излучённый им самим. При этом перемещение отражающей поверхности будет сопровождаться непропорциональным изменением разности фаз регистрируемых сигналов.

Технологическая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, – создание микроволнового интерферометра на базе унифицированных приёмо-передающих блоков, выполненного по интегральной технологии, обладающего минимальными массогабаритными характеристиками и минимальной стоимостью, пригодного для массового производства и широкого внедрения в качестве датчика перемещения в системах непрерывного и бесконтактного контроля состояния и правильного функционирования сложных динамических объектов различной природы.

Технический результат от использования заявляемого изобретения – повышение точности измерения перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта с помощью микроволнового интерферометра, выполненного на базе унифицированных приёмо-передающих блоков, за счёт устранения мешающих сигналов, излучённых передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённых от движущегося объекта и принятых приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока.

Указанный технический результат достигается тем, что в микроволновом интерферометре, предназначенном для измерения перемещений, содержащем два идентичных приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, антенн, смесителя, для которого гетеродином является генератор того же приёмо-передающего блока, и усилителя промежуточной частоты, которая равна разности частот зондирующего излучения генераторов в составе указанных блоков, а также фазовый детектор, соединенный своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости измеряемого перемещения, оба приёмо-передающих блока расположены на одном основании неподвижно относительно друг друга, каждый генератор в составе приёмо-передающего блока подключён к передающей антенне того же блока, рабочие поляризации передающих антенн двух приёмо-передающих блоков ортогональны друг другу, каждая приёмная антенна в составе приёмо-передающего блока подключена к входу смесителя того же блока, рабочая поляризация приёмной антенны ортогональна рабочей поляризации передающей антенны того же блока и согласована с рабочей поляризацией передающей антенны другого приёмо-передающего блока, причём, все четыре антенны направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта.

Генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приёмо-передающих блоков могут работать в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона.

Функции аналого-цифрового преобразования, фазового детектирования, формирования и передачи дискретной временной зависимости измеряемого перемещения могут быть реализованы в микроконтроллере.

Микроконтроллер может быть подключён через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга перемещений контролируемого объекта.

Известная микроволновая сенсорная система (см. JP2015036666, G01S13/32, G01S13/50, 2015), предназначенная для выполнения иной задачи – обнаружения и измерения горизонтальных перемещений цели и состоящая из двух сантиметровых приёмопередатчиков, работающих на различных частотах зондирующего излучения и использующих каждый зондирующее и отражённое от движущейся мишени излучения, не противоречит изобретательскому уровню заявляемого устройства, т.к. указанная система использует отраженные от мишени электромагнитные колебания для надёжного измерения углового смещения обнаруженной мишени за счёт углового взаимного расположения указанных приёмопередатчиков и двух сравнений фаз сигналов промежуточной частоты с последующим компьютерным учётом угловой ошибки измерения.

Заявляемый микроволновый интерферометр поясняется структурной схемой, изображенной на чертеже.

Микроволновый интерферометр (микроволновый датчик перемещения) в настоящем примере выполнения состоит из двух расположенных на одном основании неподвижно относительно друг друга приёмо-передающих блоков (ППБ I и II), которые подключены к фазовому детектору (1), и последовательно соединенным с ним аналого-цифровому преобразователю (2) и микроконтроллеру (3), подключенному через локальную сеть к центральному процессору (4) системы мониторинга перемещений контролируемого объекта. Приёмо-передающий блок ППБ I состоит из: генератора (5) непрерывных гармонических колебаний СВЧ или КВЧ диапазонов, работающего на частоте ω₁, и подключённого к передающей антенне (6); передающая антенна (6) имеет определённую рабочую поляризацию; приёмной антенны (7), рабочая поляризация которой ортогональна рабочей поляризации передающей антенны (6) и согласована с рабочей поляризацией антенны (8) в составе второго приёмо-передающего блока (ППБ II); приёмная антенна (7) подключёна к смесителю (9), для которого гетеродином является генератор (5); выход смесителя (9) подключён к входу усилителя промежуточной частоты (10), причём, промежуточная частота равна разности частот ω₁ и ω₂. Приёмо-передающий блок ППБ II состоит из: генератора (11) непрерывных гармонических колебаний СВЧ или КВЧ диапазонов, работающего на частоте ω₂, и подключённого к передающей антенне (8); рабочая поляризация передающей антенны (8) ортогональна рабочей поляризации антенны (6); приёмной антенны (12), рабочая поляризация которой согласована с рабочей поляризациями передающей антенны (6) и ортогональна рабочей поляризации антенны (8); приёмная антенна (12) подключёна к смесителю (13), для которого гетеродином является генератор (11); выход смесителя(13) подключён к усилителю промежуточной частоты (14), причём, промежуточная частота равна разности частот ω₁ и ω₂. Все четыре антенны (6, 7, 8 и 12) направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта (15).

