ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ
VELOCITY METRE

Изобретение относится к навигации, в частности используется для измерения скорости подвижных объектов, преимущественно морских.
Известные устройства для измерения скорости (доплеровские измерители скорости), содержат антенну, генератор СВЧ - колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель, усилитель, вычислитель и индикатор (авторское свидетельство SU №1341594, 1987 [1]) или генератор СВЧ-колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, приемопередающую антенну, смеситель, усилитель доплеровского сигнала, измеритель частоты, формирователь строб-импульсов в моменты запирания доплеровского сигнала и фазовращатель (патент US №4527160, 1985 [2]).
В отличие от устройства [1], в устройство [2], для повышения точности введены формирователь строб-импульсов в моменты запирания доплеровского сигнала и фазовращатель. Данное устройство действительно повышает точность измерения за счет изменения фазы сигнала гетеродина в момент пропадания сигнала (в большинстве известных устройств используется схема запоминания предыдущего сигнала, т.е. они переходят в режим работы "память").
Однако в известных устройствах присутствует погрешность, обусловленная влиянием вибрации антенно-фидерных элементов.
Известны также измерители скорости (патенты GB №1494582, №1499371, №1499388, 2122834 [2-6]; патенты US №4231039, №4608568, №4527160, №4414348 [7-10]; патенты DE №OS 3322304, №2800074, №2802968 [11-13]; патенты EP №0124173, №0123870 [14,15]; патенты JP №5842434, №5736552, №6027385 [16-18]; патенты FR №2384268, №2592959 [19, 20]; авторские свидетельства SU №1617393, №1517393, №271612 [21-23]), которые содержат одну или несколько антенн, генератор СВЧ колебаний, направленный ответвитель, циркулятор, модулятор, смеситель фазометр или блок определения знака, вычислитель или измеритель доплеровской частоты, индикаторы.
Основными недостатками известных устройство является наличие вибрационных шумов, обусловленных влиянием антенно-фидерного тракта, что увеличивает погрешность измерения скорости транспортных средств.
Известно также устройство (патент GB №148701, 05.10.77 [24]), которое состоит из n антенн (рупоров), СВЧ генератора, смесителей, детектора, измерителя доплеровской частоты, в котором обеспечивается частичное уменьшение помех, обусловленных влиянием антенно-фридерного тракта путем использования в качестве генератора СВЧ колебаний диода Ганна, являющегося одновременно гетеродином для смесителей.
Уменьшение влияния указанных помех, предусмотрено также в известных технических решениях (патенты RU №2038614, 27.05.1995, №2080620 27.05.1997 [25, 26]).
Так, измеритель скорости [25], состоит из генератора СВЧ-колебаний, циркулятора, приемопередающей антенны, смесителя, усилителя, фазовращателя и измерителя доплеровской частоты, СВЧ-фильтра, блока автоматической подстройки зоны генерации и следящего частотно-цифрового преобразователя, два входа которого соединены с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, первый вход фазовращателя соединен с выходом смесителя, второй вход соединен с выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, а выход соединен с вторым входом измерителя доплеровской частоты, второй вход блока автоматической подстройки зоны регенерации соединен с выходом усилителя, а второй выход с первым входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, выход которого соединен с входом сверхвысокочастотного фильтра, а второй вход с выходом модулятора, выход сверхвысокочастотного фильтра соединен с другим плечом циркулятора, а сверхвысокочастотный фильтр выполнен в форме волновода сечением 13х6,5 мм и снабжен двумя индуктивными штыревыми решетками и подстроечным винтом посередине, что при нестабильном СВЧ-генераторе позволяет уменьшить температурную ошибку доплеровской частоты при одновременном изменении несущей частоты генератора.
Измеритель скорости [26] содержит антенну, смеситель, генератор сверхвысокочастотных колебаний, детектор, измеритель доплеровской частоты и фазометр, выход генератора сверхвысокочастотных колебании соединен с входом смесителя, соединенным входом-выходом с антенной, выход детектора соединен с одним входом измерителя доплеровской частоты, другой вход которого соединен с выходом фазометра, модулятор, демодулятор, широкополосный усилитель, усилитель промежуточной частоты и генератор, первый выход которого соединен с входом модулятора, второй выход соединен с третьим входом измерителя доплеровской частоты, выходы модулятора соединены соответственно с входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, входом детектора и входом демодулятора, два выхода которого соединены с входами фазометра, а другой вход соединен с выходом широкополосного усилителя, вход которого соединен с выходом смесителя, другой выход широкополосного усилителя соединен с входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с другим входом детектора, что позволяет уменьшить вибрационную помеху антенного тракта.
