ЦИФРОВОЙ СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКОРОСТИ

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для обработки сигналов лазерных доплеровских измерителей скорости потоков жидкости и газов.
Известны следящие электронные системы с автоподстройкой частоты (1. В.П.Коронкевич, B.C.Соболев, Ю.Н.Дубнищев. Лазерная интерферометрия. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1983;
2. В.Л.Клочков, Л.Ф.Козлов, И.В.Потыкевич, М.С.Соскин. Лазерная анемометрия, дистанционная спектрометрия и интерферометрия. Справочник. Наукова думка, Киев, 1981; 3. Авторское свидетельство СССР, №822069, G01R 23/48, от 26.07.79, Бюл. №14, 1981), содержащие последовательно соединенные смеситель, вход которого является входом устройства, усилитель промежуточной частоты, ограничитель, частотный детектор, интегрирующий RC-фильтр, усилитель постоянного тока и генератор управляемой частоты, выход которого подключен ко второму входу смесителя и к цифровому частотомеру. Такие системы имеют ограниченное быстродействие и высокие статическую и динамическую погрешности измерения частоты.
Известны также следящие системы обработки сигналов доплеровского измерителя скорости (4. Т, Дюрани, К.Грейеид. Лазерные системы в гидродинамических измерениях. Plenum Press, 1977. Перевод на русский язык. Энергия, 1980.) Они содержат два квадратурных канала измерения, состоящие из последовательно соединенных смесителя, фильтра низких частот разностной частоты и блока дифференцирования. Первые входы смесителей являются входами устройства, а вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного управляемого генератора частоты. Следящая система содержит также два умножителя, выходы которых подключены к сумматору, а первый вход каждого из умножителей подключен соответственно к выходу блока дифференцирования своего канала, а второй вход соединен с входом блока дифференцирования противоположного канала. Сумматор подключен к интегратору, выход которого подключен к входу квадратурного генератора.
Известна также следящая система (фильтр-процессор) комплексной огибающей доплеровского сигнала с цифровой коррекцией результата измерения доплеровской частоты (5. Патент РФ №2346292. Опубл. 10.02.09.), содержащая смеситель, на один из входов которого поступает сигнал доплеровской частоты, а на другой вход поступает комплексный сигнал с генератора управляемой частоты. Выход смесителя подключен к узкополосному фильтру низких частот. В состав следящего процессора входит также блок оценки фазы, амплитуды и знака сигнала разностной частоты, доплеровского сигнала и управляемого генератора, который входом подключен к выходу фильтра низких частот, а выходом к асинхронному дельта-модулятору. Асинхронный дельта-модулятор подключен к измерителю интервалов времени и сумматору. Выход сумматора подключен к генератору управляемой частоты и первому входу микропроцессора, второй вход которого соединен с измерителем интервалов времени. С помощью дельта-модулятора формируется знаковая импульсная последовательность приращений фазы знаковой частоты. Выход дельта модулятора соединен с сумматором, где формируется код управления частотой генератора. Таким образом, замыкается цепь обратной связи и генератор управляемой частоты следит за частотой доплеровского сигнала. Для того, чтобы повысить точность измерения, введена цепь коррекции показаний следящего фильтра. Результат измерения доплеровской частоты формируется в микропроцессоре как сумма кода управления генератора управляемой частоты и кода частотной ошибки соответствующей измеренному временному интервалу между импульсами последовательности, формируемой дельта модулятором.
Указанные следящие системы измерения частоты доплеровского сигнала, не имеют статической ошибки, а динамическая ошибка измерения частоты существенно меньше благодаря непрерывной коррекции результата.
Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому устройству является следящий фильтр-процессор (6. Патент РФ №2177159. Бюл. 35.) для обработки сигналов лазерного доплеровского измерителя скорости, ранее предложенный авторами настоящей заявки. Он содержит два квадратурных канала измерения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных смесителя, фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования. Первые входы смесителей являются входами устройства, а вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты. Следящий фильтр-процессор содержит, кроме того, четыре устройства выборки и хранения сигнала (УВХ), последовательно соединенные четырехканальный коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходы УВХ соединены с входами коммутатора. Первые входы первого и второго УВХ подключены к выходам соответствующего фильтра низких частот разностной частоты и аналогового блока дифференцирования первого квадратурного канала. Первые входы третьего и четвертого УВХ подключены соответственно к выходам фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования второго квадратурного канала.
