СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ И РАДИОДАЛЬНОМЕР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЗОНДИРУЮЩИХ РАДИОВОЛН
METHOD OF MEASURING DISTANCE AND RADIO RANGE FINDER WITH FREQUENCY MODULATION OF PROBING RADIO WAVES (VERSIONS)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению расстояния, например, в закрытых резервуарах при измерении уровня жидкости, и основано на принципе радиолокации с частотной модуляцией (ЧМ) зондирующих радиоволн.
R
R
R
и
R
R
R
R
Широко применяется радиолокационный способ измерения расстояния с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе сигнала разностной частоты (СРЧ) при оценке задержки эхо-сигнала τ [1, стр.316-381; 2; 3; 4]. При практическом применении используют цифровой спектральный анализ. Частота F=Ω/2π информационной составляющей СРЧ u (t, τ), при линейном законе ЧМ на интервале Т, связана с задержкой эхо-сигнала τ, с измеряемым расстоянием R и диапазоном частотной модуляции Δf=Δω/2π линейной зависимостью Ω=Δω·τ/T=Δω·2R/(v·T), где v - скорость распространения электромагнитных волн. Однако для сигнала, в спектре которого вблизи полезного слагаемого имеются другие слагаемые, эта линейность нарушается, и точность указанного способа обычно недостаточна для большинства практических применений.
ци
R
Поэтому в способах измерения расстояния, основанных на спектральном анализе цифровых отсчетов СРЧ u(n, τ) (где n=0, …, N-1; N - число отсчетов СРЧ при цифровой обработке), выполняют уточнение результатов измерений на дополнительном этапе обработки СРЧ. В частности, известен способ измерения расстояния радиодальномером с непрерывным излучением частотно-модулированных радиоволн и двухэтапной процедурой обработки сигнала [5]. На первом этапе выполняют грубое оценивание частоты и расстояния с использованием преобразования Фурье. На втором этапе выполняют вычисление сигнальной функции СРЧ C(τ)
,
где W(n) - весовая функция, например весовая функция Кайзера-Бесселя;
ц
0
u(n, τ) - цифровые отсчеты базисной функции с огибающей дискретных отсчетов в виде неискаженного  с единичной амплитудой, варьируемой задержкой сигнала τ, и с заданным значением его фазы φ, а также с известными значениями центральной частоты ω и диапазона частотной модуляции Δω частотно-модулированного радиочастотного сигнала.
Уточнение измеренного расстояния выполняют по времени задержки, соответствующей глобальному максимуму сигнальной функции.
Сигнальная функция имеет осциллирующий характер с огибающей, которая по форме совпадает с формой спектра сигнала. Причем помеха, созданная мешающим объектом, искажает форму огибающей сигнальной функции, но практически не изменяет положений ее локальных максимумов. Если фаза коэффициента отражения от поверхности зондируемого (полезного) объекта определена без погрешности, а уровень помех низкий, то частота и соответствующая ей задержка в области глобального максимума сигнальной функции практически совпадают с частотой и задержкой информационной составляющей СРЧ. Поэтому при измерении расстояния до объекта на фоне помех низкого уровня цитированный двухэтапный способ обеспечивает погрешность измерения, на один-два порядка меньшую, чем одноэтапные способы при использовании для обработки СРЧ преобразования Фурье. Однако при увеличении уровня помех огибающая сигнальной функции искажается, и определить, какой из локальных максимумов соответствует истинному значению расстояния, становится невозможным. Оценка же расстояния по глобальному максимуму при большом уровне помех приводит к тому, что погрешность измерения может быть как меньше, так и больше погрешности измерения с использованием только преобразования Фурье. При плавном изменении расстоянии между мешающим объектом и зондируемым объектом погрешность скачкообразно изменяется на половину длины волны вокруг погрешности одноэтапного способа. Т.о., если уровень помех выше определенного порогового значения, приведенный способ измерения расстояния также не обеспечивает высокую точность измерения из-за ошибок определения локального максимума, который соответствует истинному значению расстояния.
Известен радиолокационный способ измерения расстояния до материала, заполняющего резервуар, со спектральным анализом СРЧ и компенсацией помеховых слагаемых спектра [6, 7]. При этом мешающие слагаемые спектра определяются в процессе калибровки радиодальномера на пустом резервуаре.
Близким по совокупности существенных признаков к заявленному (аналогом) является радиолокационный способ измерения уровня материала в резервуаре радиодальномером с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе СРЧ, учитывающий помеховые слагаемые спектра [8]. Указанный способ включает вычисление спектра СРЧ, вычисление опорного спектра, состоящего из постоянного и варьируемого слагаемых, и вычисление меры отличия спектра СРЧ от опорного спектра. Затем производится изменение параметров варьируемого слагаемого опорного спектра до достижения минимума указанной меры отличия спектров. Параметры постоянного слагаемого опорного спектра определяются при калибровке и хранятся в памяти. Калибровка выполняется на рабочем месте при таком уровне заполнения резервуара, когда радиоволны отражают все мешающие объекты и отсутствует взаимное влияние боковых лепестков слагаемых спектра СРЧ, соответствующих мешающим объектам, и слагаемого спектра СРЧ, соответствующего отражению от зондируемого материала.
Для расчета измеряемого расстояния используют параметры опорного спектра, при которых обнаружен минимум меры отличия.