Общим недостатком известных измерителей скорости, является то, что при измерении доплеровской частоты, а соответственно, и при определении скорости по изменению доплеровской частоты, на показания данных измерителей скорости оказывает влияние движение поверхностного слоя воды (поверхностной пленки), обусловленное ветром и волнением, что вызывает дополнительную погрешность в определении скорости (Судовые измерители скорости / Хребтов А.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Виноградов К.А., Чернявец В.В. - Л., Судостроение, 1978, с.98-99).
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности определения скорости посредством измерителей скорости, основанных на облучении подстилающей поверхности электромагнитной энергией.
Поставленная задача решается за счет того, что в измерителе скорости, содержащем приемопередающую антенну, соединенную через циркулятор с входом смесителя, выход которого соединен с входом усилителя, генератор сверхвысокочастотных колебаний, фазовращатель и измеритель доплеровской частоты, модулятор, сверхвысокочастотный фильтр, блок автоматической подстройки зоны генерации и следящий частотно-цифровой преобразователь, два входа которого соединены с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, а второй вход с первым выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, второй выход которого соединен с первым входом генератора сверхвысокочастотных колебаний, второй вход которого соединен с выходом модулятора, а выход с входом сверхвысокочастотного фильтра, выход которого соединен с другим плечом циркулятора, выход смесителя соединен с первым входом фазовращателя, второй вход которого соединен с третьим выходом блока автоматической подстройки зоны генерации, вход которого соединен с выходом усилителя, сверхвысокочастотный фильтр выполнен в форме волновода сечения 13×6,5 мм и содержит две индуктивные штыревые решетки и подстрочный винт посередине, а также вычислитель продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа, и индикатор - в измеритель скорости введен блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, соединенный своим входом с выходом следящего частотно-цифрового преобразователя, а выходом с входом вычислителя продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа; при этом, блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра содержит переключатель балльности моря, блок ввода скорости и направления течения, скорости и направления ветра, два преобразователя скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя импульсов прямоугольной формы, формирователя импульсов опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, две схемы вычитания частот с выходными каскадами.
Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в измеритель скорости введен блок определения в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, соединенный с вычислителем продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа и содержащий переключатель балльности моря, блоки ввода скорости и направления течения, скорости и направления ветра, два преобразователя скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя импульсов прямоугольной формы, формирователя импульсов опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, две схемы вычитания частот с выходными каскадами, позволяет исключить погрешность измерения скорости, за счет учета влияния подстилающей поверхности при определении скорости движения подвижных морских объектов.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1, 2).
Фиг.1. Блок-схема измерителя скорости. Измеритель скорости содержит приемопередающую антенну 1, циркулятор 2, свервысокочастотный фильтр 3, смеситель 4, фазовращатель 5, генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний, усилитель 7, модулятор 8, блок 9 автоматической подстройки зоны генерации, измеритель 10 доплеровской частоты и следящий частотно-цифровой преобразователь 11,вычислитель продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа 12, блок 13 выработки в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, индикатор 14.
Фиг.2. Блок-схем блока выработки в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра. Блок 13 выработки в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения, содержит переключатель 15 бальности моря, блок ввода скорости и направления течения, скорости и направления ветра 16, два преобразователя 17 и 18 скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя 19 и 20 импульсов прямоугольной формы, формирователь импульсов 21 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, две схемы 22 и 23 вычитания частот с выходными каскадами 24, 25, 26 и 27, делитель 28, вычислитель продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа 12.
Сверхвысокочастотный фильтр 3 выполнен, как и в прототипе и состоит из корпуса, выполненного в форме волновода, двух индуктивных штыревых решеток и подстроечного винта.
Следящий частотно-цифровой преобразователь 11, как и в прототипе содержит вычитатель частот, управляемый делитель и реверсивный двоичный счетчик. Фазовращатель 5, также как и в прототипе содержит предварительный усилитель, демодулятор, два фильтра низких частот, два усилителя-ограничителя, элемент задержки, схему И и D-триггер.
Приемопередающая антенна 1 предназначена для передачи и приема СВЧ радиоволн, поступающих с модулятора 8 через генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний и СВФ 3.
Модулятор 8 состоит из задающего кварцевого генератора прямоугольных импульсов частотой следования 100 или 75 кГц и непосредственно модулятора, который выдает на модуляционный вход генератора 6 сверхвысокочастотных колебаний сумму прямоугольного и постоянного напряжений.
Генератор 6 сверхвысокочастотных колебаний представляет собой твердотельный генератор на основе диода Ганка с электронной перестройкой варактором, работающий в диапазоне 14,1-15,2 ГГц с диапазоном электронной перестройки 110 МГц.
Генератор 6 через циркулятор 2 в режиме вентиля нагружен на сверхвысокочастотный фильтр 3, который служит для автоматической подстройки зоны генератора и температурной стабилизации. Частотная модуляция генератора 6 осуществляется блоком 9 автоматической подстройки зоны генерации.
