Способ измерения расстояний и устройство для его осуществления Советский патент 1959 года по МПК G01S13/38 

Для ВЫСОКОТОЧНЫХ измерений расстояний в геодезии применяют инструменты с использованием световых волн видимой части спектра. Хотя эти инструменты обеспечивают необходимую для геодезии точность (погрешность не больше 3 10 измеряемого расстояния), но они обладают рядом суш,ественных недостатков: измереиие необходимо проводить в ночное время и иметь хорошую видимость и др. Появившиеся в 1957 г. в зарубежных журналах сообш,ения о разработке радиодальномера-Теллурометра для измерения расстояний в геодезии не отражают его сущности, а известные способы и устройства для измерения расстояний с помош,ью радиосредств не могут быть использованы в геодезии, так как они не обеспечивают необходимую точность измерения.

Предлагаемые способ измерения расстояний и устройство для его осуш,ествления удовлетворяют требованиям геодезии в отношении точности измерения расстояния и свободны от недостатков, присуш,их светодальномерам.

На фиг. 1 и 2 изображены скелетные схемы «излучаюш,ей и «отражаюш;ей станций одного из возможных вариантов осуи.1,ествления устройства для измерений расстояний по предлагаемому способу; на фиг. 3 - частотные спектры, излучаемые станциями Л и Б; на фиг. 4 - частотный спектр модулирующего напряжения колебания про.1ежуточной частоты на выходе смесителя станций А и Б; на фиг. 5-скелетная схема упрощенной отражающей станции. Для краткости в тексте излучающая станция обозначается буквой А, а отражающая - буквой Б.

№ 121486- 2 -

На фиг. 1 обозначено: / - генератор УВЧ; 2-кварцевый генерагор; 3 - смеситель; 4 - усилитель промежуточной частоты; 5 - детектор; 6 - видеоусилитель; 7 - усилитель низкой частоты; 8 - телефонный усилитель; 9 - микрофонный усилитель; 10 - электронно-лучевая трубка.

На фиг. 2 - 11 - генератор УВЧ; 12-первый смеситель; 13 - усилитель промежуточной частоты; 14 - детектор; 15 - усилитель низкой частоты; 16-импульсный каскад; 17-четвертый смеситель; 18 - фильтр; 19 - резонансный усилитель; 20 - пятый смеситель; 21 - резонансный усилитель; 22 - второй смеситель; 23 - кварцевый гетеродин; 24 - резонансный узкополосный (кварцевый) усилитель; 25 - бал&исный модулятор; 26 - Низкочастотный генератор; 27 и 28 - узкополосные кварцевые фильтры; 29 - третий смеситель; 30 - резонансный }силитель; 31 - суммирующий каскад; 32 - телефонный усилитель; 33 - микрофонный усилитель.

На фиг. 5 обозначено: 34 - генератор УВЧ; 35 - первый смеситель; 36-усилитель промежуточной частоты; 37 - детектор; 38-усилитель низкой, частоты; 39 - импульсный каскад; 40 - второй смеситель; 41 - фильтр; 42 - резонансный усилитель; 43 - резонансный Ззкополосный (кварцевый) усилитель; 44-кварцевый генератор; 45-суммирующий каскад, 46 - телефонный усилитель; 47 - микрофонный усилитель.

Сущность предлагаемого способа измерения расстояния состоит в следующем.

Станции А и Б устанавливаются в точках, между которыми измеряется расстояние. Отсчет расстояния производится на станции А. Станция А излучает, а станция Б отражает радиоЕолны сантиметрового диапазона через узконаправленные антенны в виде парабаллических зеркал, в фокусе которых размещены передающий и приемный вибраторы. Станция А излучает в сторону станции Б радиоволны с несущей частотой /А, модулированные по амплитуде сипусоидальными колебаниями частоты F, на которых производится измерение сдвига фаз. Станция Б отражает в сторону станции /1 радиоволны с несущей частотой /Б, модулированные по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты F + Д/ или F - Af, где низкая частота (ДГС)- Этот же сигнал одновременно модулируется импульсами, имеющими частоту следования , каким-либо из известных методом модуляции. В обеих станциях отсутствуют местные гетеродины, а для преобразозания частоты используются колебания, непосредственно наводимые передающим вибратором на приемный; разность частот генераторов УВЧ станций Л и 5 выбирают равной промежуточной частоте приемников обеих станций. Таким образом в интервалах между импз /тьсами па входе преобразователя частоты действуют два амнлитудно-модулированных колебания. Анализ показывает, что в этом случае на выходе смесителя колебания промежуточной частоты оказываются промодулированным сигналом, содержащим колебания частоты Af, F, F + AF. Мгновенная фаза низкочастотной составляющей модз лируюл цего сигнала оказывается равной разпости мгновенных фаз модулирующих синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых передающим и приемным вибраторами.