В трех последних цитированных способах измерения расстояния следовало бы ожидать существенного уменьшения погрешности измерения, так как запись эталонных спектров выполняют на рабочем месте при калибровочном проливе резервуара. Однако в действительности уменьшения погрешности не происходит из-за невозможности точного подбора параметров опорного спектра. Изменение температуры резервуара, его заполнение и др. факторы приводят к значительным деформациям резервуара. Из-за изменений структуры рассеянного поля в резервуаре под влиянием деформации резервуара, а также из-за осаждения на антенне и элементах конструкции резервуара малоподвижных фракций материала зондируемого объекта меняются амплитудные и фазовые соотношения в слагаемых СРЧ и, соответственно, в спектрах. Кроме того, частотную модуляцию генерируемого сигнала всегда сопровождает паразитная амплитудная модуляция (ПАМ), параметры которой меняются, например, при изменении температуры. В результате со временем опорные спектры и сигналы, сохраняемые в памяти, перестают совпадать со спектрами и сигналами, используемыми при измерении.
Следует также учитывать, что существуют помеховые слагаемые в СРЧ и, соответственно, в спектре, которые появляются только при наличии полезного сигнала. Примерами таких мешающих сигналов являются сигналы, образованные высшими типами волн при измерении уровня материала в отводных трубах резервуаров или в направляющих трубах понтонов, а также при проведении измерений вблизи боковой стены резервуара, когда мешающие сигналы возникают из-за эхо-волн из угла, образованного зондируемым материалом и вертикальной стеной резервуара. Задержка таких мешающих сигналов незначительно отличается от задержки полезного сигнала и изменяется в соответствии с изменением измеряемого расстояния. В обоих примерах помеховые составляющие не могут быть выделены из сигнала, т.к. обычно не разрешаются по задержке с полезным сигналом и приводят к погрешности измерений.
Наиболее близким к заявляемому способу (прототип на способ) по совокупности существенных признаков является способ измерения электрофизических параметров зондируемого материала и расстояния до него [9], включающий генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала, выделение из них СРЧ и выделение из него информационной составляющей СРЧ, содержащей информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку информационной составляющей СРЧ, вычисление спектра информационной составляющей СРЧ и вычисление центральной частоты спектра, вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра информационной составляющей СРЧ, формирование эталонного СРЧ и вычисление параметров его спектра, коррекцию измеренного расстояния.
В этом способе из низкочастотных составляющих результирующего сигнала дополнительно выделяют нулевые составляющие, обусловленные паразитным прохождением зондирующего сигнала в приемный тракт, отражением от неоднородностей антенно-волноводного тракта и слоя осадков на антенне, вычисляют спектр нулевых составляющих и вычисляют меру отличия его от эталонного, записанного в условиях отсутствия помех. При превышении мерой отличия спектров контрольного уровня формируют неискаженную низкочастотную составляющую с задержкой, соответствующей центральной частоте спектра выделенной информационной составляющей, и вычисляют сумму спектров, первое слагаемое которой образовано спектром неискаженной составляющей, а второе слагаемое образовано спектром сигнала с амплитудой, равной произведению корректирующего коэффициента на амплитуду измеренных нулевых составляющих и на амплитуду сформированной неискаженной составляющей, фазой, равной нулю, и задержкой, соответствующей разности задержек указанной неискаженной низкочастотной составляющей и нулевой составляющей. Далее сравнивают полученную сумму со спектром выделенной информационной составляющей, изменяют амплитуду, задержку и фазу сформированной неискаженной составляющей до наилучшего совпадения сформированной суммы спектров со спектром выделенной информационной составляющей. За частоту спектра информационной составляющей СРЧ, соответствующую дальности до зондируемого материала, и его фазу принимают центральную частоту и фазу сформированной неискаженной низкочастотной составляющей сигнала при наилучшем совпадении спектров информационной составляющей СРЧ и сформированной суммы.
Цитированный способ реализован устройством (наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности существенных признаков - прототип на устройство), содержащим схему цифровой обработки сигналов, антенно-волноводное устройство, управляемый генератор радиочастотного сигнала, синтезатор частоты с двумя входами и одним выходом, делитель мощности с одним входом и двумя выходами, направленный ответвитель с одним входом и двумя выходами, смеситель с двумя входами и одним выходом, последовательно соединенные два управляемых фильтра, схему предварительной аналоговой обработки, аналого-цифровой преобразователь, схему управления с одним входом и двумя выходами. При этом вход управляемого генератора радиочастотного сигнала соединен с выходом синтезатора частот, входы которого соединены, соответственно, с первым выходом управляемого генератора радиочастотного сигнала и первым выходом схемы цифровой обработки сигналов, а выход управляемого генератора радиочастотного сигнала соединен с последовательно соединенными делителем мощности и направленным ответвителем, первый выход которого соединен с входом антенно-волноводного устройства. Входы смесителя соединены, соответственно, со вторым выходом делителя мощности и со вторым выходом направленного ответвителя, а выход соединен с последовательно соединенными управляемыми фильтрами. Выход второго управляемого фильтра соединен со схемой предварительной аналоговой обработки, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом схемы цифровой обработки сигналов. Вход схемы управления соединен со вторым выходом схемы цифровой обработки сигналов, а два ее выхода соединены со вторыми входами соответствующих управляемых фильтров.
