ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в системах радионавигационного оборудования летательных аппаратов, в частности, для измерения скорости вертолета.
Известна система, состоящая из источника когерентного двухволнового излучения, двух стационарных одинаковых блоков расщепителей лучей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, сканирующей приемопередающей линзовой системы и приемной оптической системы [US 3.860342, кл. 356-28, 1975].
Недостатком известного устройства является его относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее передающую систему, выполненную в виде передатчика с антенной (источника двухволнового когерентного излучения, блоков селекции, модуляции и фокусировки лучей) и приемную систему, выполненную в виде приемной антенны (оптической системы на различные длины волн) и двух фотоприемников, выход каждого из которых через соответствующий канала обработки допплеровских сигналов соединен с соответствующим процессором, при этом, передающая система снабжена сканирующим блоком разделения лучей с различной длиной волны, а в приемной системе в один из каналов обработки допплеровских сигналов снабжен блоком амплитудной селекции сигналов, а другой - блоком селекции по глубине модуляции [SU 98104206, A, G01P 3/36, 2000.01.10].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно позволяет помощью измерить скорость движения объекта, но оно не позволяет измерить путь, пройденный объектом за фиксированное время при переменной скорости.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее передающую систему, содержащую передающую антенну и передатчик, выход которого соединен с передающей антенной, и приемную систему, содержащую приемную антенну, в приемную систему введены последовательно соединенные блок выделения допплеровских частот и разделения их по знаку, вход которого соединен с выходом приемной антенны, блок вычисления составляющих скоростей и блок преобразования координат, а также индикатор висения и малых скоростей, индикатор путевой скорости и угла сноса и последовательно соединенные вычислитель координат и индикатор координат, при этом, выход блока преобразования координат соединен с входами вычислителя координат, индикатора висения и малых скоростей и индикатора путевой скорости и угла сноса.
На чертеже представлена конструкция допплеровского измерителя скорости.
Допплеровский измеритель скорости содержит передающую антенну 1 и передатчик 2, выход которого соединен с входом передающей антенны 1.
xg
zg
yg
Кроме того, допплеровский измеритель скорости содержит индикатор 3 путевой скорости и угла сноса (W, α), индикатор 4 висения и малых скоростей (W, W, W), индикатор 5 координат (х, z), приемную антенну 6, последовательно соединенные блок 7 выделения допплеровских частот и разделения их по знаку, вход которого соединен с выходом приемной антенны 6, блок 8 вычисления составляющих скоростей и блок 9 преобразования координат.
Допплеровский измеритель скорости содержит также вычислитель 10 координат, выход которого соединен с входом индикатора 5 координат.
В допплеровском измерителе скорости выход блока 9 преобразования координат соединен с входами вычислителя 10 координат, индикатора 4 висения и малых скоростей и индикатора 3 путевой скорости и угла сноса.
Передающая антенна 1 и передатчик 2 с соответствующей связью образуют передающую систему, а элементы 3-10 с соответствующими связями - приемную систему допплеровского измерителя скорости.
Передающая антенна 1, передатчик 2, индикаторы 3, 4, 5 и приемная антенна 6 являются стандартными элементами радиотехники. Устройство содержит также элементы (блоки 7, 8 9 и вычислитель 10), охарактеризованные на функциональном уровне, поэтому ниже представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения этими элементами конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, в том числе алгоритмы и соответствующие математические выражения.
Работает допплеровский измеритель скорости следующим образом.
д
Работа допплеровский измеритель скорости основана на использовании эффекта Допплера-Белопольского, сущность которого заключается в том, что при взаимном относительном перемещении источника и приемника электромагнитных колебаний частота принимаемых колебаний отличается от частоты излучаемых на величину F, называемой допплеровской частотой. Для измерения путевой скорости, например на вертолете, установлены передатчик (источник электромагнитных колебаний) 2 с передающей антенной 1 и приемная антенна 5, которая вместе с блоком 7 образует приемник, который принимает отраженные от земли сигналы, несущие информацию о частоте Допплера.
д
Путевая скорость W и частота Допплера F, учитывая, что излучение в направлении Земли направляется в общем случае под некоторым углом γ, определяется соотношением
д
F - частота Допплера;
A
f - частота излучаемых колебаний;
с - скорость распространения электромагнитных волн;
W - путевая скорость вертолета;
γ - угол наклона луча к земле;
P
W - проекция вектора W на направление излучения;
А
λ- длина волны излучаемых колебаний.
В устройстве используется передающая антенна 1 с трехлучевой диаграммой направленности, что необходимо для измерения угла сноса α и вычисления составляющих вектора скорости вертолета.
Энергия СВЧ, генерируемая передатчиком 2, направляется в передающую антенну 1 и излучается в сторону земной поверхности. Отраженные от земной поверхности сигналы поступают на приемную антенну 6, откуда они подаются в блок 7 выделения допплеровских частот и разделения их по знаку.
По величинам и знакам допплеровских частот принимаемых раздельно по трем лучам антенны решается задача вычисления составляющих вектора скорости вертолета.
д
Для этого вначале решается задача вычисления в системе координат, связанной с вертолетом (ось Х параллельна продольной строительной оси, ось Z параллельна поперечной оси, ось У перпендикулярна осям Х и Z). Решение производится блоком 8 вычисления скоростей, в котором вычисляются составляющие вектора скорости в системе координат, связанной с вертолетом, путем преобразования допплеровских сигналов F в постоянные напряжения, связанные с частотами этих сигналов следующими соотношениями:
К - коэффициент пропорциональности;
φ - углы визирования лучей антенны;
β - угол между вектором скорости и его проекцией на горизонтальную плоскость.
Затем решается задача получения составляющих вектора скорости в горизонтальной (земной) системе координат по напряжениям, пропорциональным составляющим вектора скорости в связанной с вертолетом системе координат и напряжениям, пропорциональным крену и тангажу вертолета, поступающим из авиагоризонта вертолета, например, типа АГБ-ЗК.
xr
zr
yr
Вычисленные в блоке 8 составляющие вектора скорости в земной системе координат W, W и W выдаются в виде постоянных напряжений на вход блока 9, в котором решаются задачи получения напряжений:
- пропорционального углу сноса, по формуле:
- пропорционального путевой скорости, по формуле:
где α - угол сноса.
xg
zg
yg
Вычисленные параметры движения вертолета индицируются на указателях индикатора 3 путевой скорости и угла сноса (W, α) и индикатора 4 висения и малых скоростей (W, W, W ), а после преобразования в блоке 10 на индикаторе 5 координат (х, z).
Координаты х и z формируются в вычислителе 10 координат путем преобразования напряжений, пропорциональных продольной и поперечной составляющим вектора скорости. Преобразование производится путем выработки импульсов, частота следования которых пропорциональна
скорости вертолета вдоль ортодромии и скорости вертолета, перпендикулярного к ортодромии. Сигналы на выходах счетчиков Х и Z, соответствующие координатам вертолета в ортодромической системе координат, индицируются на индикаторе 5 координат.
Таким образом, благодаря введению новых блоков и связей существенно расширяются технические возможности устройства, поскольку оно позволяет измерить не только скорость движения объекта, но и путь, пройденный объектом при переменной по величине и направлению скорости.