СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ОБЪЕКТА (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MEASURING RADIAL VELOCITY OF OBJECT (VERSIONS)

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиотехническому способу измерения малой радиальной скорости объекта.
Измерение малой скорости объекта необходимо, например, для обеспечения работы системы безопасной эксплуатации башенных подъемных кранов, устраняющей их самоход за счет ветра или уложенных с уклоном рельс. Кроме того, способ может быть использован для измерения относительного перемещения самолетов в пилотажной группе для обеспечения безаварийности полета в группе.
Известен измеритель радиальной скорости объекта и способ его работы (авт. св. №302677, МПК G01S 13/58, 1969 г.). Измеритель содержит генератор, направленный ответвитель, антенну, циркулятор частотный дискриминатор. Отраженный от объекта сигнал направляется через одно плечо циркулятора на гетеродин, подключенный через другое плечо циркулятора к частотному дискриминатору и одному из входов смесителя, к другому входу которого через направленный ответвитель подключен генератор, при этом частотный дискриминатор и смеситель соединены с измерителем разностной частоты.
Колебания генератора, имеющие частоту W, через основные плечи направленного ответвителя и циркаулятора поступают в приемно-передающую антенну и излучаются в сторону объекта измерения. Отраженные от объекта колебания имеют частоту Wo, которая отличается от частоты генератора W на значение доплеровской частоты Wд.
Wo=W±Wд.
Эти колебания через приемно-передающую антенну и циркулятор проходят в гетеродин, частота которого Wг, под действием отраженных колебания изменяется с частотой Wn, равной разности частот отраженных колебаний и частоты гетеродина:
Wn=Wn-Wг=W±Wд-Wг.
Колебания гетеродина, через циркулятор, поступают в частотный дискриминатор, на его выходе появляются колебания с частотой Wn, которые поступают на первый вход измерителя разностной частоты. Кроме того, колебания гетеродина через циркулятор проходят на один из входов смесителя, на другой вход этого смесителя, через боковое плечо направленного ответвителя, поступают колебания от генератора, в результате чего на выходе смесителя появляются колебания с частотой Wс, равной разности частот генератора и гетеродина:
Wс=W-Wг.
Эти колебания поступают на второй вход измерителя разностной частоты, в котором происходит измерение значения и знака разности Wp поступивших на оба входа:
(W-Wг±Wд)-(W-Wг)=±Wд,
а значение и знак этой разности известным образом преобразуются в значение скорости объекта и ее направление.
Способ сложен при его реализации из-за наличия нескольких преобразований принимаемого сигнала, каждое преобразование вносит погрешности, в результате погрешность измерения частоты будет велика. При измерении малых скоростей объекта, и соответствующих малых частот Доплера, процесс выделения частоты еще более усугубляется и приводит к недопустимо большим погрешностям измерения или даже невозможности ее измерения.
Общими признаками способа аналога и изобретения являются излучение высокочастотного сигнала в направлении объекта и приеме от него сигнала, отраженного в обратном направлении.
Известно устройство и способ его работы для измерения скорости (авт.св. №590687, МПК G01S 13/58, 1976 г.), принято за прототип изобретения. Устройство содержит приемную антенну и последовательно соединенные генератор высокой частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока и блок управления, выход которого соединен с входом генератора высокой частоты, соединенного своим вторым входом с передающей антенной. Выход усилителя постоянного тока соединен с входом блока измерения частоты, частотно-сдвигающий блок, датчик величины опорной частоты и блок вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока измерения частоты.
Сигнал, принятый от подвижного объекта, сдвигают на некоторую опорную частоту foп и соответственно фазу на величину:
ϕоп=t·foп.
Что обеспечивает отставание от фазы генератора на ϕоп:
Ф=ϕ+ϕоп=2π(Fд+foп)·t,
где Fд - частота Доплера принятого сигнала.
Сигнал с такой фазой детектируется фазовым детектором и с его выхода постоянное напряжение таким сигналом с выхода, которого управляющее напряжение усиливается, которое управляет работой частотой генератора высокой частоты по закону:
fг=fo+KЕотр·sin2π(Fд+foп)·t.
