Устройство для обработки сигнала лазерного доплеровского анемометра Советский патент 1989 года по МПК G01P3/36 

ел to

ел ел

со

,яа входы многовходового логического узла 4 коммутации, состоящего из уп- равпяечых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управляет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подается через диапазонные компараторы 13, 14 на управляющие входы логического узла 4. На другие управляющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с вы- хода таймера 11 и компарато 1а 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управляет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устройство работает в режиме Поиск, при этом логический узел 4 вырабаты-вает сигналы Сканирование и Сброс для управле1шя четьфехканальным коммутатором 26, являющимся входным логическим звеном интегратора 5. При на-, личии доплеровского сигнала (режим-. Слежение) информационные импульсы с выхода узла 4 управляют добавлением порщ1й (квантов) положительного или отрицательного заряда, поступающих из биполярного источника 27, входящего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимается с вькода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения скорости и повышение степени автоматизации работы устройства. Устройство работает в двух режимах: "Поиск" (обзор спектра входного сигнала) и "Слежение". Радиосигнал лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) через входной фильтр 17 и блок 15 автоматической регулировки амплитуды поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, где перемножается с выходным сигналом квадратурного генератора 3, управляемого напряжением (ГУН). С выхода смесителя через управляемые фильтры нижних частот (УФНЧ) 8, 9 сигналы поступают параллельно на амплитудный детектор 7 и формирователи 6, 10 импульсов. Импульсы, поступающие с формирователя 10, подаются на входы многовходового логического узла 4 коммутации, состоящего из управляемых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управляет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подается через диапазонные компараторы 13, 14 на управляющие входы логического узла 4. На другие управляющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с выхода таймера 11 и компаратора 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управляет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устройство работает в режиме "Поиск", при этом логический узел 4 вырабатывает сигналы "Сканирование" и "Сброс" для управления четырехканальным коммутатором 26, являющимся входным логическим звеном интегратора 5. При наличии доплеровского сигнала (режим "Слежение") информационные импульсы с выхода узла 4 управляют добавлением порций (квантов) положительного или отрицательного заряда, поступающих из биполярного источника 27, входящего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимается с выхода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для измерения скорости движения светорассеивающих поверхностей, жидкостей и газов.

Цель изобретения - повышение точности измерения скорости и повышение степени автоматизации работы устройства.

На чертеже представлена блок-схе- ма устройства.

Устройство содержит двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, квадратурный генератор 3, управляемый напряжением (ГУН), узел 4 коммутации, ий- тегратор 5, первый формирователь 6 импульсов, мгновенный амплитудный детектор 7, двухканальный управляемый фильтр 8,9 низких частот, второй формирователь 10 коротких импульсов, таймер. 11, первый компаратор 12 с управляемым порогом второй и третий компараторы 13 и 14 с управляемым порогом, блок 15 автоматической регулировки усиления, частотно-аналоговый преобразователь 16 напряжения, входной фильтр 17. Узел 4 коммутации выполнен в виде многовходового логического узла, а интегратор 5 вьшолнен коммутируемым аналоговым.

Логический узел 4 содержит два логических двухвходовых элемента 18 и 19, КЗ-триггер 20, три двухканапь- ных логических коммутатора 21, 22

5 0

5

5

и 23 и инвертор 24. Коммутируемый аналоговый интегратор 5 содержит аналоговый интегратор 25, четьфехканаль- ный коммутатор 26, и биполярный источник 27 опорного напряжения, при этом коммутатор содержит канал 28 сброса, канал 29 положительного кванта заряда, канал 30 сканирования и канал 31 отрицательного кпанта заряда.

Устройство работает следующим образом.

