СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ
METHOD FOR MEASURING GROUND SPEED

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости наземных транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
В настоящее время известны радиоволновые способы измерения путевой скорости, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). В отличие от способов, определяющих скорость по частоте вращения колеса, радиоволновые доплеровские способы измерения позволяют определять истинную путевую скорость, которая не зависит от скольжения, движения при повороте и пробуксовывания. Эта информация об истинной скорости относительно поверхности очень важна для правильной работы антиблокировочной системы и других систем управления транспортного средства. Обычно при реализации способа СВЧ радиоволны излучаются вперед и под углом α по направлению движения транспортного средства. Отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны принимаются или этой же антенной или другой приемной антенной. Затем эти волны смешивают в смесителе с частью излучаемых волн и выделяют сигнал разностной частоты. Частота отраженных волн в процессе движения транспортного средства, поступающая на смеситель, будет отличаться от излучаемой частоты СВЧ волн на доплеровскую частоту. Эту частоту, пропорциональную скорости движения будет иметь сигнал, выделяемый на смесителе:
0
0
где λ=c/ƒ - длина излучаемой электромагнитной волны, с - скорость света в воздухе.
Отсюда скорость можно вычислить из уравнения:
i
D
Однако данный классический способ обладает существенным недостатком. Поскольку реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка θ, отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами α-θ/2≤α≤а+θ/2 от подстилающей поверхности Δƒ. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла α можно выразить через уравнение радиолокации:
с
с
с.
0
D
В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θ - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), А(α) - функция распределения ДНА, R(α)=Н/sin(α) - расстояние от фазового центра антенны до точки отражения, Н - высота расположения антенны над поверхностью (см. Фиг. 1). K - константа, определяемая системными параметрами, σ(α) - функция эффективной отражающей поверхности дороги. А(α) имеет максимум при условии равенства α=θ и симметрична относително θ σ(α) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла α, в соответствии с ДНА. Если выполнить подстановку значения α=arccos(λƒ/2V) из (1) в Е(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала S для данной скорости:
D
i
i
В результате имеет место принципиальное смещение между максимумом спектральной плотности и собственно доплеровской частотой ƒ. Кроме этого сам доплеровский сигнал будет иметь существенную стохастическую составляющую из-за случайного характера распределения отражающих свойств по площади отражающей поверхности, а также влияния вибрации и неровностей дороги. Также следует отметить, что вычисление спектра требует времени для накопления данных, что приводит к дискретному измерению скорости. За это время скорость может меняться, поэтому результат измерения будет неточным. На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал записанный за время Т=1 сек. в относительных единицах и Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде по частотам F=π/t, где t - время выборки. Из спектра сигнала видно, что точно определить максимум затруднительно.
D
Чтобы уменьшить влияние этих ошибок, применяют способы с использованием излучения и приема электромагнитных волн из двух антенн под разными углами к поверхности (например, RU 2334995 C1, 27.09.2008). Совместная обработка двух доплеровских сигналов позволяет лишь частично снизить влияние ошибки от наличия спектрального распределения Δƒ. Однако, практически кратное увеличение составных компонентов устройства, реализующего данный способ, соответственно увеличивает и ошибки, вызванные с паразитным просачиванием излучений между антеннами, циркуляторами и другими элементами устройства. Кроме этого повышается стоимость устройства. Точность можно повысить также за счет использования усредняющих и сглаживающих процедур обработки спектра, однако тот факт, что максимум спектральной плотности не соответствует доплеровской частоте (см. Фиг. 1б), не позволяет эффективно использовать и этот подход.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 85), принятый за прототип. Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора СВЧ излучаются под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью. Отраженные волны принимаются антенной и смешиваются с частью излучаемых электромагнитных колебаний. В результате выделяется доплеровский сигнал, а путевая скорость вычисляется по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала.
Недостатком способа являются значительные ошибки в определении путевой скорости, обусловленные измерением доплеровской частоты по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала и дискретным характером измерения. Для использования в навигационных системах, системах безопасности и для экономии расхода топлива требуется точное измерение пройденного пути. Для этого необходимо измерение мгновенной скорости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения путевой скорости наземного транспортного средства.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости, заключающимся в том, что электромагнитные волны излучают вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, принимают отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны, затем эти волны смешивают в первом смесителе с частью излучаемых волн и выделяют первый сигнал разностной частоты, дополнительно к этому отраженные волны пропускают через линию задержки длиной в четверть длины волны электромагнитного колебания, смешивают их на втором смесителе с частью излучаемых волн и выделяют второй сигнал разностной частоты, затем оба сигнала сравнивают по фазе, при этом один из сигналов разностной частоты предварительно пропускают через управляемую линию задержки, с помощью изменения разности фаз этих сигналов управляют линией задержки до совпадения фаз обоих сигналов разностной частоты, по результирующему управляющему сигналу вычисляют время задержки, по которому определяют скорость транспортного средства.
На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал в течение 1 сек, а на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде.
На Фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.
На Фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя I(t) и Q(t), а также измеренное значение мгновенной скорости V(t).
0
Устройство расположено на транспортном средстве и содержит генератор СВЧ 1, направленный ответвитель 2, циркулятор 3, антенну 4, линия задержки на λ/4-5, первый смеситель 6, второй смеситель 7, управляемая линия задержки 8, фазовый детектор 9, вычислительный блок 10 (см. Фиг. 2). Антенна ориентирована под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью 11.
0
0
з
D
Устройство работает следующим образом. От генератора СВЧ сигнал с частотой ƒ поступает через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности. При этом часть сигнала через вспомогательный вывод направленного ответвителя поступает на первые входы двух смесителей, а на вторые его входы поступает СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Однако, если на первый смеситель он приходит напрямую, то на второй вход - после задержки на λ/4, что соответствует сдвигу по фазе на угол 90°. В результате на выходе первого и второго смесителя образуются доплеровские сигналы I(t) и Q(t), также сдвинутые между собой по фазе на 90° (см. фиг. 3). Затем сигнал Q(t) подается прямо на первый вход фазового детектора, а на второй его вход поступает сигнал I(t) через управляемую линию задержки. Фазовый детектор формирует сигнал, который подается на управляющий вход линии задержки и поддерживает состояние равенства фаз сигналов I(t) и Q(t). Этот сигнал управления преобразуется вычислительным блоком в сигнал, соответствующий мгновенной скорости V(t). Это следует из того, что в каждый текущий момент времени управляющее напряжение будет соответствовать времени t равной  периода доплеровской частоты ƒ, тогда равенство (2) можно записать в следующем виде
D
0
з
0
V(t)=cƒ/2cos(α)ƒ=c/8tcos(α)ƒ
По этой формуле вычислительный блок и рассчитывает текущее значение мгновенной скорости от текущего значения времени задержки при выполнении условия равенства фаз I(t) и Q(t).
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за стохастического и асимметричного характера спектра доплеровского сигнала при измерении путевой скорости устраняется, а точность измерения по сравнению с прототипом увеличивается. При этом устраняется дискретность измерения путевой скорости, а путь измеряется прямым интегрированием мгновенного значения скорости.