Цитированные способ измерения расстояния и устройство для его осуществления не обеспечивают высокую точность измерения при одновременном влиянии ПАМ и мешающих сигналов, не связанных с неоднородностями антенно-волноводного устройства.
Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения расстояния из-за влияния помех при одновременном искажении сигнала ПАМ.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, включающем генерирование радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции, формирование и излучение радиоволн в направлении зондируемого объекта, выделение части генерируемого радиочастотного сигнала, прием, спустя время распространения, эхо-волн и формирование из них отраженного сигнала, смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала, выделение из них сигнала разностной частоты (СРЧ) и выделение из него информационной составляющей СРЧ, содержащей информацию о дальности до зондируемого объекта, аналоговую обработку информационной составляющей СРЧ, вычисление спектра по цифровым отсчетам информационной составляющей СРЧ и вычисление центральной частоты спектра, вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра информационной составляющей СРЧ, формирование спектра первого эталонного СРЧ, вычисление и запись параметров спектра первого эталонного СРЧ, уточнение измеренного расстояния, с соблюдением следующих условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий. Спектр первого эталонного СРЧ формируют, используя эхо-волны, отраженные эталонным отражателем, с временем задержки меньше минимального времени распространения эхо-волн от зондируемого объекта, а также, используя априорные сведения о комплексном коэффициенте передачи устройства выделения и обработки первого эталонного СРЧ и априорные сведения о комплексном коэффициенте передачи устройства выделения и обработки информационной составляющей СРЧ. Вычисляют меру отличия информационной составляющей СРЧ от первого эталонного СРЧ. При превышении мерой отличия контрольного уровня многократно генерируют второй эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов по известным значениям диапазона частотной модуляции генерируемого радиочастотного сигнала и его центральной частоты, а также по заданным значениям времени задержки, амплитуды и фазы, вычисляют результирующий сигнал суммы информационной составляющей СРЧ и второго эталонного сигнала, вычисляют результирующий спектр суммы спектра информационной составляющей СРЧ со спектром второго эталонного сигнала, вычисляют меру отличия результирующего сигнала от первого эталонного СРЧ, изменяют задержку и амплитуду второго эталонного сигнала до получения наименьшего значения меры отличия, а результирующие спектр и сигнал, при котором обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния.
Спектр первого эталонного СРЧ формируют путем выделения эталонной составляющей СРЧ, соответствующей дальности до эталонного отражателя, вычисления спектра цифровых отсчетов этой составляющей, умножения вычисленного спектра на отношение комплексного коэффициента передачи устройства выделения и обработки информационной составляющей СРЧ радиодальномера, определенного для вычисленного расстояния до зондируемого объекта, к комплексному коэффициенту передачи устройства выделения и обработки эталонной составляющей СРЧ радиодальномера.
Целесообразно в качестве эталонного отражателя использовать одиночную неоднородность в антенно-волноводном устройстве, при этом указанная неоднородность должна быть удалена от соседних неоднородностей в антенно-волноводном устройстве более чем на удвоенную разрешающую способность радиодальномера.
Предпочтительно в качестве эталонного отражателя использовать кромку раскрыва апертурной антенны, например кромку осесимметричной конической рупорной антенны, при этом фильтрацией выделяют эталонную составляющую СРЧ, соответствующую дальности до указанного раскрыва.
Формирование спектра первого эталонного СРЧ выполняют в условиях влияния мешающих слагаемых ниже контрольного уровня.
Второй эталонный сигнал генерируют в форме цифровых отсчетов с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала, который соответствует сигналу разностной частоты, не искаженному помехами и паразитной амплитудной модуляцией, с частотой, определенной заданным временем задержки, отличной от центральной частоты основного лепестка спектра информационной составляющей СРЧ менее чем на половину ширины основного лепестка спектра информационной составляющей СРЧ.
Меру отличия информационной составляющей СРЧ от первого эталонного СРЧ вычисляют по параметрам спектров как сумму слагаемых с заданными весовыми коэффициентами, включающую: модуль разности ширины основного лепестка спектра первого эталонного СРЧ и ширины основного лепестка результирующего спектра, модуль разности коэффициентов асимметрии основных лепестков спектра первого эталонного СРЧ и результирующего спектра, модуль разности фазовых спектров первого эталонного СРЧ и результирующего спектра и их производных низших порядков на центральных частотах спектра первого эталонного СРЧ и результирующего спектра.
Целесообразно, при минимуме меры отличия, дополнительно вычислять сигнальную функцию результирующего сигнала с базисной функцией в виде неискаженного СРЧ с варьируемой задержкой отраженного сигнала и с заданным значением его фазы, а также с известными значениями центральной частоты и диапазона частотной модуляции частотно-модулированного радиочастотного сигнала и уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.
Возможно меру отличия вычислять по отличию спектра результирующей сигнальной функции, нормированного к своему максимальному значению, от спектра сигнальной функции первого эталонного СРЧ, нормированного к своему максимальному значению. При этом спектр сигнальной функции первого эталонного СРЧ вычисляют, используя отсчеты сигнала, вычисленные обратным преобразованием Фурье цифровых отсчетов основного лепестка и ближайших боковых лепестков спектра первого эталонного СРЧ.