В станции Б колебание про.межуточной частоты усиливается и детектируется. Полученный, с выхода детектора сигнал подводится к усилителю низкой частоты, с выхода которого сигнал низкой частоты подводится к специальному импульсному каскаду, превращающему синусоидальные колебания в -короткие импульсы той же частоты следования

и той же фазы. Этими импульсами и модулируется генератор УВЧ этой станции. Следовательио, мгнопениг.я фаза мсдулирующи.х импульсов также равиа разности мгнозенпых фаз модулирующих синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых п принимаемых вибраторами ст;1ниии, что необходимо для получения ЕЫСОКОП точности измерения.

В станции А сигнал после детектора подводится к усилителю низкой частоты и видеоусилителЕо. На выходе первого усилителя образуется сииусоидальный низкочастотный сигнал частоты AF, а на выходе второго - короткие импульсы. Индикатор стаиции А измеряет разность фаз низкочастотных синусоида.чьных колебаний и импульсов. .Диализ показывает, что при частоте модулирующих синусоидальных колебаний

станции Б-/+А/ показаиие индикатора будет равно 22 +Афд

ЛФА + ДФБ-, а при частоте f - Af равно-22 -- - Ф -ЛФл + ДФв f

Величииа 2 2 -;:- есть искомый результат измерения, а сумма АФ. -

- АФ А + АФ Б - погрешность измерения. Здесь 52 2:iF, г - измеряе.мое расстояние, VQ - скорость света; АФл АФдв + АФда + АФдн; ДФ Ав , АФАп. ДФАн -углы, учитывающие искажение фазы соответственно модулирующих импульсов в высокочастотном тракте и усилителе промежуточной частоты и видеоимпульсов в импульсном тракте станции Л.- ДФА ДФАВ+ ЛФАп+ДФАк ; ДФАя (О + AQ) - Фд„()

ФАв (9)-Фдв (-Д); ФлЛУ, Фл« (), ФА, (О-ДУ)углы, учитывающие искажение фазы модулирующих колебаний в высокочастотном тракте станции А (в функции от частоты модулирующих колебаний), ДФ дп , ДФАн - углы, учитывающие искажение фазы соответственно модулирующего колебания частоты Д/- в усилителе промежуточной частоты и синусоидального колебания частоты ДF в усилителе низкой частоты станции Л; ДФБ ДФБ11 +ДФБп -f Фвн: ДФБв, ДФБп, АФБн - углы, учитывающие искажения фазы в соответствующих трактах станции Б.

Погрешность измерения, следовательно, зависит не от модулирующей частоты F, а от низкой частоты AF. Так как АР много меньще ширины полосы пропускания тракта высокой частоты и усилителя промежуточной частоты, то составляющие погрешности вследствие фазовых искажений в высокочастотном тракте и в усилитате промежуточной частоты будут ничтожно малыми; составляющие погрещностей вследствие фазовых искажений в низкочастотных и импульсных трактах, при правильно выбранных параметрах в них, могут быть получены также ничтожно малыми. Таким образом суммарная иогрешиость АФА-АФА Ч+ ДФ Б будет ничтожно малой величиной- Для исключения остаточной погрещности производится двухкратное измерени е расстояния: один раз при частоте модулирующего колебания генератора УВЧ станции Б F + + AF и другой - при частоте F - Д. В первом случае результат измерения 2Q - получается с положительным знаком, во втором - с отрицательиым при сохранении неизменным знака погрещности измерения. Полуразность обоих показаний дает реззльтат без погрешности измерения. Такой метод исключения иогрещности ириводит одновременно к исключению и некоторых других составляющих погрешностей: погрещности за счет неточности установки шкалы, систематических ошибок отсчетов, эллиптичности развертки и пр.