Доплеровский радиосигнал поступает на входной фильтр 17, вход которого является Входом устройства. Фильтр подавляет помехи в доплеровском радиосигнале, спектр которых не перекрывается со спектром доплеровского сигнала. Блок 15 автоматической регулиров- 1СИ усиления (АРУ) уменьшает разброс амплитуды доплеровского сигнала при измерении скорости объектов со значительно отличающимися светорассеиваю- щими свойствами, что повышает помехоустойчивость измерений. Далее сигнал поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1,2, например, ключевого типа, где перемножается с выходным сигналом квадратурного ГУ11 3. Выходные сигналы смесителей, содержащие наборы комбинационных частот, подвергаются фильтрации двумя упрлвллемыми каналами фильтра 8,9 низ1шх частот. Сигналы на выходе каналов фильтра представляют собой квадратурные компоненты разности частот ГУН и доплеровск(5го сиг иала. Напряжение на выходе мгиоиепиого амплитудного детектора 7 пропорционально сумме квадратов амплитуд кыадратурн.1х компонент, т.е. квадрату амп.читуды огибаюшс доплеровско- го сигпапа. Это напряжение подается па вход компаратора 12, Kiyropiifi срав- пипает его с известным уропнем, уста- паллппаемым по опорному иходу. Импульсы с выхода KOMnajiaTOpa подаются на вход логического узла А, а также запускают таймер 11, длительность выходных импульсоп которого устанавливают равной выбранной величине. Выходной сигнал таймера подается на первый управляюши нход логического уз.ча. Сигпа.41.1 с выходов каналоп {})пльт- ра 8, 9 Tjic)i:e поступав г па иходы форьшрователя 6 импульсом. Если па одном ич вхидои (bopMUpoiia I еля 6 сиг- пал по фазе (шережасгг ctiritaji нл другом иходс, то на первом В1.1ходе появляются иьп1у;пзС1.1, если отстает, то пмпу. п.сп пояпляются ил ii 1 ором В1лходе. HifCJio пыходпь/х импул1 сс1В, соответствующее одному полному периоду входного квадратурного сигнала разностной частоты, должно быть не менее четырех.

Гилходнь H i:iy.4bCL )1-ги С 1 :1телл 6 порми)уютс)1 lio ;ип1те;1ьн(1сти ф(4)мпрова- телем 1U коротких импульсов п поступают па информа1;по1П1ые входы логического узла 4. Сигнал, определяютций члстотм .)пкп ГУН п управляемого ФНЧ, поступает также на входы диапазонных компараторов 13 и 1) с пзвест- , cooтт cтcтвyюlци п максимальной и мшшмальпой частотам, nopora№i срабатывания, устанавливлсмы -.п по соот- DeTCTByiriiJiHM опорным входам. Компараторы срабатывают при В1;1ходе управляющего папряжеппя ГУ и ФПЧ -за задапные минимальный и максималыпш уровпи,

СООТВеТСТВУЮТШе f И

Спгпалы с выходов компараторов подаются па трети чет1-.сртый управляю щпе Бходь логического угзла 4 . Сигнал управления частотой ГУН и ФНЧ 8, 9 является нькодпым сигналом коммутирув мого аналогового интегратора 5, содер жащего каналы 28-31, коммутируемые выходными сигналами логического узла 4. При отсутствии этих сигналов ключи всех капалов разомкнуты и интегратор 25 играет роль элемента апалоговой памяти, фиксирующего частоту ГУН на заданном уровне.

Устройство работает в двух основных режимах: Поиск (обзор спектра)

15

20

25

30

35

40

45

50

и Слежение. . Режим Поиск имеет место при отсутствии доплеровского сигнала. В эт(зм случае в спектре вы- ходпого сигнала отсутств тот сосредо- точен1п.1е спектральные компоненты. При этом напряжение на выходе мгновенного амплитудного детектора 7 мало, компаратор 12 и таймер 11 выклю- )1. Си1Ч1алы с выходов Tai iMepa и компаратора объединяются в двухвходовом логическом элементе 18. Когда оба сигнала па входе элемента 18 отсутствуют, напряжение на его выходе также отсутствует и двухканальный логический коммутатор 23 выключен. Коммутатор 21 п то же время яключен сигналом ип- 24. Череп Г(тот i-oNf 1утатор уп- 1.-,1ПЛяющие входы канллоп сканирования 30 и сброса /8 KoMvtyTi: iycMr i o аналогового интегратора 5 подключены к выходам триггера 20 логического узла 4. К PV- и S-пходам триггера подключены сигпа.пы дпапазонных ко гмутаторов 13 п 14.