Технический результат достигается также тем, что в радиодальномере с частотной модуляцией зондирующих радиоволн, содержащем: управляемый генератор радиочастотного сигнала с одним входом и двумя выходами, схему цифровой обработки сигналов, антенно-волноводное устройство, делитель мощности с одним входом и двумя выходами, направленный ответвитель с одним входом и двумя выходами, смеситель с двумя входами и одним выходом, синтезатор частоты с одним выходом, соединенным с входом управляемого генератора радиочастотного сигнала, и двумя входами, соединенными с первыми выходами, соответственно, схемы цифровой обработки сигналов и управляемого генератора радиочастотного сигнала, второй выход которого соединен с последовательно соединенными делителем мощности и направленным ответвителем, первый выход которого соединен с антенно-волноводным устройством, а вторые выходы делителя мощности и направленного ответвителя соединены, соответственно, с первым и вторым входами смесителя, выход которого соединен с последовательно соединенными фильтром, схемой предварительной аналоговой обработки и аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с первым входом схемы цифровой обработки сигналов, а второй вход аналого-цифрового преобразователя соединен со вторым выходом схемы цифровой обработки сигналов, один из выходов которой является информационным выходом радиодальномера, дополнительно введены второй выход фильтра, вторая схема предварительной аналоговой обработки и второй аналого-цифровой преобразователь. Причем второй выход фильтра соединен с последовательно соединенными второй схемой предварительной аналоговой обработки и вторым аналого-цифровым преобразователем, выход и второй вход которого соединены, соответственно, со вторым входом и третьим выходом схемы цифровой обработки сигналов, а антенно-волноводное устройство выполнено с однородными участками, электрическая длина, по меньшей мере, одного из которых, по меньшей мере, вдвое превышает разрешаемое радиодальномером расстояние.
Целесообразно антенну антенно-волноводного устройства выполнить в виде осесимметричного конического рупора с осевой длиной, не менее удвоенной разрешающей способности радиодальномера по дальности, и с кромкой раскрыва, выполненной в плоскости, нормальной к его оси.
Целесообразно фильтр выполнить в виде фильтра верхних частот и полосового фильтра, параллельно соединенных своими входами, при этом выход фильтра верхних частот соединен с последовательно соединенными схемой предварительно аналоговой обработки и аналого-цифровым преобразователем, а выход полосового фильтра соединен с последовательно соединенными второй схемой предварительной аналоговой обработки и вторым аналого-цифровым преобразованием.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипов способа и устройства позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемых объектах, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемых способа и устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Сопоставление признаков известного и предлагаемого способов для анализа изобретательского уровня показывает существенное различие условий, режимов осуществления действий над электрическими сигналами (как континуальными, так и в виде цифровых отсчетов), которые характеризуются амплитудой, частотой и фазой.
В прототипе эталонный сигнал формируют из отрезка гармонического слагаемого, генерируемого с заданной амплитудой, частотой и фазой, и слагаемого, аналогичного "виртуальным отражателям", так, чтобы спектр сформированного сигнала совпадал по положению (частоте), форме и амплитуде со слагаемым спектра информационной составляющей СРЧ. Основное действие - оценку частоты выполняют по известной частоте генерируемого отрезка гармонического эталонного сигнала (в тексте прототипа - "неискаженной низкочастотной составляющей с задержкой, соответствующей центральной частоте спектра, выделенной информационной составляющей") при наилучшем совпадении спектров информационной составляющей и сформированной суммы. Из этого следует, что известный способ не может быть осуществлен при наличии помех.
В предлагаемом способе генерируемый второй эталонный сигнал варьируют по задержке (частоте) и амплитуде т.о., чтобы снизить искажения спектра информационной составляющей СРЧ, вызванные помехами, которых может быть несколько. Причем ни по задержке (частоте), ни по амплитуде, ни по фазе генерируемый второй эталонный сигнал не может совпадать с информационной составляющей СРЧ. А точную оценку частоты выполняют по результирующему сигналу после его коррекции, когда искажения его спектра наименьшие. При этом для определения результатов коррекции формируют спектр первого эталонного СРЧ, параметры которого совпадают с параметрами спектра зондируемого объекта, когда он не искажен помехами и, следовательно, его центральная частота определена точно.
Кроме того, условия и режимы осуществления совокупности действий взаимосвязаны с размерами антенно-волноводного устройства радиодальномера, т.к. разрешаемое расстояние радиодальномером определяется диапазоном частотной модуляции, а антенно-волноводное устройство должно быть выполнено с однородными участками, электрическая длина, по меньшей мере, одного из которых, по меньшей мере, вдвое превышает разрешаемое расстояние.
Эти отличия приводят к появлению качественно новых свойств заявленных способа и устройства - возможности точного измерения расстоянии при наличии нескольких мешающих объектов и искажении сигналов ПАМ.
Сущность предлагаемого способа поясняется графиками, изображенными на фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.5, а также с помощью устройства, схематично изображенного на фиг.4.
На фиг.1 приведена зависимость погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта от расстояния в длинах волн между зондируемым объектом и одиночным мешающим объектом. На фиг.2 приведены зависимости погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта от задержки второго эталонного сигнала при наличии двух мешающих объектов. На фиг.3 приведена зависимость меры отличия от задержки второго эталонного сигнала при зондировании полезного объекта и при наличии двух мешающих объектов. На фиг.5 приведены зависимости погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта при наличии двух мешающих объектов для прототипа и для предлагаемого способа.
