УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ
DEVICE FOR REMOTE MEASUREMENT OF ATMOSPHERIC PARAMETERS

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах сбора информации о давлении, температуре и влажности атмосферы (воздуха) в различных отраслях промышленности.
Известные датчики давления, температуры и влажности основаны на различных физических принципах (авт. свид. СССР № 355.519, 427.257, 508.700, 723.413, 781.638, 797.701, 885.843, 922.086, 1.000.806, 1.177.698, 1.290.113, 1.368.677, 1.486.818, 1.493.895, 1.508.114, 1.645.862, 1.686.322, 1.736.951, 1.769.010, 1.814.040, 1.815.598, 1.817.920, 1.818.560, 1.831.669, 1.838.250; патенты РФ № 2.058.020, 2.244.908, 2.311.623, 2.485.676; патенты США № 4.562.742, 4.387.601, 4.395.915, 6.003.378; патент Японии № 5..9.190; Бусурин В.И. Оптические и волоконно-оптические датчики. Квантовая электроника, 1985, №5, с. 901-944 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для дистанционного измерения параметров атмосферы» (патент РФ №2.485.676, Н03Н 9/42, 2012), которое и выбрано в качестве прототипа.
Известное устройство обеспечивает совместную одновременную оценку давления, температуры и влажности атмосферы (воздуха), но не позволяет определить местоположение приемоответчика.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем местоопределения приемоответчика.
1
2
3
2
1
3
2
Поставленная задача решается тем, что устройство для дистанционного измерения параметров атмосферы, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом сканирующее устройство и приемоответчик, при этом сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второй узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, третий узкополосный фильтр, сумматор, второй и третий входы которого соединены с выходами задающего генератора и второго узкополосного фильтра соответственно, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, первый полосовой фильтр, первый удвоитель фазы, первый делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, и блок регистрации, второй вход которого через первый фазометр соединен с вторыми выходами задающего генератора и первого узкополосного фильтра, последовательно подключенные к выходу дуплексера второй полосовой фильтр, второй удвоитель фазы, второй делитель фазы на два, четвертый узкополосный фильтр и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, последовательно подключенные к выходу дуплексера третий полосовой фильтр, третий удвоитель фазы, третий делитель фазы на два, пятый узкополосный фильтр и третий фазометр, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, а выход подключен к четвертому входу блока регистрации, а приемоответчик выполнен в виде трех встречно-штыревых преобразователей, трех чувствительных элементов и трех отражающих решеток, которые нанесены на поверхность звукопровода, при этом каждый встречно-штыревой преобразователь выполнен в виде двух гребенчатых систем электродов, электроды каждой из гребенок соединены между собой шинами, шины первого, второго и третьего встречно-штыревых преобразователей связаны с одной и той же микрополосковой приемо-передающей антенной, центральные частоты ω, ω и ω встречно-штыревых преобразователей определяются шагом размещения электродов, их количеством и выбраны следующим образом: ω=2ω, ω=2ω, отличается от ближайшего аналога тем, что сканирующее устройство снабжено двумя приемными антеннами, тремя блоками регулируемой задержки, тремя фильтрами нижних частот, тремя экстремальными регуляторами, третьим, четвертым и пятым перемножителями, указателем азимута, указателем угла места и индикатором дальности, причем к выходу первой приемной антенны последовательно подключены третий перемножитель, второй вход которого через первый блок регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора, первый фильтр нижних частот и первый экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом первого блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель азимута, к выходу второй приемной антенны последовательно подключены четвертый перемножитель, второй вход которого через второй блок регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора, второй фильтр нижних частот и второй экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом второго блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель угла места, к первому выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого через третий блок регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора, третий фильтр нижних частот и третий экстремальный регулятор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор дальности, антенны размещены в виде геометрического прямого угла, в вершине которого помещена приемо-передающая антенна, общая для первой и второй приемных антенн, размещенных в азимутальной и угломестной плоскостях соответственно.
Структурная схема сканирующего устройства представлена на фиг. 1. Структурная схема приемоответчика изображена на фиг. 2. Частотная диаграмма показана на фиг. 3. Взаимное расположение антенн показано на фиг. 4.
Сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор 1, первый перемножитель 18, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1, второй узкополосный фильтр 19, второй перемножитель 20, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 19, третий узкополосный фильтр 21, сумматор 22, второй и третий вход которого соединены с выходами задающего генератора 1 и второго узкополосного фильтра 19 соответственно, усилитель 2 мощности, дуплексер 3, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной 4, первый полосовой фильтр 23, первый удвоитель 5 фазы, первый делитель 6 фазы на два, первый узкополосный фильтр 7, фазовый детектор 8, второй вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 23, и блок 10 регистрации, второй вход которого через первый фазометр 9 соединен с вторыми выходами задающего генератора 1 и первого узкополосного фильтра 7.
К выходу дуплексера 3 последовательно подключены второй полосовой фильтр 24, второй удвоитель 26 фазы, второй делитель 28 фазы на два, четвертый узкополосный фильтр 30 и второй фазометр 32, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 19, а выход подключен к третьему входу блока 10 регистрации. К выходу дуплексера 3 последовательно подключены третий полосовой фильтр 25, третий удвоитель 27 фазы, третий делитель 29 фазы на два, пятый узкополосный фильтр 31 и третий фазометр 33, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 21, а выход подключен к четвертому входу блока 10 регистрации. К выходу первой приемной антенны 37 последовательно подключены третий перемножитель 42, второй вход которого через первый блок 39 регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора 1, первый фильтр 45 нижних частот и первый экстремальный регулятор 48, выход которого соединен с вторым входом первого блока 39 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель 51 азимута.
К выходу второй приемной антенны 38 последовательно подключены четвертый перемножитель 43, второй вход которого через второй блок 40 регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора 1, второй фильтр 46 нижних частот и второй экстремальный регулятор 49, выход которого соединен с вторым входом второго блока 40 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен указатель 52 угла места. К выходу первого узкополосного фильтра 7 последовательно подключены пятый перемножитель 44, второй вход которого через третий блок 41 регулируемой задержки соединен с первым выходом задающего генератора 1, третий фильтр 47 нижних частот и третий экстремальный регулятор 50, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 41 регулируемой задержки, к второму выходу которого подключен индикатор 53 дальности.
Третий перемножитель 42, первый фильтр 45 нижних частот, первый экстремальный регулятор 48 и первый блок 39 регулируемой задержки образуют первый коррелятор 34.
Четвертый перемножитель 43, второй фильтр 46 нижних частот, второй экстремальный регулятор 49 и второй блок 40 регулируемой задержки образуют второй коррелятор 35.
Пятый перемножитель 44, третий фильтр 47 нижних частот, третий экстремальный регулятор 50 и третий блок 41 регулируемой задержки образуют третий коррелятор 36.
Приемоответчик выполнен на многоотводных линиях задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые представляют собой дискретно-аналоговые реализации цифровых универсальных фильтров. Роль отводов в таких фильтрах играют встречно-штыревые преобразователи (ВШП) I, II, III, каждый из которых состоит из двух гребенчатых систем электродов 13.1 (13.2, 13.3), нанесенных на поверхность звукопровода 11. Электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 14.1 и 15.1 (14.2 и 15.2, 14.3 и 15.3). Шины, в свою очередь, связаны с микрополосковой приемо-передающей антенной 12. На звукопроводе, кроме того, размещены чувствительные элементы 16.1, 16.2, 16.3 и отражающие решетки 17.1, 17.2, 17.3.
Отводы многоотводных линий задержки равномерно распределены по поверхности звукопровода 11 с шагом
⋅
э
Δh=Vτ,
где V - скорость поверхностных акустических волн, она примерно на пять порядков меньше скорости распространения электромагнитных колебаний;
э
τ - длительность элементарных посылок.
Приемоответчик представляет собой пьезокристалл с нанесенным на его поверхность алюминиевыми тонкопленочными пьезоэлектрическими преобразователями и набором отражателей. Преобразователи подключены к микрополосковой приемо-передающей антенне 12, которая также изготовлена на поверхности пьезокристалла.
Устройство для дистанционного измерения параметров атмосферы работает следующим образом.
Задающий генератор 1 формирует высокочастотное колебание
1
1
1
1
с
⋅
u(t)=UCos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
1
1
1
с
где U, ω, ϕ, Т - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
которое поступает на первый вход сумматора 22 и на два входа перемножителя 18, на выходе которого образуется следующее гармоническое колебание
2
2
2
2
с
⋅
u(t)=UCos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
2
1
2
1
где , ω=2ω, ϕ=2ϕ.