Недостатком такого устройства является наличие в нем аналоговых блоков дифференцирования, не позволяющих с высокой точностью производить аналоговое дифференцирование сигналов разностной частоты в области малых частот. Этими сигналами являются выходные сигналы фильтров низких частот (необходимость дифференцирования вызвана условиями используемой в программе микроконтроллера математической формулы обработки микропроцессором выходных сигналов квадратурных каналов для вычисления значений разностной частоты). При суммирования этих значений со значением частоты управляемого генератора вычисляется значение доплеровской частоты, и, следовательно, скорость перемещения объекта. Отмеченный недостаток устройства ограничивает точность измерения доплеровской частоты.
Предлагаемый цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости содержит два квадратурных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель, управляемый квадратурным генератором перестраиваемой частоты, фильтр низких частот, устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, а выходной коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, связан с квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем, коммутатором и устройствами выборки и хранения информации, причем в предлагаемом фильтре-процессоре в программу микропроцессорной обработки доплеровского сигнала заложена известная математическая формула (7. Соболев B.C., Кащеева Г.А., Щербаченко A.M. Анализ алгоритма оценки мгновенной частоты аналитического сигнала. // Измерительная техника, 2000, №.8, с.57-61), в которой нет операции аналогового дифференцирования
Δω
1
Δω
1
Δω
2
Δω
2
1
2
где V(t), U(t) И V(t), U(t) - значения сигнала разностной частоты, взятые с помощью устройств выборки и хранения сигнала в два различных момента времени t и t, а Δt - интервал времени между этими моментами времени, причем выходные сигналы квадратурных каналов без предварительного аналогового дифференцирования поступают на входы коммутатора, который выполнен двухканальным.
В предлагаемом цифровом следящем фильтре- процессоре для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости недостаток устройства-прототипа устранен благодаря исключению в нем аналоговых дифференцирующих устройств и изменению программы микропроцессорной обработки сигнала разностной частоты.
Новым по отношению к следящему фильтру-процессору [6] является то, что в предлагаемом фильтре-процессоре в программу микропроцессорной обработки доплеровского сигнала заложена математическая формула, в которой нет операции аналогового дифференцирования и выходные сигналы разностной частоты квадратурных каналов без предварительного дифференцирования поступают на входы коммутатора, который в этом фильтре-процессоре выполнен двухканальным.
Принципиально новым техническим решением является то, что в предлагаемом цифровом следящем фильтре-процессоре аналоговые дифференцирующие устройства исключены. Исключение аналоговых дифференцирующих устройств в предлагаемом устройстве уменьшает погрешность измерения доплеровской частоты. Уменьшение погрешности измерения доплеровской частоты достигается благодаря изменению алгоритма вычисления разностной частоты. В предлагаемом устройстве значение разностной частоты сигнала комплексной огибающей вычисляется как отношение разности фаз вектора комплексной огибающей сигнала, взятых в два разных момента времени, к длительности временного интервала между этими моментами времени.
На фиг 1. представлена схема цифрового следящего фильтра процессора для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости.
d
Δω
Δω
Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости содержит два квадратурных канала измерения 1, 2, состоящих из последовательно соединенных смесителя 3, фильтра низких частот 4, и устройства выборки и хранения 5 для первого канала измерения и соответственно 6, 7, 8 для второго канала. При этом первые входы смесителей 3, 6 каждого канала объединены и являются входом устройства, на который поступает сигнал доплеровской частоты V(t). Вторые входы смесителей подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора 9 перестраиваемой частоты. На выходах смесителей в случае, когда частота доплеровского сигнала не равна частоте квадратурного генератора управляемой частоты, формируются два квадратурных сигнала V и U разностной частоты. Цифровой следящий фильтр-процессор содержит также последовательно соединенные коммутатор 10 и аналого-цифровой преобразователь 11, а также интерфейсный блок 12, связанный посредством шины 14 с микропроцессором 13 мгновенных значений разностной частоты.