Предлагаемый микроволновый интерферометр реализуем на доступной микроволновой электронной элементной базе. Благодаря тому, что СВЧ (КВЧ) часть микроволнового интерферометра реализована в виде двух идентичных ППБ с незначительной отстройкой рабочих частот, микроволновый интерферометр может быть конструктивно реализован на основе двух интегральных микросборок доплеровских датчиков скорости с выполненными по печатной технологии и интегрированными в состав сборки передающей и приёмной антеннами, например, НВ100 (http://roboparts.ru/products/hb100-doplerovskiy-radar) и микроконтроллера, содержащего не менее двух параллельных каналов аналого-цифрового преобразования, цифровой фазовый детектор и порт ввода/вывода цифровых данных, например, ADuC812BSZ (https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/aduc812.pdf).

Микроволновый интерферометр работает следующим образом.

Генератор (5) вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω₁ и передает их через передающую антенну (6) на отражающую поверхность контролируемого объекта (15), отражённые от поверхности объекта колебания поступают через приёмную антенну (12) на вход смесителя (13). В качестве сигнала гетеродина на смеситель (13) поступает сигнал от генератора (11). Точно также работает генератор (11): он вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω₂ и передает их через передающую антенну (8) на отражающую поверхность контролируемого объекта (15), отражённые от поверхности объекта колебания поступают через приёмную антенну (7) на вход смесителя (9). В качестве сигнала гетеродина на смеситель (9) поступает сигнал от генератора (5).

На вход смесителя (9) поступает сигнал на частоте ω₂, излученный антенной (8), с временной задержкой (2х/с), где х – контролируемое расстояние до объекта, а с – скорость света, и фазовым сдвигом (4πх/λ₂), где λ₂ - длина волны второго генератора (11).

Точно также, на вход смесителя (13) поступает сигнал на частоте ω₁, излученный антенной (6), с такой же временной задержкой и фазовым сдвигом 4πх/λ₁), где λ₁ - длина волны первого генератора (5).

На выходе смесителя (9) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением:

.

На выходе смесителя (13) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением:

.

Здесь t – текущее время, ϕ₁(t) и ϕ₂(t) – медленно меняющиеся случайные начальные фазы (низкочастотные фазовые шумы) колебаний, вырабатываемых генераторами (5) и (11) соответственно.

Сигналы с выходов смесителей (9) и (13) усиливаются усилителями промежуточной частоты (10) и (14) соответственно и передаются на входы фазового детектора (1).

На выходе фазового детектора формируется сигнал, пропорциональный разности фаз входных сигналов {Ф₁(t) – Ф₂(t)}. С учетом того, что ϕ₁(t) и ϕ₂(t) – это медленные функции времени и их изменением за малое, порядка долей микросекунды, время задержки (2х/с) можно пренебречь, выходной сигнал фазового детектора (1) пропорционален 8π х/λ, где λ - среднее значение двух длин волн λ₁ и λ₂.

Этот сигнал преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (2), а в микроконтроллере (3) умножается на коэффициент (λ/8π). Выходной сигнал микроконтроллера является дискретным представлением зависимости смещения (Δх) от времени и по локальной сети передается на центральный процессор (4) системы мониторинга перемещений контролируемого объекта для последующей обработки.

