Способ измерения дальности и скорости Советский патент 1992 года по МПК G06K11/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения координат, навигации и связи, в частности, с излучением ультразвуковых сигналов.

Известен способ измерения дальности путем излучения одночастного пакета импульсов, например ультразвуковых сигналов, приема и усиления сигнала, прошедшего через среду формирования огибающей пакета импульсов и вычисления дальности по временной задержки фронта огибающей.

При распространении ультразвуковых сигналов в газовой среде, например в воздухе, этот способ ограничен по точности из- за большого поглощения ультразвука в

газах, которое растет пропорционально квадрату частоту сигнала. Положение огибающей может быть определено, как показывает практика, с точностью одной-двух длин волн сигнала, соответствующего излучаемому пакету импульсов, что делает ошибку порядка 5-10 мм при приемлемых частотах излучения около 30-70 кГц. Дальнейшее повышение частоты резко увеличивает трудности получения удовлетворительного отношения сигнал/шум, что, в свою очередь, ухудшает точность измерения.

Известен способ измерения дальности и скорости объекта, реализованный в устройстве для считывания графической информации, 1утем излучения двухчастотного ультразвукового сигнала, приема и усилеvi

VI 01 VI Ю О

ния сигнала, прошедшего через газовую среду, и определения временной задержки границы раздела частот в принятом сигнале, пропорциональной измеряемой дальности, путем отслеживания этой задержки за счет двойного интегрирования знака рассогласования между действительной задержкой и ее вычисленным значением в текущий момент. Этот способ позволяет определять дальность с точностью порядка 0,1-0,5 мм при измерениях в воздухе на расстояниях 0,5-2 м в процессе движения объекта и мгновенную скорость объекта, интеграл от которой соотвэтствует дальности. Однако этот способ также ограничен по точности и дальнодействию из-за большого поглощения ультразвука в газах, так как при частотах порядка 200-500 кГц и расстоянии между излучателем и приемником более 1 м сигнал, прошедший, например, через воздух, оказывается настолько ослабленным, что известные способы его усиления и обработки не позволяет получить достаточное отношение сигнал-шум. С другой стороны, при использовании в прототипе частот излучения ультразвука порядка 40-60 кГц точность измерения дальности и скорости снижается из-за интерференции прямых и отраженных сигналов и других акустических помех.,

Целью способа является повышение точности и дальнодействия измерения дальности и скорости объекта. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения, включающем излучение сигнала, например, ультразвукового, в виде пакета импульсов с частотами fi и f2, приема и усиления сигнала, прошедшего через среду, непрерывного отслеживания временной задержки границы раздела частот в сигнале и формирования текущих кодов скорости и дальности по временной задержке сигнала, повышают частоты излучаемого сигнала f 1 и h, до соблюдения условия узкополосности сигнала, т.е. | (fi-f2)l/fi(2} 0,1 и большого затухания отраженных сигналов, выбирают третью частоту f так, чтобы было f 1, fo

,.. Islnufeff

T2 для получения сигнала Uo -;-77-г гДе

Sin WQ т

О)о - 2 л f0 , который используют для вычитания третьей частоты fo из исходных частот fi и f2, что производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Uo, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значениям сигнала U0, причем суммируют результаты двух интегрирований с измеьением знака на противоположный у одного из них, получая таким образом сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот, причем

синхронизируют сигнал U0 относительно границы раздела частот в сигнале разностной частоты и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале

0 разностной частоты и скоростью изменения этой задержки.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного

5 тем, что вначале повышают частоту излучаемого сигнала, до большого затухания отраженных сигналов и соблюдения условия узкополосности, затем получают сигнал разностной частоты путем вычитания из ча0 стот fi и fa принимаемого сигнала третьей частоты fo, меньшей fi и f2. Причем формирование сигнала разностной частоты производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответству5 ющих положительным значениям сигнала с частотой f0, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значениям сигнала с частотой f0, суммирования резуль0 татов двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них. В сигнале разностной частоты непрерывно отслеживают границу раздела частот fi-f0 и f2-fo относительной которой синхронизиру5 ют сигнал с частотой f0. Текущие коды дальности и скорости формируют в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменения этой задержки.