Излучаемые станиией А колебания модулируются ио амплитуде синусоидальным сигналом частоты F, а станцией Б - двумя сигналами - по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты F + AF или F -

- 3-Ло 121486

о

М 121486-4 -

- Д/- и каким-либо методом модуляции (например амплитудным, частотным н др.) импульсами, частота следования которых равна , а мгновенная фаза - разности мгновенных фаз люду.чируюш.их синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых вибраторами обоих станций. В супергетеродинных приемниках обеих станций для преобразовапия частоты используются колебания, непосредственно наводимые передающим вибратором на приемный вибратор; разность частот генераторов УВЧ станций Л и Б выбирается при этом равной промежуточной частоте приемпиков обоих станций. Отсчет расстояний производится на станции А по двум измерениям разности фаз между полученным после детектирования синусоидальным сигналом низкой частоты и импульсами, одно из которых ио.г/чают при частоте модуляции отрахсаюш.ей станции F + Д/ а другое-при частоте F - .

Устройство для осуществления способа измерения расстояния состоит в следующем.

Генератор УВЧ I станции А (фиг. 1) модулируется колебаниями высокостабильной частоты F, вырабатываемыми кварцевым генератором 2. Для онределения полного числа оборотов фазы используются три дополнительные выеокостабильные колебания, которыми поочередно модулируется генератор УВЧ. Целесообразно, например, выбирать Р 10 мггц, а остальные частоты - 9,99 мггц, 9,9 мггц п 9,0 мггц. Переход от одной модулирующей частоты к другой осугцеств.тяется переключением кварцев К ., К ,i, К лз К A.i с иомоль.о переключателя /7 м . Разности между отсчетами для основной частоты 10 мггц и остальными тремя частотами дают показания фазьг от-носяпхисся к разностной частоте модуляции, т. е. 10, 100 и 1000 кгц. Ир-л данных частотах вся щкала соответствует около 15 м и возможно определять расстояния до 15 км. Если расстояния больще 15 км, то отсчет опять начинается с О через каждые следующие 15 км.

Колебания частоты F п F - Д/- для модуляции генератора УВЧ // стацции Б (фцг. 2) могут быть г олучены различными методами, например с помощью балансного модулятора. Для этой цели колебание частоты F с выхода детектора 14 с помощью второго смесителя 22 и кварцевого гетеродина 23 снижается до F „р, которое подводится вместе с колебаниями частоты &.F от низкочастотного генератора 26, к балансному модулятору 25, где с помощью двух узкополосных кварцевых фильтров 27 и 28 на выходе выделяются частоты г „р + Д/- п f„р - &.F, выбор той или другой частоты производится переключателем Преобразование частоты от Fr.p ± Д/ к частоте/±Д/производится с помощью третьего смесителя 29 и того же кварцевого гетеродина 23. Так как генератор УВЧ станции /1 модулируется поочередно четырьмя различными частотами, то кварцевый генератор станции Б вырабатывает соответственно колебания четырех различных частот, выбор которых производится переключепием кварцев ATsij Я вг Къ, /С B.jC помощью переключателя //BI.

Модзляция импульсами генератора УВЧ по амплитуде возможна в том случае, если это допустимо для лампы генератора (здесь также возможно применять отдельный импульсный генератор). Модуляция по частоте целесообразна в том случае, если для генератора УВЧ можно использовать лампу, позволяющую изменять частоту колебаний электрическими импульсами. Если оба способа модуляции использовать невозможно, то целесообразно использовать метод модуляции импульсами поднесущей (частота поднесущей равна F) с использованием одной верхней боковой полосы спектра импульсов (см. фиг. 2). Импульсы с выхода импульсного каскада 16 вместе с колебаниями F пр с выхода кварцевого усилителя 24 подводятся на четвертый смеситель 77 и с помощью фильтра 18 и резонансного усилителя 19 выделяется верхняя боковая полоса спектра. Это напрялсение подзодптгя на пятый смеситель 20 вместе с колебаниями от кварцевого гетеродина 23. С помощью резонансного усилителя 21 выделяется искомая верхняя боковая полоса спектра, которым модулируется генератор УВЧ. Спектр модулирующих импульсов ограничен от / ,,„„ до ,„д. , что позволяет па выходе детектора станции Л отделить импульсный сигнал от синусоидального сигнала частоты Д.