Благодаря тому, что в состав каждого приёмо-передающего блока входят приёмная и передающая антенны, работающие на ортогональных поляризациях, устраняются сигналы, излученные передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённые от движущегося объекта и принятые приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока. При этом рабочие поляризации приёмной и передающей антенн различных приёмо-передающих блоков оказываются согласованными, и каждый приёмо-передающий блок принимает сигналы, излучённые другим блоком.

Применение фазового метода измерения перемещения позволяет добиваться погрешности измерения в сотые доли длины волны зондирующего излучения. При работе устройства в КВЧ диапазоне погрешность может не превышать десятки микрометров. При вычислении разности фаз двух сигналов промежуточной частоты происходит практически полная компенсация взаимных фазовых шумов двух генераторов.

Это позволяет обеспечить сочетание широкополосности и долговременной стабильности измерительного устройства и максимально широкий диапазон частот измеряемых перемещений отражающей поверхности контролируемого объекта. Верхняя граница частотного диапазона измеряемой зависимости Δх(t) может составлять до 10% от выбранного значения промежуточной частоты, например, при промежуточной частоте более 10 МГц она будет составлять единицы мегагерц. Нижняя граница частотного диапазона будет ограничиваться только процессами старения активных элементов электрической схемы с характерным масштабом времени в несколько сотен часов, что соответствует частоте, измеряемой в микрогерцах.

Таким образом, предлагаемый микроволновый интерферометр обеспечивает повышение точности измерения перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта за счёт устранения мешающих сигналов, излученных передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённых от движущегося объекта и принятых приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока. Микроволновый интерферометр выполнен на базе унифицированных приёмо-передающих блоков.

Изобретение относится к области средств измерения перемещения с использованием радиоволн фазовым методом. Микроволновый интерферометр содержит два идентичных по структуре приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, подключённого к входу передающей антенны, работающей на определенной поляризации, приёмной антенны, работающей на ортогональной поляризации и подключенной своим выходом к входу смесителя, гетеродином которого является генератор в составе того же приёмо-передающего блока и подключённого своим выходом к входу усилителя промежуточной частоты, равной разнице частот зондирующего излучения генераторов непрерывных гармонических колебаний в составе указанных блоков, а также фазовый детектор, соединённый своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта. При этом оба приёмо-передающих блока расположены на одном основании неподвижно относительно друг друга, все антенны в составе устройства направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта, а рабочие поляризации передающей антенны одного приёмо-передающего блока и приёмной антенны другого приёмо-передающего блока попарно согласованы. Генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приёмо-передающих блоков могут работать в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона. Функции аналого-цифрового преобразования, фазового детектирования, формирования и передачи дискретной временной зависимости измеряемого перемещения могут быть реализованы в микроконтроллере. Микроконтроллер может быть подключён через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга перемещений контролируемого объекта. Технический результат от использования заявляемого изобретения – повышение точности измерения перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта с помощью микроволнового интерферометра, выполненного на базе унифицированных приёмо-передающих блоков, за счёт устранения мешающих сигналов, излучённых передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённых от движущегося объекта и принятых приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроволновый интерферометр, предназначенный для измерения перемещений, содержащий два идентичных приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, антенн, смесителя, для которого гетеродином является генератор того же приёмо-передающего блока, и усилителя промежуточной частоты, которая равна разности частот зондирующего излучения генераторов в составе указанных блоков, а также фазовый детектор, соединенный своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости измеряемого перемещения, отличающийся тем, что оба приёмо-передающих блока расположены на одном основании неподвижно относительно друг друга, каждый генератор в составе приёмо-передающего блока подключён к передающей антенне того же блока, рабочие поляризации передающих антенн двух приёмо-передающих блоков ортогональны друг другу, каждая приёмная антенна в составе приёмо-передающего блока подключена к входу смесителя того же блока, рабочая поляризация приёмной антенны ортогональна рабочей поляризации передающей антенны того же блока и согласована с рабочей поляризацией передающей антенны другого приёмо-передающего блока, причём все четыре антенны направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта.

2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приёмо-передающих блоков работают в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона.

3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что функции аналого-цифрового преобразования, фазового детектирования, формирования и передачи дискретной временной зависимости измеряемого перемещения реализованы в микроконтроллере.

4. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что микроконтроллер подключён через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга перемещений контролируемого объекта.