Излученный антенной сигнал отражается от подстилающей поверхности и после приема этой же антенной через циркулятор 2 направляется на смеситель 4, в качестве которого используется детекторная секция на базе диода Шоттки с малыми шумами, где отраженный сигнал смешивается с частью излучаемого сигнала.
Принятый сигнал фильтруется и усиливается усилителем 7, который представляет собой усилитель промежуточной частоты. Частота его настройки равна частоте модуляции, полоса удвоенной полосе доплеровского спектра при максимальной скорости.
Сигнал с выхода усилителя 7 поступает на синхронный детектор блока 9 автоматической подстройки зоны генерации, конструкция и электрическая схема которого аналогичны описанным в прототипе. После синхронного детектирования с модулирующим сигналом выделяется переменное напряжение частотой Доплера.
В предлагаемом устройстве используется режим частотной манипуляции, основными преимуществами которого при соответствующем построении приемного тракта является значительное ужесточение влияния различных помех (низкочастотного шума смесителя, виброшумов антенно-волноводного тракта, пульсаций источника питания) и простота осуществления модуляции.
Для реализации частотной манипуляции служит модулятор в блоке 9, состоящий из задающего кварцевого генератора и двух формирователей прямоугольных импульсов частотой следования 75 и 100 кГц, который выдает на модуляционный варакторный вход блока 6 сумму прямоугольного и постоянного с выхода дискриминатора блока 9 напряжений.
Как известно из теории, достоинства частотной манипуляции используются лишь при равенстве мощностей преобразованных на смесителе 4 сигналов обеих частот.
Однако как при генерации, так и при прохождении СВЧ тракта сигналы обеих генерируемых частот могут быть неравными по мощности. Для выравнивания мощностей служит следящая система, образованная сверхвысокочастотным фильтром 3, усилителем 7 и дискриминатором блока 9.
Задачей следящей системы является выделение напряжения растройки частоты генерации от частоты настройки сверхвысокочастотного фильтра 3, устранение паразитной амплитудной модуляции и слежение за средней частотой сверхвысокочастотного фильтра 3.
Со смесителя 4 и блока 9 сигналы также поступают на фазовращатель 5. Со смесителя 4 сигнал поступает на предварительный усилитель, а с блока 9 на демодулятор.
В демодуляторе посредством опоры (прямоугольного напряжения) принятый сигнал разделяется на два узкополосных и низкочастотных сигнала, каждый из которых соответствует своей излученной частоте. После фильтрации и усиления сигналы подаются на логическую схему определения знака, образованную элементом задержки, схемой И и D-триггерами, которая работает следующим образом. Если один сигнал опережает другой (опорный) на величину фазы в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается "1", a если отстает по фазе от опорного в пределах от 0 до 180°, то на выходе вырабатывается "0".
x
y
oп
x
on
x
y
С блоков 5 и 9 сигналы поступают на измеритель 10 доплеровской частоты, состоящий из фильтра доплеровской частоты, формирователя, счетчика, тактового генератора и выходного усилителя, где они после фильтрации поступают на формирователь и преобразуются в сигналы прямоугольной формы, после чего поступают на счетчик, на который также поступают сигналы от тактового генератора, где считается число импульсов за время Т (Т выбирается в зависимости от требований со стороны потребителей информации). В качестве счетчика может использоваться, например, аналоговый диодный интегратор с накопительной емкостью или дискретный счетчик импульсов. Со счетчика сигналы в виде частоты F или F через выходной усилитель подаются на следящий частотно-цифровой преобразователь 11, в частности на вычитатель частот, на который через управляемый делитель подается опорная кварцевая частота F с измерителя 10. Разность частот с вычитателя частот поступает на реверсивный двоичный счетчик и управляемый делитель до тех пор, пока разность частот не будет равной нулю, т.е. F KF. На выходе реверсивного двоичного счетчика в этом случае код пропорционален составляющим скорости V или V. С счетчика сигналы подаются на вычислительное устройство и индикаторные устройства.
Блок 13 выработки в частотном виде сигнала поправки, обусловленной погрешностью от скорости и направления ветра, и течения (фиг.2) содержит переключатель 15 бальности моря, блок ввода скорости и направления течения, скорости и направления ветра 16, два преобразователя 17 и 18 скорости вращения в частоту импульсов, два формирователя 19 и 20 импульсов прямоугольной формы, формирователя импульсов 21 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, делитель частоты 28, две схемы 22 и 23 вычитания частот с выходными каскадами 24, 25, 26 и 27. Переключатель 15 бальности моря предназначен для трансляции сигналов, характеризующих состоянии бальности моря в трех режимах: «менее 1 балла», «2 балла» и «более 3 баллов», которые задаются вручную и транслируются в вычислительное устройство 6.