Следовательно, частота генератора при облучении объекта, движущегося со скоростью V, изменится на величину:
F=Fд+foп.
Если объект движется от измерителя, F=-Fд+foп, а если на измеритель, то F=Fд+foп.
Способ сложен при его реализации из-за наличия нескольких преобразований принимаемого сигнала, каждое преобразование вносит погрешности, в результате погрешность измерения частоты будет велика. При измерении частоты Доплера и пропорциональной ей скорости процесс выделения такой частоты еще более усугубляется и приводит к недопустимо большим погрешностям измерения или даже невозможности измерения малых скоростей объекта.
Общими признаками способа прототипа и изобретения являются излучение высокочастотного сигнала в направлении объекта и приеме от него отраженного в обратном направлении сигнала.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения радиальной относительной скорости объектов, при которой частота Доплера меньше единиц кГц. Этот результат достигается за счет измерения, в единицу времени или длительности модулирующего по амплитуде прямоугольного импульса, набега фазы сигнала отраженного от объекта в обратном направлении. Кроме того, упрощение способа измерения скорости.
1
2
2
1
На фиг.1 представлена схема, поясняющая процесс измерения скорости по измерению набега фазы, на которой ведены обозначения: ИО - измеряемый объект; ИО1 - положение объекта в момент начала измерения t; ИО2 - положение объект в момент конца измерения t; R - расстояние, пройденное объектом за время измерения (t-t), или длительность импульса, модулирующего по амплитуде высокочастотные колебания генератора; ϕ - набег фазы в отраженном сигнале за время измерения или длительности модулирующего импульса.
На фиг.2 представлена структурная схема возможного измерителя скорости, работающего при облучении объекта монохроматическими колебаниями, на которой введены обозначения: 1 - генератор электрических колебаний высокой частоты (ГВЧ); 2 - передающая антенна (ПА); 3 - приемная антенна (Апр); 4 - выключатель принимаемого сигнала (ВПС); 5 - таймер (ТМ); 6 - измеритель фазы.
Генератор 1 может быть выполнен на клистроне. Выход генератора 1 соединен с входом передающей антенны 2 ПА и опорным входом измерителя фазы 6 ИФ.
Передающая 2 ПА и приемная 3 Апр антенны могут быть выполнены рупорными, выход приемной антенны соединен с входом выключателя 4.
Выключатель 4 принимаемого сигнала ВПС, может быть выполнен в виде ключа на транзисторе, его выход соединен с сигнальным входом измерителя фазы 6.
Таймер 5 ТМ предназначен для задания времени измерения фазы и включения и выключения выключателя 4 принимаемого сигнала ВПС, его выход соединен с входом управляющего сигнала ВПС 4.
Измеритель 6 фазы ИФ предназначен для измерения набега фазы в принимаемом сигнале за время измерения, вход его опорного сигнала соединен с выходом генератора 1. В качестве измерителя фазы может быть применен прибор типа Ф2-34 или прибор, работающий по способу определения разности фаз двух сигналов, авт.св. №2039361.
Теоретические предпосылки изобретения
Набег фазы в отраженном сигнале, за время измерения t скорости объекта или длительности модулирующего импульса, относительно фазы сигнала генератора высокой частоты, определяется, по известной формуле:
где R - относительное перемещение объектов за время t;
λо=c/(F±Fд) - длина волны сигнала, отраженного от движущегося объекта;
с - скорость света;
F - высокая частота сигнала генератора, облучающего объект.
Fд - частота Доплера.
Докажем, что при малой скорости перемещения объекта, частотой Доплера можно пренебречь.
При перемещении объектов с малой скоростью, например, 2 см/сек, частота Доплера, при длине волны облучающего высокочастотного сигнала, равной 3 см, равна:
где λ - длина волны облучающего сигнала.
Частоту 12 Гц практически невозможно выделить из частоты облучающего сигнала 10 ГГц, а значит, и измерить скорость объекта.
В этом примере относительная погрешность измерения частоты отраженного сигнала Fд/F равна 0,0000001% длины волны облучающего сигнала, поэтому с большой точностью λ=λо.