0 Таким образом, заявленный способ соответствует критерию изобретения новизна.

На чертеже показана одна из возможных структурных схем устройства, иллюст5 рирующая предлагаемый способ. Устройство содержит блок управления 1, подключенный к нему излучатель сигнала 2 (например, электроакустический преобразователь), последовательно включенные

0 приемник сигнала 3 (электроакустический преобразователь), усилитель 4 высокочастотного сигнала, преобразователь 5 частоты, усилитель 6 низкочастотного сигнала, компаратор 7, дискриминатор 8 границы

5 раздела частот, интегратор 9 скорости, ин- тэгратор 10 дальности. Другие выходы блока управления соединены с соответствующими входами дискриминатора и интеграторов, второй вход преобразователя частоты подключен к

промежуточному выходу интегратора 10, а третий вход дискриминатора - к выходу переполнения интегратора 10 дальности, подключенного также в блоку 8.

Предлагаемый способ измерения дальности и скорости реализован следующим образом, С помощью блока управления формируют пакет импульсов с частотной манипуляцией внутри пакета: например, в первой части пакета импульс с частотой fi, во второй - с частотой f2, причем . Этот сигнал непосредственно (или после усиления) подают на излучатель. Прошедший через среду сигнал обнаруживают с помощь приемника сигнала.

Поскольку частоты излучаемого сигнала выбирают в относительно узкой полосе, т.е. с учетом условия j(fi-f2)j/fi(2) 0,1, примятый высокочастотный сигнал усиливают с помощью резонансного усилителя 4, позволяющего получить малые искажения принятого сигнала и удовлетворительное отношение сигнал/шум. Узкополостность получаемого сигнала позволяет также использовать резонансные свойства излучателя и приемника для повышения эффективности приема сигнала.

Принятый и усиленный высокочастотный сигнал преобразуют по частоте с помощью преобразователя 5. Процесс преобразования заключается в формировании сигнала с разностными частотами Fi fi-f0 и F2 T2-f0 путем интегрирования высокочастотного сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала ft tj/sin Wot, где W0 2 п fо, 1, 2,a также отрицательным значением сигнала Uo и суммирования результатов двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них.

Таким образом, в результате указанных операций на выходе преобразователя частоты получают сигнал в виде радиоимпульса с частотной манипуляцией. Частоты внутри пакета будут ниже излучаемых на частоту fo. но разность между двумя частотами сохранится. Например, если излучают сигнал с частотами 153 и 143 кГц (при этом соблюдают условия узкополостности сигнала (153- 143/153 10/153 0,1), а вычитают частоту кГц, то получают после преобразования частоты.

Fi 153-113 40 кГц

F2 143-113 30 кГц

Этот пример иллюстрирует главное преимущество предлагаемого способа: для излучения используют удобный узкополосный сигнал, из которого, после преобразования, получают широкополосный сигнал низкой частоты также удобный для дальнейшей обработки, в частности, для надежного различения границы раздела частот. Повышение частот излучения вчетверо, по сравнению с прототипом, позволяет ослабить акустические помехи - отраженные сигналы, примерно, в 16 раз. При таком преобразовании фаза преобразованного сигнала

0 будет зависеть как от фазы принятого сигнала с частотой fi(f2), так и от фазы сигнала с частотой fo.

Важным является условие, чтобы при изменении дальности в преобразованном

5 сигнале-радиоимпульсе с частотами Г и Г скорости изменения задержек отдельных импульсов в радиоимпульсе были равны между собой и равны скорости изменения задержки огибающей радиоимпульса. Это

0 условие позволяет выполнить предлагаемая в способе операция-синхронизация сигнала Uo относительно непрерывно отслеживаемой границы раздела частот FI и F2 в сигнале, получаемом после интегрирования

5 указанным образом принятого сигнала и усиления результата интегрирования. Конкретно эту синхронизацию предлагается выполнять следующим образом: брать сигнал с промежуточного выхода интегратора даль0 ности, выполненного в виде динамического двоичного счетчика. При этом не требуется дополнительный формирователь для сигнала Uo. поступающего по указанной на чертеже связи между блоками 10 и 5.