Когда на Q-выходе триггера установлена лог. 1, коммутатор 21 включен и лог. 1 подается на уп)авляюир й Bxo/t канала 30 сканиропанил. Ключ 4 этого канала открыт п ир1тегратор 25 заряжается от источника 27 опорного папряжсггия, подключенного к входу ключа. Напряжение па выходе иптегра- тора уменьшается, перестраивая ГУБ и дпухкапальпый управляемый ФНЧ. Как только это напряжение достигнет уров- пя, соответствующего иnn faльнoмy заданпому значеп1по, включится компаратор 14, триггер 20 изменит состояние II откроет канал 28 сброса. Интегратор начнет перезаряжаться опорньм напряжением противоположной полярности п напряжение на его выходе станет увеличиваться. При достижении максимального заданного значения сработает компаратор 13, триггер 20 вновь переключится, и цикл работы устрой- стра повторится. Постоянные времени ,сканирования и сброса определяются резисторами соответствуюищх каналов 28 и 30 и выбираются из условия

г сканирования 77

сброса (1)

Устройство переходит в режим Сле- 55 жение, если во входном сигнале появляется сосредоточенная спектральная компонента (догшеровский сигнал). Когда разностная частота доплеровского сигнала и ГУН попадет в полосу

10

15

20

25

ропускания ФПЧ 8, 9, на выходе мгноенного аьтлитудиого детектора пояпит- я напряжение. Сработает компаратор 12, выключая коммутатор 21 логического узла 4 через инвертор 24. Режим Поиск выключается, интегратор 25 запоминает напряжение, соответстную- щее частоте ГУН, при которой обнаруен сигнал. Одновременно включается коммутатор 23 и таймер 11, дополнительно блокируя через логический элемент 18 режим Поиск. Система переходит в режим частотного автосопровождения максимума спектрального пика входного сигнала. Импульсы, соответствующие напряжению разностной частоты проводят через открытые коммутаторы 23 и 22 и попадают на управяющие входы каналов положителтлюго кванта заряда 29 или отрицатольпого кванта заряда 31. Каждый импульс нормирован по длительности форм рог ате- лем 10 коротких импульсов и иь тывает замыкание ключа канала интегрлторл на нормированное время.За время действия каждого импульса на интегратор передается нормированная полозкиталь}1ая или отрицательная порция (квант) заряда от биполярного источника 27 опорного напряжения через резисторы, входящие в состав каналов 29 и 31 коммутируемого аналогового интегратора 5. Если частота ГУН меньше частоты доплеров- ского сигнала, импульсы включают канал 31 отрицательного кванта, на интегратор поступают отрицательные кванты и его выходное напряжение увеличивается, а частота ГУН повышается до тех пор, пока не сравняется с чггс- тотой доплеровского сигнала. Если 40 частота ГУН меньше доплеровской, импульсы включают канал 29 положительного кванта заряда, что приводит к увеличению частоты ГУН. В установившемся режиме частота ГУН равна допле- 45 ровской. Элементы 19 и 22 служат для блокирования работы петли слежения. При выходе частоты ГУН на заданные границы сработает один из коьтарато- ров 13, 14, напряжение на выходе логического элемента 19 пропадает, выключив коммутатор 22 и разорвав, таким образом, петлю слежения.

При пропадании входного догшеров- ского сигнала компаратор 12 выключается, но система остается в Слежение, пока не. выключится таймер 11. Это необходимо для предотвращения сбоев автоподстройки при крГ Т30

35

50

55

0

5

0

5

05

0

5

0

5

579

lUiBpt -Menriiifx npOHauaiiisHx икодппго доплеропского сигнала , )ак i i..ix для ЛДА.

При слсанирооании полосы частот спектра в режиме Поиск ГУН изменяет свою частоту от максиг-иинзной до пи пмaльнoй, что позволяет г.римеиить в устройстве смеситejni 1 и 2 KJIIC-IC- вого тина, построенные, например, на цифровых дискретных элементах.

Захват системой паразитных гармоник входного доплеровс -;ого сигнала в режиме Поиск при зь-лючепиом канале сброса не происходит благодаря условию (1). Так как время сброса много Meiibme времени сканирования, мощность узкополоспых сигналов, попадающая в полосу пропускания перестраи1заю цей- ся систем,, в режиме сброса мчюго меньше аналогичной мощности в сканирования. Позтому блокировка включения режима Сложение во иремл работы канала сброса не требуется.