При таком допущении формула (1) может быть переписана в виде:
Из построений, представленных на фиг.1, следует, что за время t измерения относительной скорости объектов, от момента t1 до момента t2 или длительности модулирующего импульса, объект при скорости, равной V, проходит расстояние, равное R:
где t=t2-t1 или длительность модулирующего импульса.
Подставим значение R из формулы (4) в формулу (3), после простых алгебраических преобразований получим формулу, которая математически связывает набег фазы ϕ, измеренный за время t, принимаемого сигнала со скоростью объекта V:
Решим уравнение (5) относительно скорости V, получим окончательную формулу косвенного способа измерения радиальной скорости V объекта по измеренному набегу фазы ϕ за время измерения t:
Описание способ измерения радиальной скорости объекта
Способ измерения радиальной скорости объекта, состоит в облучении, с помощью передающей антенны 2, движущегося объекта ОИ монохроматическим сигналом высокой частоты или модулированным по амплитуде одним прямоугольным импульсом и одновременном приеме, с помощью приемной антенны 3, отраженного от объекта сигнала в обратном направлении.
В отраженном от объекта сигнале, с помощью измерителя 6, измеряют набег фазы, относительно фазы генератора, за время t, а радиальную скорость объекта определяют по формуле:
V=ϕ·λ/4π·t,
где ϕ - набег фазы в отраженном сигнале, за время измерения t радиальной скорости объекта;
λ - длина волны облучающего сигнала;
2
1
t - время измерения набега фазы в отраженном от объекта сигнале, при работе с монохроматическими колебаниями генератора (t=t-t) или длительность модулирующего импульса, при работе с модулированными по амплитуде колебаниями одним прямоугольным импульсом.
Направление движение объекта определяют по знаку набега фазы ±ϕ, плюс, когда объект движется от наблюдателя, минус - к наблюдателю. Примеры определения радиальной скорости объекта по пп.1 и 2 ФИ.
Пример 1. Исходные данные при измерении скорости первого объекта.
Длина волны облучающего сигнала - 0,03 м. Время измерения - 0,1 с. Измеренный набег фазы за время измерения составил π радиан.
Скорость первого объекта равна:
V=ϕ·λ/4π·t=π·0,03 м/4π0,1 с=0,075 м/сек или 0,675 км/час
Пример 2. Исходные данные при измерении скорости второго объекта. Длина волны облучающего сигнала - 0,03 м. Длительность импульса - 0,01 с. Измеренный набег фазы за время измерения составил π/2 радиан.
Скорость второго объекта равна:
V=ϕ·λ/4π·t=π·0,03 м/8π0,01 с=0,375 м/сек или 1,35 км/час.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения радиальной относительной скорости объекта достигнут путем измерения, в единицу времени или за длительность модулирующего по амплитуде прямоугольного импульса, набега фазы сигнала, отраженного от объекта в обратном направлении, и упрощен способ его измерения.
Отличительные признаки изобретения
По п.1 ФИ.
В принимаемом от объекта отраженном сигнале, за время t измеряют набег фазы ϕ, относительно фазы сигнала генератора высокой частоты.
Радиальную скорость объекта V определяют по формуле:
V=ϕ·λ/4π·t,
где ϕ - набег фазы в отраженном сигнале за время измерения t;
λ - длина волны сигнала, облучающего объект;
t - время измерения набега фазы.
Направление движение объекта определяют по знаку набега фазы ±ϕ, плюс, когда объект движется от наблюдателя, минус - к наблюдателю.
По п.2 ФИ.
Высокочастотный сигнал модулируют по амплитуде одним прямоугольным импульсом длительностью t и за время его длительности измеряют набег фазы ϕ, в отраженном сигнале относительно фазы сигнала генератора высокой частоты.
Радиальную скорость объекта V определяют по формуле:
V=ϕ·λ/4π·t,
где ϕ - набег фазы в отраженном сигнале за время длительности импульса t;
λ - длина волны сигнала, облучающего объект;
t - длительность импульса высокочастотного сигнала облучающего объект.