Это колебание выделяется узкополосным фильтром 19, поступает на второй вход сумматора 22 и на два входа перемножителя 20, на выходе которого образуется следующее гармоническое колебание (фиг. 3)
3
3
3
3
с
⋅
u(t)=UCos(ωt+ϕ), 0≤t≤Т,
3
2
2
2
где ; ω=2ω, ϕ=2ϕ.
Это колебание выделяется узкополосным фильтром 21 и поступает на третий вход сумматора 22. На выходе сумматора 22 образуется суммарное напряжение
Σ
1
2
3
u(t)=u(t)+u(t)+u(t),
которое после усиления в усилителе 2 мощности через дуплексер 3 поступает в приемо-передающую антенну 4 и излучается ею в эфир, улавливается микрополосковой приемо-передающей антенной 12 и возбуждает приемоответчик, а именно первый I, второй II и третий III встречно-штыревые преобразователи (ВШП) на поверхностных акустически волнах (ПАВ).
В основе работы устройств на ПАВ лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны вдоль поверхности звукопровода и обратное отражение;
- обратное преобразование отраженной акустической волны в кодовый электрический сигнал.
1
2
3
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются три ВШП, работа которых основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 13.1, 13.2, 13.3, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральные частоты ω, ω и ω первого I, второго II и третьего III ВШП определяются шагом размещения Δh электродов 13.1, 13.2, 13.3 и их количеством. Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможности современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3 ГГц.
Чувствительный элемент 16.1, например, выполненный в виде тонкой мембраны, реагирует на давление Р атмосферы (воздуха), которое вызывает ее деформацию. Чувствительный элемент 16.2 реагирует на температуру Т, а чувствительный элемент 16.3 реагирует на влажность w.
Скорость ПАВ в области чувствительных элементов 16.1, 16.2 и 16.3 изменяется, и фазы отраженных от решеток 17.1, 17.2 и 17.3 волн изменяются в соответствии с деформацией чувствительных элементов 16.1, 16.2 и 16.3.
Акустические волны модифицируются уникальным, зависящим от топологии приемоответчика образом. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн), которые поступают в антенну 12 и излучаются в пространство:
4
4
1
k
1
1
⋅
u(t)=UCos [ωt+ϕ(t)+ϕ+Δϕ],
5
5
2
k
2
2
⋅
u(t)=UCos [ωt+ϕ(t)+ϕ+Δϕ],
6
6
3
k
3
3
c
⋅
u(t)=UCos [ωt+ϕ(t)+ϕ+Zϕ], 0≤t≤T,
k
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который определяется структурой ВШП;
1
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением давления атмосферы (воздуха);
2
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением температуры атмосферы;
3
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением влажности атмосферы.
Указанные ФМн сигналы принимаются приемо-передающей антенной 4 и через дуплексер 3 поступают на входы полосовых фильтров 23, 24 и 25.
н1
1
н1
1
н2
2
н2
2
н2
3
н3
3
4
5
6
Частота настройки ω полосового фильтра 23 выбирается равной ω(ω=ω). Частота настройки ω полосового фильтра 24 выбирается равной ω(ω=ω). Частота настройки ω полосового фильтра 25 выбирается равной ω(ω=ω). Полосовыми фильтрами 23, 24 и 25 выделяются ФМн сигналы u(t), u(t) и u(t) соответственно, которые поступают на входы удвоителей 5, 26 и 27 фазы. На выходах последних образуются следующие гармонические колебания:
7
7
1
1
1
⋅
u(t)=UCos (2ωt+2ϕ+2Δϕ),
8
8
2
2
2
⋅
u(t)=UCos (2ωt+2ϕ+2Δϕ),
9
9
3
3
3
с
⋅
u(t)=UCos (2ωt+2ϕ+2Δϕ], 0≤t≤Т,
где ; ; .
k
Так как 2ϕ(1)={0, 2π), то в данных колебаниях манипуляция фазы уже отсутствует. Эти колебания делятся по фазе на два в делителях 6, 28 и 29 фазы на два и выделяются узкополосными фильтрами 7, 30 и 31 соответственно:
10
10
1
1
1
⋅
U(t)=UCos (ωt+ϕ+Δϕ),
11
11
2
2
2
⋅
u(t)=UCos (ωt+ϕ+Δϕ),
12
12
3
3
3
c
⋅
u(t)=UCos (ωt+ϕ+Δϕ), 0≤t≤T.