Сущность способа в том, что смещение центральной частоты спектра из-за влияния помех, созданных мешающими объектами, может быть снижено при введении дополнительного сигнала. Радиолокационный способ измерения расстояния, основанный на спектральном анализе, обеспечивает высокую точность измерений в условиях отсутствия мешающих объектов и искажений СРЧ. Наличие одиночного мешающего объекта приводит к погрешности измерения, зависимость которой от расстояния между мешающим и зондируемым объектами носит колебательный характер (фиг.1) вокруг нулевого значения (когда расстояние измеряется без погрешности) с периодом колебаний, равным половине средней длины радиоволны, и изменяющейся амплитудой колебаний. На фиг.1 приведена зависимость погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта от расстояния в длинах волн между зондируемым объектом и одиночным мешающим объектом, создающим помеховый сигнал с амплитудой 0,1 от полезного. Диапазон ЧМ Δf=1 ГГц, центральная частота диапазона модуляции 10 ГГц. Если же СРЧ образован полезным зондируемым объектом и несколькими мешающими объектами, то каждый мешающий объект независимо от наличия других объектов приводит к погрешности измерения. Полное значение погрешности зависит от соотношения амплитуд полезного и мешающих слагаемых, фазовых соотношений, распределения по дальности мешающих объектов, а также от величины ПАМ и других искажений сигнала. При неизменной помеховой обстановке и неизменном расстоянии до зондируемого объекта погрешность измерения расстояния неизменна.
Суммирование информационной составляющей СРЧ с генерируемым эталонным сигналом (вторым эталонным сигналом, с заданными значениями времени задержки, амплитуды, фазы, несущей частоты и девиации частоты частотно-модулированного сигнала, у которого параметры аналогичны параметрам СРЧ неискаженного помехами) и изменение задержки этого эталонного сигнала приводят к тому, что зависимость измеряемого расстояния до зондируемого объекта от задержки эталонного сигнала и, соответственно, погрешность измерения также будут носить колебательный характер, но вокруг значения погрешности из-за помех (фиг.2). На фиг.2 приведены зависимости погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта, удаленного на расстояние 3 метра от радиодальномера, от задержки второго эталонного сигнала при наличии двух мешающих объектов, удаленных от радиодальномера, соответственно, на 3,0375; 3,077 метров и создающих помеховые сигналы с амплитудой 0,1 от полезного. Зависимость результирующей погрешности измерения от задержки второго эталонного сигнала, изображенная сплошной линией, соответствует амплитуде второго эталонного сигнала, равного 0,158 от полезного. При определенном значении амплитуды второго эталонного сигнала зависимость результирующей погрешности измерения расстояния от задержки второго эталонного сигнала достигает нулевого значения (на фиг.2 точка 1 на зависимости результирующей погрешности от задержки второго эталонного сигнала).
Увеличение амплитуды второго эталонного сигнала приводит к тому, что нулевые значения погрешности измерения могут быть получены при нескольких значениях задержки второго эталонного сигнала (на фиг.2 пунктирная зависимость на результирующей погрешности от задержки второго эталонного сигнала).
Очевидно, что одним отрезком гармонического слагаемого нельзя компенсировать несколько помеховых слагаемых. Однако в точке 1 происходит полная компенсация погрешности, при этом задержка второго эталонного сигнала и остальные его параметры не совпадают с параметрами помех, но параметры результирующего спектра становятся близки к параметрам спектра первого эталонного сигнала. Также близкими между собой становятся нормированные спектры сигнальной функции первого эталонного сигнала и сигнальной функции информационной составляющей СРЧ. Соответственно, мера отличия в обоих случаях близка к минимальной.
Зависимость меры отличия от задержки второго эталонного сигнала также носит колебательный характер. На фиг.3 приведен пример зависимости меры отличия от задержки второго эталонного сигнала относительно задержки полезного сигнала при наличии двух мешающих объектов. Условия измерений соответствуют приведенным для фиг.2. Изменение амплитуды второго эталонного сигнала приводит к изменению амплитуды колебаний меры отличия. Подбор задержки второго эталонного сигнала и его амплитуды позволяют находить глобальный минимум меры отличия, при котором погрешность измерения расстоянии также близка к минимуму. Снижение погрешности обусловлено снижением искажений спектра и сигнальной функции из-за влияния помех. В свою очередь, снижение искажений сигнальной функции исключает ошибку определения максимума сигнальной функции, который соответствует истинному значению расстояния, что позволяет выполнять точное измерение.
Радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн (фиг.4) содержит: управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 2 с одним входом и двумя выходами; схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 3 с четырьмя выходами и двумя входами; антенно-волноводное устройство (АВУ) 4; делитель мощности (ДМ) 5 с одним входом и двумя выходами; направленный ответвитель (НО) 6 с одним входом и двумя выходами; смеситель 7 с двумя входами и одним выходом; синтезатор частоты (СЧ) 8 с одним выходом и двумя входами; фильтр 9 с одним входом и двумя выходами; первую схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 10; первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 с двумя входами и одним выходом; вторую СПАО 12 и второй АЦП 13.