Выход АЦП подключен к входу интерфейсного блока, который соединен первым, вторым, третьим и четвертым выходами с управляющими входами соответственно АЦП, квадратурного генератора перестраиваемой частоты и двух УВХ, причем выходы УВХ подключены к первому и второму входам коммутатора.
Работает устройство в двух режимах: поиска и захвата частоты доплеровского сигнала и в режиме слежения за доплеровской частотой.
d
d
d
g
d
g
d
g
d
g
На вход цифрового следящего фильтра- процессора поступает доплеровский сигнал V(t)=B(t)sin(ωt), где B(t) - амплитуда сигнала доплеровской частоты, ω - частота этого сигнала. Этот сигнал поступает на первые входы смесителей каждого квадратурного канала. На вторые входы смесителей поступают сигналы от квадратурного генератора управляемой частоты ω. Смесители осуществляют перенос спектра доплеровского сигнала в область низких частот. При этом на выходах смесителей одновременно формируются сигналы суммарной ω+ω и разностной Δω=ω-ω частоты от доплеровского сигнала ω и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты ω. Фильтр низкой частоты не пропускает сигнал суммарной частоты, которая превышает полосу фильтра, но пропускает сигнал разностной частоты.
Δω
Δω
В режиме поиска и захвата доплеровской частоты код управления частотой генератора линейно возрастает от нуля до некоторого максимального значения. Диапазон изменения кодов на входе квадратурного генератора управляемой частоты определяет диапазон измеряемой доплеровской частоты. Квадратурные сигналы разностной частоты V(t)=A(t)sin(Δωt) и U(t)cos(Δωt) с фильтров низких частот поступают на входы УВХ и запоминаются ими. Эти данные через коммутатор поступают далее на АЦП, оцифровываются и заносятся в память микропроцессора. Микропроцессор вычисляет амплитуду вектора комплексной огибающей сигнала разностной частоты в соответствии с выражением
Микропроцессор сравнивает это значение с заданным порогом, превышение которого говорит о том, что сигнал разностной доплеровской частоты попал в полосу фильтра низких частот. С этого момента микропроцессор может вычислять мгновенную фазу φ сигнала разностной частоты как арктангенс , текущих значений квадратурных сигналов разностной частоты, зафиксированных УВХ.
По двум значениям текущей фазы сигнала разностной частоты микропроцессор вычисляет значение разностной доплеровской частоты в соответствии с выражением (1).
Значение разностной частоты Δω, которое преобразуется в компьютере в код разностной частоты, суммируется с кодом, хранящемся в памяти микропроцессора и подается в регистр квадратурного генератора перестраиваемой частоты. Таким образом, осуществляется слежение за частотой доплеровского сигнала.
При уменьшении амплитуды сигнала ниже установленного программой микропроцессора значения следящий фильтр процессор переходит в режим хранения, при котором данные на входе квадратурного генератора перестраиваемой частоты не изменяются в течение заданного программой временного интервала.
Если в течение этого временного сигнала амплитуда сигнала доплеровской частоты превысит установленный порог, цифровой следящий фильтр-процессор возвращается в режим слежения в противном случае следящий фильтр-процессор переходит в режим захвата частоты.
Изменение алгоритма вычисления частоты разностного сигнала привело к уменьшению погрешности измерения доплеровской частоты и позволило использовать в устройстве двухканальный коммутатор.
Сравнительные испытания устройств, выполненных в соответствии с патентом РФ №2177159 и в соответствии предложенной полезной моделью, были проведены на частоте 1 МГц. Среднеквадратическая ошибка измерения частоты при одинаковых фильтрах разностной частоты с полосой 30 КГц и одинаковых по времени переходных процессах, получающихся при осуществлении захвата измеряемой частоты, в предлагаемом устройстве была меньше в 4 раза.