5 Вместе с преобразованием узкополосного сигнала в широкополосный этот метод получения сигнала U0, необходимого для такого преобразования, с сохранением точной информации о дальности и скорости

0 составляют главные особенности предлагаемого способа - неочевидные и полезные. Усилитель 6 производит усиление низкочастотного сигнала в полосе, содержащей частоты FI и F2, а компаратор 7 формирует из

5 усиленного синусоидального сигнала двоичный сигнал с фронтами и срезами, соответствующими по времени моментам, перехода синусоиды через нуль.

Дискриминатор 8, запускаемый импуль0 сом переполнения интегратора 10, на выходе формирует сигнал, соответствующий +1Н, если граница раздела частот FI и F2 в низкочастотном сигнале имеет задержку больше величины, когда этой задержки в

5 интеграторе 10 дальности, и соответствующий -1, если граница частот имеет задержку меныье величины кода задержки. Эти приращения +1 и -1 непрерывно дважды интегрируются с помощью интегратора 9 скорости и интегратора 10 дальности, являющихся динамическими счетчиками с периодами, равными периоду излучения пакетов импульсов. В результате такого интегрирования в интеграторе 9 оказывается код скорости, а в интеграторе 10 - код дальности (с точностью до постоянной величины) при изменении расстояния от излучателя до приемника.

Таким образом, использование предлагаемого способа измерения дальности и скорости позволяет повысить точность и дальнодействие измерительной системы, поскольку при этом в значительной большей степени используются резонансные свойства излучателя и приемника сигнала и облегчается фильтрация сигнала, а также это дает возможность излучать сигнал на значительно более высоких частотах, что позволяет резко снизить влияние на точность отраженных сигналов и прочих акустических помех. Ранее, в известных способах было принято, что для повышения дальнодействия ультразвуковой измерительной системы следует понизить частоту получаемого сигнала, а это приводит неизбежно к снижению точности измерения. В заявленном же способе, напротив, для повышения дальнодействия предлагается повышать частоту излучаемого сигнала, что дает одновременно выигрыш и по точности, и по дальнодействию .

Предлагаемый способ использован при разработке измерительной системы для контроля формы параболических антенн спутников связи в четырехканальной ультразвуковой системе для измерения пространственных координат. Функционирование этой системы подтверждает преимущество предлагаемого способа перед известными по точности и дальнодействию.

Ui

, где . который

Формула изобретения Способ измерения дальности и скоро сти путем излучения сигнала в виде пакетов импульсов с частотами ft и fa, приема и

усиления сигнала, прошедшего через среду, непрерывного отслеживания временной задержки границы раздела частот в сигнале и формирования текущих кодов скорости и дальности по временной задержке сигнала,

отличающийся тем, что, с целью

повышения точности измерения дальности

и скорости, повышают частоты излучаемого

. сигнала fi и fa до соблюдения условия узкополостности сигнала|(ii-f2)|/fi(2) 0,1 и большего затухания отраженных сигналов, выбирают третью частоту так, чтобы было fo fi, fo fa для получения сигнала Islnftfet} sinfflb t

используют для вычитания третьей частоты fo из исходных частот fi и fa, что производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала U0, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значениям сигнала Оо, причем суммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них, получая таким образом сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот, причем синхронизируют сигнал Uo относительно границы раздела частот в сигнале разностной частоты и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменения этой задержки.

Код дальности

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и дальнодействия измерения дальности и скорости. Цель достигается путем повышения частот fi и f2 излучаемого сигнала до соблюдения условия узкополос- ности сигнала и большого затухания отраженных сигналов, формирование сигнала разностной частоты - путем вычитания из исходных частот fi и fz частоты f0. Частота fo выбирается из условия , . Формируют сигнал et)ot|/sln OQ t. Из исходных частот вычитают частоту fo, что производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Uo, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующим отрицательным значениям сигнала Uo. Суммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них, поступал сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменения этой задержки. 1 ил. (Л С