Выход СЧ 8 соединен с входом УГРС 2. Входы СЧ 8 соединены, соответственно, с первым выходом УГРС 2 и с первым выходом СЦОС 3. Выход УГРС 2 соединен с последовательно соединенными ДМ 5 и НО 6, а первый выход НО 6 соединен с АВУ 4. Вторые выходы ДМ 5 и НО 6 соединены, соответственно, с первым и вторым входами смесителя 7, выход которого соединен с входом фильтра 9. Первый выход фильтра 9 соединен с последовательно соединенными СПАО 10 и АЦП 11, а выход АЦП 11 и его второй вход соединены, соответственно, с первым входом и вторым выходом СЦОС 3. Второй выход фильтра 9 соединен с последовательно соединенными СПАО 12 и АЦП 13, а выход АЦП 13 и его второй вход соединены, соответственно, со вторым входом и третьим выходом СЦОС 3. Четвертый выход СЦОС 2 является информационным выходом радиодальномера.
Антенна АВУ 4 выполнена в виде осесимметричного конического рупора с осевой длиной, не менее удвоенной разрешающей способности радиодальномера по дальности, при этом кромка раскрыва рупора выполнена в плоскости, нормальной к его оси.
Фильтр 9 может быть выполнен в виде широко известных [10, стр.93-129] фильтра верхних частот и полосового фильтра, параллельно соединенных своими входами, выделяющих, соответственно, информационную составляющую СРЧ и эталонную составляющую СРЧ.
Практическая реализация устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами «ANALOG DEVICES», «MOTOROLA», «MICRONETICS», «PEREGRINE» и др.
Способ измерения расстояния осуществляют с помощью радиодальномера с частотной модуляцией зондирующих радиоволн следующим образом.
и
R
и
R
Часть генерируемого радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в виде последовательности радиочастотных сигналов, известные дискретные частоты в которой эквидистантно распределены по диапазону частотной модуляции, от УГРС 2 (фиг.4), управляемого СЧ 8, через ДМ 5 и НО 6 поступает в антенну АВУ 4, которая формирует направленное излучение в направлении зондируемого объекта. После отражения от поверхности зондируемого объекта эхо-волны принимаются антенной АВУ 4 и преобразуются в отраженный сигнал, который через НО 6 поступает на второй вход смесителя 7. В качестве гетеродинного используют выделенную ДМ 5 часть генерируемого сигнала. Выходной сигнал смесителя фильтруется фильтром 9 и с первого выхода поступает на вход СПАО 10, где обрабатывается путем заданного усиления и дополнительного подавления высокочастотных составляющих. В результате выделяются низкочастотные составляющие результирующего сигнала, из которых выделяется информационная составляющая СРЧ u(t, τ), содержащая информацию о дальности до зондируемого объекта. Информационную составляющую СРЧ u(t, τ) используют для расчета расстояния. При этом в ней могут присутствовать также помеховые составляющие, созданные мешающими объектами, которые приводят к погрешности измерения.
э
A
На втором выходе фильтра 9 выделяется эталонная составляющая СРЧ u(t, τ), соответствующая дальности до эталонного отражателя, в качестве которого может быть использована, в частности, одиночная неоднородность в антенно-волноводном устройстве. Указанная неоднородность должна быть удалена от соседних неоднородностей в антенно-волноводном устройстве более чем на удвоенную разрешающую способность радиодальномера. В качестве эталонного отражателя предпочтительно использовать кромку раскрыва конической рупорной антенны, при применении последней в радиодальномере. Это объясняется тем, что комплексный коэффициент отражения радиоволн от раскрыва диаметром несколько длин волн практически не зависит от частоты [11, стр.122-142], так же как комплексный коэффициент отражения радиоволн от зондируемой поверхности жидкости в резервуаре при нормальном падении радиоволн.
и
R
э
R
Выделенная информационная составляющая СРЧ u(t, τ) через АЦП 11 поступает на первый вход СЦОС 3. А эталонная составляющая СРЧ u(t, τ) со второго выхода фильтра 9 через вторую СПАО 12 и второй АЦП 13 поступает на второй вход СЦОС 3. С применением СЦОС 3 выполняют все действия над составляющими СРЧ, управляют синтезатором СЧ 8 заданием кодов дискретных частот и синхронизируют работу АЦП 11 и АЦП 13.
ци
R
и
R
и
R
и
R
По цифровым отсчетам u(n, τ) (где n=0, …, N-1; N - число отсчетов) информационной составляющей СРЧ u(t, τ) с помощью СЦОС 3 вычисляют спектр S(τ), вычисляют центральную частоту спектра, например, по частоте максимума спектра, вычисляют и записывают в память СЦОС 3 расстояние по известным скорости распространения радиоволн и центральной частоте спектра. Этот спектр искажен частотной зависимостью комплексного коэффициента передачи  устройства выделения и обработки информационной составляющей u(t, τ) СРЧ радиодальномера (фильтром 9 и СПАО 10) и его форма зависит не только от наличия помех, но и от измеряемого расстояния.
и
R
При вычислении меры отличия по параметрам спектра вычисляют и записывают в память СЦОС 3 параметры спектра S(τ) (ширину основного лепестка, коэффициент асимметрии, фазу и величины производных фазовых спектров низших порядков на центральной частоте спектра).