Входными параметрами блока 13 являются скорость и направление течения, скорость и направление ветра, которые могут быть установлены вручную, посредством соответствующих тумблеров, установленных на панели блока 13 или поступать автоматически от судового гидрометеорологического комплекса, например, типа «Косметео-К».
Блок ввода скорости и направления течения, скорости и направления ветра 16 собраны на ЛВТ2,5 ВТ, СКВТ2,5 ВТ и масштабных трансформаторах, и вырабатывают величины коэффициентов трансформации, которые изменяются пропорционально вводимым величинам скорости и направления ветра и скорости и направления течения и которые преобразуются из системы географических координат в сигналы в системе координат судна и в виде входного напряжения поступают на преобразователи 17 и 18.
Преобразователи 17 и 18 скорости вращения в частоту импульсов состоят из двигателя-генератора типа АДТ25 В, усилителя двух лампочек и двух фотодиодов. Напряжение с двигателя-генератора сравнивается с входным напряжением и на усилитель поступает разностное напряжение. Сигнал с выхода усилителя поступает на управление двигателем-генератором и изменяет скорость вращения таким образом, чтобы напряжение рассогласования было равно нулю. На валу исполнительного двигателя каждого преобразователя 17 и 18 установлены диски с прорезями. Таким образом, скорость вращения диска пропорциональна вводимым величинам для компенсации ошибок, вызванных воздействием ветра и течения.
Через прорези в дисках свет от лампочек попадает на светодиоды, с выходов которых снимаются импульсы, частоты которых пропорциональны скорости вращения дисков и которые поступают на формирователи 19 и 20 импульсов прямоугольной формы, состоящих из транзистора, триггера Шмита и мультивибратора.
x
y
x
y
x
x
oп
y
Импульсы со светодиодов усиливаются на транзисторах и запускают триггеры Шмита, которые в свою очередь запускают мультивибраторы, с выхода которых снимаются прямоугольные импульсы отрицательной полярности длительностью около 2 мкс, равные по частоте входным импульсам и пропорциональные вводимым величинам сигналов (поправки ΔV и ΔV) о скорости и направления ветра и скорости и направления течения. Для определения знака поправок в блоке 16 последовательно с выходными обмотками СКВТ включены масштабные трансформаторы, таким образом, чтобы при нулевых значениях вводимых величин сигналов, значения, снимаемые с фотодиодов были равны 100 Гц. С СКВТ напряжение 5 В частоты 400 Гц поступает на формирователь импульсов 21 опорной частоты 100 Гц из синусоидального напряжения частоты 400 Гц, делитель частоты 28. Сравнение входных частот и опорной частоты 100 Гц происходит на схемах 22 и 23 вычитания частот. При этом, если значение входной частоты больше значения опорной частоты, то разностная частота поступает в канал «+ΔV» («+ΔV») и наоборот. При частоте входных сигналов большей частоты опорных сигналов, на выходе выходного каскада 24 схемы 22 вычитания частот, выделяется разностная частота «ΔF», а на выходе выходного каскада 25 импульсы будут отсутствовать. При изменении фазы поправки по «ΔV» на противоположную частота импульсов на фотодиоде преобразователя 17 скорости вращения в частоту импульсов будет меньше опорной частоты (F=100 Гц), на выходе выходного каскада 24 импульсы будут отсутствовать, а на выходе выходного каскада 25 частота импульсов будет равна разности между опорной и входной частотой. Аналогично работает и схема канала выработки частот поправки по «ΔV», состоящая из схемы 23 вычитания частот и выходных каскадов 26 и 27.
Выработанные частотные поправки, обусловленные влиянием водной подстилающей поверхности поступают на вычислитель продольной и вертикальной составляющей скорости, путевой скорости и угла дрейфа 12.
Технический эффект заключается в уменьшении погрешности, обусловленной влиянием перемещения поверхностной пленки в зависимости от скорости и направления ветра и течения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №1341594, 1987.
2. Патент US №4527160, 1985.
3. Патент GB №1494582.
4. Патент GB №1499371.
5. Патент GB №1499388.
6. Патент GB №2122834.
7. Патент US №4231039.
8. Патент US №4608568.
9. Патент US №4527160.
10. Патент US №4414348.
11. Патент DE №OS 3322304.
12. Патент DE №2800074.
13. Патент DE №2802968.
14. Патент EP №0124173.
15. Патент EP №0123870.
16. Патент JP №5842434.
17. Патент JP №5736552.
18. Патент JP №6027385.
19. Патент PR №2384268.
20. Патент FR №2592959.
21. Авторское свидетельство SU №1617393.
22. Авторское свидетельство SU №1517393.
23. Авторское свидетельство SU №271612.
24. Патент GB №148701, 05.10.77.
25. Патент RU №2038614, 27.05.1995.
26. Патент RU №2080620, 27.05.1997.