ДОПЛЕРОВСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ
DOPPLER METHOD FOR MEASURING GROUND SPEED

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
0
D
В настоящее время известны и применяются радиоволновые способы измерения путевой скорости, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). Обычно они применяются в радиолокации для определения скорости и координат движущихся объектов. Доплеровский способ измерения заключается в зондировании движущихся объектов электромагнитными волнами СВЧ диапазона и выделении частоты смещения рассеянной волны. Если источник излучения с фиксированной частотой ƒ расположен спереди транспортного средства, движущегося со скоростью V, и его антенна направлена под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью, то доплеровская частота ƒ определится по формуле:
где  - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, которая для воздуха равна единице, с - скорость света в воздухе. Таким образом, измеряя доплеровскую частоту, можно вычислять скорость по формуле:
D
Однако данный классический способ обладает существенным недостатком. Поскольку реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка , отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами  от подстилающей поверхности. В результате получим некоторый спектр доплеровских частот с шириной Δƒ:
D
Это приводит к ошибке в измерении доплеровской частоты, а уменьшить ее за счет уменьшения  не представляется возможным из-за увеличения габаритов антенного устройства. Чтобы уменьшить влияние этой ошибки, применяют способы с использованием излучения и приема электромагнитных волн из двух антенн под разными углами к поверхности (например, патент РФ №2334995 от 27.09.2008, G01S 13/58). Совместная обработка двух доплеровских сигналов позволяет частично снизить влияние ошибки от наличия Δƒ. Однако практически кратное увеличение составных компонентов устройства, реализующего данный способ, соответственно увеличивает и ошибки, вызванные с паразитным просачиванием излучений между антеннами, циркуляторами и другими элементами устройства. Кроме этого повышается стоимость устройства.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 86), принятый за прототип. Согласно этому способу, СВЧ волны с фиксированной частотой излучают под углом α между направлением движения и поверхностью, принимают отраженные волны, выделяют сигнал разностной частоты на смесителе между частью падающей волны и принятой, путевую скорость определяют по частоте этого сигнала.
D
Недостатком способа-прототипа являются значительные ошибки измерения путевой скорости по доплеровской частоте, обусловленные тем, что при облучении подстилающей поверхности непрерывным гармоническим сигналом, излучаемым антенной, луч которой ориентирован под углом α к направлению движения и имеет ширину главного лепестка диаграммы направленности , отраженный сигнал содержит не одну гармоническую составляющую, смещенную на частоту Доплера относительно частоты излучаемого сигнала, а сплошной спектр шириной Δƒ, согласно формуле (3).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости, при котором СВЧ волны излучают под углом α между направлением движения и поверхностью, принимают отраженные волны, выделяют сигнал разностной частоты на смесителе между частью падающей волны и принятой. Дополнительно СВЧ волны линейно модулируют по частоте, определяют огибающую спектра сигнала разностной частоты до начала движения и в текущий момент, вычисляют между ними взаимно-корреляционную функцию, а путевую скорость определяют по частотному смещению, при котором достигается ее максимум.
На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.
0
На Фиг. 2 представлены огибающие спектров сигнала разностной частоты при нулевой скорости и при движении со скоростью V - S(ƒ) и S(ƒ).
0
На Фиг. 3 изображена функция взаимной корреляции между S(ƒ) и S(ƒ).
Устройство расположено на транспортном средстве и содержит генератор линейно изменяющегося напряжения 1, генератор СВЧ 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, антенну 5, смеситель 6 и вычислительный блок 7. Антенна ориентирована под углом α к направлению движения.
m
12
2
1
1
2
Рассмотрим работу устройства сначала при отсутствии движения. Генератор 1 линейно изменяющимся напряжением с периодом Т модулирует частоту генератора СВЧ 2 в диапазоне Δƒ=ƒ-ƒ, где ƒ и ƒ - его начальная и конечная частота. Затем этот СВЧ сигнал поступает через циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности 8 под углом α к направлению движения. При этом часть сигнала через направленный ответвитель приходит на первый вход смесителя, а на второй его вход приходит СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Поскольку второй сигнал задержан по отношению к первому на время распространения до поверхности и обратно, его частота будет смещена относительно первого сигнала. В результате на выходе смесителя образуется сигнал разностной частоты или сигнал биений, пропорциональный расстоянию до поверхности
где R - высота расположения антенны устройства над поверхностью.
m.
0
Далее этот сигнал в вычислительном блоке преобразуется в частотный спектр, синхронно с модулирующим сигналом периодичностью ТВ идеальном случае это была бы единственная гармоника согласно формуле (4), однако антенна имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка , поэтому отраженная волна является суперпозицией i волн, падающих и отраженных с разными углами  от подстилающей поверхности и, таким образом, прошедших разные расстояния. В результате, спектр сигнала разностной частоты будет состоять из i гармоник. Огибающая кривая этого спектра S(ƒ), представленная на Фиг. 2 сплошной линией, записывается в память устройства:
D
0
D
При начале движения со скоростью V все частоты этого спектра будут смещаться на доплеровскую частоту ƒ, согласно формуле (1) и с сохранением формы огибающей спектра S(ƒ)=S(ƒ)+ƒ, поскольку расстояние до подстилающей поверхности и угол α при этом не меняются. Вид обеих графиков приведен на Фиг. 3.
0
max
mах
Если вычислить взаимно-корреляционную функцию двух массивов данных огибающих этих спектров S(ƒ) и S(ƒ), то максимальное значение этой функции будет достигаться при таком сдвиге частоты, когда графики функций совпадут. Очевидно, что этот сдвиг будет соответствовать доплеровской частоте, по которой можно определить скорость в соответствии с формулой (2). График взаимно-корреляционной функции C(ƒ/ƒ) в относительных единицах, где ƒ - разностная частота, а ƒ - максимально возможная доплеровская частота при максимально возможной скорости, представлен на фиг. 3.
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за наличия в сигнале спектральной полосы устраняется. При этом следует отметить, что на точность устройства не влияет степень линейности модуляции СВЧ генератора, что уменьшает стоимость устройства. Дополнительно способ приобретает новое свойство - позволяет определить направление скорости вперед или назад по знаку частоты сдвига при максимуме взаимно-корреляционной функции.