цэ
A
э
A
э
A
э
A
э
A
цэ
A
э0
A
и
R
э0
A
цijkэ
iэ
ijkэ
iэ
0
iэ
jэ
kэ
рез
R
и
R
ijkэ
iэ
и
R
ijkэ
iэ
цijkэ
iэ
iэ
jэ
kэ
iэ
jэ
ijkэ
iэ
црез
R
ци
R
цijkэ
iэ
По цифровым отсчетам u(n, τ) (n=0, …, N-1.) эталонной составляющей СРЧ u(t, τ) с помощью СЦОС 3, используя прямое преобразование Фурье, вычисляют спектр S(τ). Этот спектр искажен частотной зависимостью комплексного коэффициента передачи  устройства выделения и обработки эталонной составляющей u(t, τ) СРЧ радиодальномера (фильтром 9 и СПАО 12). Используя записанные в памяти СЦОС 3, априорные сведения о комплексном коэффициенте передачи устройства выделения и обработки информационной составляющей СРЧ радиодальномера (фильтра 9 и СПАО 10) и априорные сведения о частотной зависимости комплексного коэффициента передачи устройства выделения и обработки эталонной составляющей СРЧ радиодальномера (фильтра 9 и СПАО 12), умножают вычисленный спектр S(τ) цифровых отсчетов u(n, τ) на отношение комплексного коэффициента передачи устройства выделения и обработки информационной составляющей СРЧ радиодальномера, определенного для вычисленного расстояния до зондируемого объекта, к комплексному коэффициенту передачи устройства выделения и обработки эталонной составляющей СРЧ радиодальномера. В результате получают спектр первого эталонного сигнала , который используют для вычисления меры отличия. Этот спектр аналогичен спектру сигнала, полученному в условиях отсутствия неразрешаемых помех при зондировании одиночного отражателя. При этом в нем учитываются искажения как за счет ПАМ, так и за счет частотной зависимости комплексного коэффициента передачи устройства выделения и обработки информационной составляющей СРЧ радиодальномера. Используя спектр первого эталонного сигнала S(τ), вычисляют его параметры (ширину основного лепестка, коэффициент асимметрии, фазу и величины производных низших порядков фазового спектра на центральной частоте спектра) и записывают в память СЦОС 3. Затем, используя записанные в памяти СЦОС 3 параметры спектра S(τ) и параметры спектра S(τ), вычисляют меру их отличия. При превышении мерой отличия контрольного уровня с помощью СЦОС 3 многократно генерируют второй эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов u(n, τ) (n=0, …, N-1.) с огибающей дискретных отсчетов в виде отрезка гармонического сигнала  со спектром S(τ), который соответствует спектру СРЧ, неискаженному помехами и ПАМ. Второй эталонный сигнал генерируют по известным значениям диапазона частотной модуляции Δω генерируемого радиочастотного сигнала и его центральной частоты ω, а также по заданным значениям времени задержки τ отраженного сигнала, амплитуды U и фазы φ. Вычисляют результирующий спектр S(τ)=[S(τ)+S(τ)] суммы спектра S(τ) со спектром S(τ) цифровых отсчетов u(n, τ) второго эталонного сигнала, вычисляют его параметры, вычисляют и записывают в память СЦОС 3 меру отличия параметров результирующего спектра от записанных в память СЦОС 3 параметров первого эталонного спектра и записывают также заданные значения времени задержки τ, амплитуды U и фазы φ, соответствующие указанной мере отличия. Многократным изменением времени задержки τ и амплитуды U второго эталонного сигнала u(n, τ) изменяют его форму до получения наименьшего значения меры отличия, а результирующие спектр и сигнал u(n, τ)=[u(n, τ)+u(n, τ), при которых обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния.
При использовании эталонного отражателя с частотно-зависимым коэффициентом отражения радиоволн и при зондировании объекта с частотно-зависимым коэффициентом отражения радиоволн получают априорные сведения об этих коэффициентах отражения, записывают их в память СЦОС 3 и используют при формировании эталонного сигнала.
iэ
ijkэ
iэ
ци
R
Время задержки второго эталонного сигнала τ задают таким, чтобы центральная частота спектра S(τ) цифровых отсчетов второго эталонного сигнала отличалась от центральной частоты основного лепестка спектра цифровых отсчетов u(n, τ) информационной составляющей СРЧ менее чем на половину ширины основного лепестка указанного спектра.
э0
A
рез
R
Меру отличия параметров спектров вычисляют как сумму слагаемых с заданными весовыми коэффициентами, включающую: модуль разности ширины основного лепестка спектра первого эталонного сигнала S(τ) и ширины основного лепестка результирующего спектра S(τ), модуль разности коэффициентов асимметрии основных лепестков спектра первого эталонного сигнала и результирующего спектра, модуль разности фазовых спектров первого эталонного сигнала и результирующего спектра и их производных низших порядков на центральных частотах спектра первого эталонного сигнала и результирующего спектра, при этом фазовые спектры определяют с учетом измеренного расстояния до зондируемого объекта и предварительно измеренной и записанной в памяти СЦОС 3 фазовой характеристики радиодальномера.