Динамический диапазон у .т)ойстиа по доплеровской частоте соответствует динамическому диапазо1 у птрокополос- ного ГУ1. Известные шгшокополоспые ГУН обладают удоплетворитслыгой лп- iieiiHocTbio (порядка 10%) в рабочем диапазоне перестройки, что приводит к значите-льпой (до 10%) нелинеГшой завр симости напряжения, управляющего ГУН 3 и ФПЧ 8, 9 от измеряемой доплеровской частоты входного гигиала. В то же время рассогласование мел.ду частотой входного доплеровского сигнала и частотой выходного сиглала ГУН пренебрелсимо мало по поем дилаьп - ческом даапазоче. Псптому для получения аналогового напряжения, точно соответствующего измеряемой частоте входного доплеровского сигнала, в устройство введен частотно-аналоговый преобразователь напряжения с лилейной передаточной характеристикой, который может быть В1;шолнен диапазонным,

Полоса пропускан 1я упрапляеь ого двухканального ФНЧ рыбирается равной частоте доплеровского сппкита, деленной на известное ЧРЮЛО Kurt рферешцюнНЫХ полос в ПрОСТр;1ЧСТВеН 1О1 СТ1)уКТуре зондирующего опт:-; чес кого поля ЛЛД. TaKoii выбор полосы П1)опу :кания обеспечивает более качес 1-Бпнну1Г) филт.тра- цию сигнала.

Логический узел может Оыть реализован такж а в лпде iiiioriJaMMj pyeMoi i логической матрицы. Матрица програм- Т Шруется таким обрляом, чтобы логические состояния ее входов и выходов соответстновали логическим состояниям входов и выходов описанного логического узла 4.

Таким образом, обеспечивается пол- ностью автоматический процесс измерений при повышенной точности и надеж ности. Электронная схема устройства имеет низкий шум дискретности за счет применения коммутируемого аналогового интегратора.

Формула изобретения

,

импульсов, амплитудный детектор и диухканальный фильтр нижних частот, при этом каждый из двух выходов квадратурного смесителя подключен парал- лсльи(5 к одному из двух входов ампли тудного детектора и формирователя импульсов через соответствующий канал фильтра нижних частот, выход интегратора соединен с. пходом квадратурного управляемого генератора, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого II второго каналов кнадратурного смесителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измеренпй и степени автоматизации работы, в него введены птороп формирователь коротких импулы.:ов, таймер, три компаратора с управляемым порогом, блок автоматическо регулировки усиления, частотно-аналоговый преобрзователь напряжения, нхогиюй фильтр, причем двухканальиьп фильтр низкой частоты выполнен перестраиваемым по управляюиюму входу, узел ;ог4мутации выполнен в виде многопхол чюго логического уз:1;, ик rei iiaT;;|) штолнен коммуп. руемым аналоговым, при этом выходы первого компаратора и таймера соответственно подключо, к первому и второму управляющие нхолам логического узла, первый и второй входы второго формирователя импульсов подключены к первому и второму выходам первого фop п poвaтeля импульсов, а первый и второй выходы - к первому и второму иисЬормащ1оН(ым иходам логичекого узла, выходы второго и третьего компаратсфон гю;1к;почены к третьему и

5

5 ,

четвертому управляющим входам логического узла, а входы - к выходу интегратора, первый и второй управляю- още выходы логического узла подключены к первому и второму управляющим входам И1гтегратора, а первый и второй информационные выходы логического узла подключены к первому и второму информационным входам интегратора, вход первого компаратора подсоединен к выходу амплитудного детектора, а выход - к входу таймера, при этом вход частот- но-аналогового преобразователя напряжения подключен к одному из выходов

10

5 ,

20

25

30

35

40с45

50

55

квадратурного управляемого генератора, а выход являе гся выходом устройства, блок автоматической регулировки усиления включен между объединенным вторым входом квадратурного смесителя и выходом входного фильтра, вход которого является входом устройства.

4,Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коммутируемый аналоговый интегратор .содержит аналоговый интегратор, четырехканаль- ный коммутатор и биполярный источник опорного напряжения, причем один из выходов биполярного источника опорного напряжения параллельно подключен к сигнальным входам канала сброса и канала положительного .кванта заряда,

а второй выход биполярного источника

подсоединен к сигнальным входам канала скаш1рования и канала отрицательного кванта заряда к ммутируемого аналогового интегратора, выходы всех четырех каналов коммутатора объединены и соединены с входом аналогового интегратора, выход которого является выходом коммутируемого аналогового интегратора, управляющие входы канала сброса и канала сканирования коммутатора являются управляющими входами коммутируемого аналогового интегратора, а информационными входами коммутируемого аналогового интегратора являются управляющие входы каналов положительного и отрицательного квантов заряда коммутатора.