Измерение разности фаз производ 1тся на станции .4 с помощью электронно-лучевой трубки 10. На каждую пару пластин от устройства на выходе ус; лнтеля низкой частоты 7 (на фиг. 1 не обозначено) подводятся колебания одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе иа 90° для получения на экране круговой развертки. Короткие импульсы с выхода видеоусилителя подводятся к управляющему электроду трубки. На время действия импульсов трубка запирается и на круговой развертке образуется небольщой. разрыв, по положению которого определяется расстояние. Здесь также можно использовать электронно-лучевую трубку с центральным электродом.

Для исключения погрещностн измерения, которая может возникнуть вследствие неточной цептрнровки шкалы, необходимо производить двухкратное измерение разностн фаз при нормальном ноложенщ отсчет-, ной отметки па экране трубки и при обратном. Так как знак ногрешности из-за эксцентриситета меняется при изменении фазы отсчетной отметки на обратную, то полусумма обоих показаний дает результат без погрешности измерения. Изменение положения отсчетной отметки на обратную ироизводится на стагщни Б нзмепеннем фазы колебания частоты А/ на обратную с номощью переключателя /7 БЗ . Таким образом, точный результат измерения расстояния достигается в результате четырехкратного отсчета показаний на экране трубки индикатора. Такое точное определение фазы требуется только для основной частоты, для остальных частот является достаточным однократное измерение.

Предлагаемое устройство для измерения расстояния осеспечнвает двухстороннюю телефонную связь между станциями А и Б. Для этой, цели используются дополнительные телефонные уснлители с телефонными трубками на выходе и микрофонные усилители с микрофонами на входе. Переход с измерения на телефонную связь осунлествляется с помощью переключателей Я АО, Я тех случаях, когда доиустнмо некоторое снижение точноети измерения, станцию Б можно постронть по упрощенной, схеме (фпг. 5). Например, если доп ст1гть некоторую неточность в установке модулирующей чаетоты станции Б F -г Af и F - - AF, то вместо балаисного модулятора можно использовать кварцевый генератор 44, который приближенно будет обеспечивать требуемую cjMму, и разность частот F и A.F. хМожет также отпасть необходимость -j изменении фазы отечетной отметкн на обратную. Еслн требуемая точность позволяет, кроме того, использовать более мелкий масштаб шкалы и снизить частоту модуляции F, то можно в станцни Б исключить четвертый и пятый смеситель и, кроме того, для определения полного числа оборотов фазы обойти1сь тремя частотами модуляции. На фиг. 5 переключение кварцев производится с помощью переключателя /7 БХ: кварцы , ЯБЗ обеспечивают частоту модуляции F + AF и F - AF, а кварцы - БЗ и /С Б4 - обе дополнительные частоты модуляции, увеличенные на A.F, необходимые при определении полного числа оборотов фазы. При переходе с одной частоты на другую одновременно необходимо изменять настройку кварцевого усилителя.

- 5-Лл 121486

Предмет изобретения

1.Способ измерения расстояний с использованием прямого и отраженного радиосигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, сигналы главной и отражающей станции модулируют по амплитуде синусоидальными колебаниями, отличающимися по частоте на величину низкой частоты, и спектром, образованным модулирующими импульсами, мгновенная фаза которых равна разности мгновенных фаз модулирующих синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых вибраторами отражающей станции, а отсчет расстояния производят на главной станции по двум измерениям разности фаз между полученным после детектирования сигналом низкой частоты и импульсами, одно из которых получают при частоте, равной сумме частот модуляции и низкой частоты, а другое - при их разности.

2.Способ по л. 1, отличающийся тем, что для преобразования частот в главной и отражающей станциях используют амплитудно-модулированные сигналы, наводимые с передающего вибратора на приемный, а образованная при этом низкая модулирующая частота настолько меньше ширины полосы пропускания УПЧ, что сигнал с этой низкой, модулирующей частотой проходит последующие преобразования с ничтожно малыми фазовыми искажениями.

3.Устройство для осуществления способа но пп. 1 и 2, имеющее главную и отражающую станции, содержащие генераторы, смесители, усилители, детекторы и фильтры, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности измерения, в отражающей станции после детектора включен импульсный каскад, обеспечивающий заданную фазу модулирующих импульсов, а также балансный модулятор, к выходу которого через переключатель подключены два узкополосных фильтра, настроенные на сигналы с частотами, равными, соответственно, сумме и разности частот модуляции и низкой частоты.