рез
црез
R
При минимуме меры отличия целесообразно дополнительно вычислять сигнальную функцию C(τ) результирующего сигнала u(n, τ)
,
ц
0
где u(n, τ) - цифровые отсчеты базисной функции с огибающей дискретных отсчетов в виде неискаженного  с варьируемой задержкой отраженного сигнала τ и с заданным значением его фазы φ, а также с известными значениями центральной частоты ω и диапазона частотной модуляции Δω частотно-модулированного радиочастотного сигнала;
W(n) - весовая функция, например весовая функция Кайзера-Бесселя;
и уточнять измеренное расстояние по времени задержки, соответствующему глобальному максимуму сигнальной функции.
э0
A
цэ0
A
сэ
n
сэн
n
При вычислении меры отличия по спектрам сигнальных функций, используя спектр первого эталонного сигнала S(τ) и используя обратное преобразование Фурье, вычисляют цифровые отсчеты первого эталонного сигнала u(n, τ). Затем вычисляют эталонную сигнальную функцию , вычисляют спектр S(τ) полученной эталонной сигнальной функции, нормируют его к максимальному значению и записывают нормированные отсчеты S(τ) в память СЦОС 3.
ци
R
си
n
си
n
цijkэ
iэ
црез
R
iэ
jэ
kэ
iэ
iэ
цijkэ
iэ
Затем, используя цифровые отсчеты информационной составляющей СРЧ u(n,τ), вычисляют сигнальную функцию  информационной составляющей СРЧ, вычисляют спектр S(τ) полученной сигнальной функции, нормируют его к максимальному значению и записывают нормированные отсчеты S(τ) в память СЦОС 3. Используя нормированные спектры сигнальных функций первого эталонного сигнала и информационной составляющей СРЧ, вычисляют меру их отличия. При превышении мерой отличия контрольного уровня с помощью СЦОС 3 многократно генерируют второй эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов u(n, τ), вычисляют цифровые отсчеты результирующего сигнала u(n, τ) и вычисляют результирующую сигнальную функцию результирующего сигнала. Затем вычисляют спектр результирующей сигнальной функции, нормируют его к максимальному значению, вычисляют и записывают в память СЦОС 3 меру отличия спектра результирующей сигнальной функции от записанного в память СЦОС 3 спектра сигнальной функции первого эталонного сигнала и записывают также заданные значения времени задержки τ, амплитуды U и фазы φ, соответствующие указанной мере отличия. Многократным изменением задержки τ и амплитуды U второго эталонного сигнала u(n, τ) изменяют его форму до получения наименьшего значения меры отличия, а результирующий сигнал, при котором обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете точного значения расстояния.
В качестве меры отличия нормированных спектров от сигнальных может использоваться любая математическая метрика, используемая для оценки различия двух функций. Например, Эвклидова метрика [12] ρ:
,
где N - общее число дискретных частот в спектре сигнальной функции.
С четвертого выхода СЦОС 3 результат вычисления точного расстояния поступает на выход устройства.
На фиг.5 толстой линией 14 показана зависимость погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта, перемещаемого в пределах 2,85…3,15 метров, при наличии двух мешающих объектов, удаленных от радиодальномера, соответственно, на 3,0375; 3,077 метров и создающих помеховые сигналы с амплитудой 0,1 от полезного, полученная в результате осуществления способа. Тонкой линией 15 показана зависимость погрешности измеренного расстояния при измерении известным способом (прототипом). Из чертежа следует, что при наличии помех осуществление способа приводит к снижению максимальных значений погрешности от 5 до 60 раз.
Источники информации
1. Виницкий А.С. «Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн» М.: «Советское радио», 1961.
2. Патент США №5546088 13.08.1996.
3. Патент США №6107957 22.08.2000.
4. Патент США №5504490 A, G01S 13/08 от 02.04.1996.
5. Давыдочкин В.М., Паршин B.C. Измерение расстояния уровнемером с частотной модуляцией излучаемого сигнала при наличии мешающих отражений малой интенсивности. // Труды Российского НТО РЭС им. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. 8-я Международная конференция Вып. VIII - 2. Москва. 2006. С.530-533.
6. Brumbi D. Fundamentals of Radar Technology for Level Gauging. 3-rd Revision, Krohne Messtechnik, Duisburg. 1999.
7. Bruimbi D. Low power FMCW radar system for level gauging // 2000 IEEE MTT-S International microwave symposium digest, vol.3, 2000. P.1559-1562.
8. Патент РФ №2244268, МКИ G01F 23/28, G01S 13/08. Заявл. 04.03.2003 г.; №2003105994; Опубл. 10.01.2005 г. Бюл. №1. Способ измерения уровня материала в резервуаре. Б.А.Атаянц,, В.В.Езерский, В.С.Паршин.
9. Патент 2234688 РФ, МКИ G01F 23/28, G01N 27/26. Способ измерения электрофизических параметров зондируемого материала и расстояния до него (варианты), устройство для его осуществления и способ калибровки этого устройства / Б.А.Атаянц, В.М.Давыдочкин, В.В.Езерский, В.А.Пронин. №2003101694/09; Заявл. 23.01.2003; Опубл. 20.08.2004, Бюл. №23.
10. А.Дж.Пейтон, В.Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. (Пер. с англ.): М.: БИНОМ, 1994. 352 с.
11. Вайнштейн Л.А. Теория диффракции и метод факторизации. М.: Советское радио. 1966. 431 с.
12. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Методы распознавания. Уч. пособие для ВУЗов: М.: Высш. Школа., 1977 г., 208 с.