10
4
Полученное гармоническое колебание u(t) используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 8, на первый (информационный) вход которого подается ФМн сигнал u(1) с выхода полосового фильтра 23. На выходе фазового детектора 8 образуется низкочастотное напряжение:
н
н
k
с
⋅
U(t)=UCosϕ(t), 0≤t≤Т,
где ,
которое содержит информацию о номере приемоответчика и фиксируется на первом входе блока 10 регистрации.
10
11
12
1
2
3
1
2
3
Одновременно напряжения u(t), u(t) и u(t), u(t), u(t) и u(t) поступают на два входа фазометров 9, 32 и 33, которые измеряют фазовые сдвиги Δϕ, Δϕ и Δϕ, пропорциональные измеряемым давлению Р, температуре Т и влажности w соответственно.
Следовательно, блоком 10 регистрации фиксируются номер приемоответчика и измеряемые им давление Р, температура Т и влажность w.
10
1
1
1
з1
з1
1
Гармоническое колебание u(t) с выхода узкополосного фильтра 7 поступает на первых вход перемножителя 44, на второй вход которого через блок 41 регулируемой задержки подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 1. Полученное на выходе перемножителя 44 напряжение пропускается через фильтр 47 нижних частот, на выходе которого формируется корреляционная функция R(τ), где τ - текущая временная задержка. Экстремальный регулятор 50, предназначенный для поддержания максимального значения корреляционной функции R(τ) и подключенный к выходу фильтра 47 нижних частот, воздействует на управляющий вход блока 41 регулируемой задержки и поддерживает вводимую им задержку τ, равной τ (τ=τ), что соответствует максимальному значению корреляционной функции R(τ).
Индикатор 53 дальности, связанный со шкалой блока 41 регулируемой задержки, позволяет непосредственно считывать измеренное значение дальности R до приемоответчика
з1
где τ - время задержки ретранслированного сигнала относительно зондирующего; С - скорость распространения радиоволн.
1
2
3
2
3
з2
з3
з2
з3
2
3
Ретранслированные сигналы одновременно принимаются приемными антеннами 37 и 38 и поступают на первые входы перемножителей 42 и 43 соответственно, на вторые входы которых подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 1 через блоки 39 и 40 регулируемой задержки соответственно. Полученные на выходе перемножителей 42 и 43 напряжения пропускаются через фильтры 45 и 46 нижних частот соответственно, на выходе которых формируются корреляционные функции R(τ) и R(τ). Экстремальные регуляторы 48 и 49, предназначенные для поддержания максимального значения корреляционных функций R(τ) и R(τ) и подключенные к выходам фильтров 45 и 46 нижних частот, воздействуют на управляющие входы блоков 39 и 40 регулируемой задержки, поддерживая вводимые ими задержки, равными τ и τ (τ=τ, τ=τ), что соответствует максимальному значению корреляционных функций R(τ) и R(τ) соответственно. При этом индикаторы 51 и 52 азимута α и угла места β, связанные со шкалами блоков 39 и 40 регулируемой задержки, позволяют непосредственно считывать измеренные значения азимута α и угла места β приемоответчика:
з2
1
2
з3
1
3
1
2
где τ=t-t, τ=t-t, d, d - расстояние между приемо-передающей 4 и первой 37 и второй 38 приемными антеннами (измерительные базы);
1
2
3
t, t, t - время прохождения ретранслированного сигнала от приемоответчика до приемо-передающей антенны 4, первой 37 и второй 38 приемных антенн.
з2
з3
Следовательно, задача измерения азимута α и угла места β сводится к измерению относительных временных задержек τ и τ между ретранслированными сигналами, принимаемыми антеннами 4, 37 и 38.
Сканирующее устройство обеспечивает последовательный опрос всех приемоответчиков, регистрацию их идентификационных номеров и измеряемых давлений, температур и влажностей.
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает дистанционное измерение не только давления, температуры и влажности с повышенной точностью, но и дальности R, азимута α и угла места β приемоответчика. Повышение точности дистанционного измерения давления, температуры и влажности обеспечивается фазовым методом.
Положительным свойством приемоответчика на ПАВ можно считать также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие источников питания и большое время наработки на отказ).
Тем самым функциональные возможности устройства расширены.