ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПУТЕВОЙ СКОРОСТИ
DOPPLER GROUND VELOCITY METER

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
0
В настоящее время известны радиоволновые устройства 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.). В отличие от датчиков, определяющих скорость по частоте вращения колеса, доплеровские датчики показывают настоящую путевую скорость, которая не зависит от скольжения, движения при повороте и пробуксовывания. Эта информация об истинной скорости относительно поверхности очень важна для правильной работы антиблокировочной системы и других систем управления транспортного средства. Обычно доплеровские датчики содержат генератор СВЧ, направленный ответвитель, циркулятор, антенну, смеситель и вычислительный блок. Антенна ориентирована под углом α к направлению движения. От генератора СВЧ сигнал с частотой ƒ поступает через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности. При этом часть сигнала через вспомогательный вывод направленного ответвителя поступает на первый вход смесителя, а на второй его вход поступает СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. В процессе движения отраженная частота, поступающая на смеситель, будет отличаться от частоты СВЧ генератора на доплеровскую частоту, которая выделяется на выходе смесителя:
0
0
где λ=с/ƒ - длина электромагнитной волны, с - скорость света в воздухе. В вычислительном устройстве эта частота измеряется, а скорость определяется по формуле:
i
D
Однако устройства, реализующие данный классический способ, обладают существенным недостатком. Поскольку реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка θ, отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами α - θ/2 ≤ α ≤ α + θ/2 от подстилающей поверхности Δƒ. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла α можно выразить через уравнение радиолокации:
c
c
c
0
D
В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θ - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), А(α) - функция распределения ДНА, R(α)=Н/sin(α) - расстояние от фазового центра антенны до точки отражения, Н - высота расположения антенны над поверхностью (см. Фиг. 1). K - константа, определяемая системными параметрами, σ(α) - функция эффективной отражающей поверхности дороги. А(α) имеет максимум при условии равенства α=θ и симметрична относително θ.σ(α) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла α, в соответствии с ДНА. Если выполнить подстановку значения α=arccos(λƒ/2V) из (1) в Е(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала для данной скорости:
D
Это спектральное распределение качественно показано на Фиг. 1. Следует отметить смещение между максимумом спектральной плотности и собственно доплеровской частотой ƒ. Кроме этого сам доплеровский сигнал будет иметь существенную стохастическую составляющую из-за случайного характера распределения отражающих свойств по площади отражающей поверхности, влияния вибрации и смещений угла наклона антенны в результате крена или тонгажа. В результате все эти факторы приводят к трудностям в точном определении доплеровской частоты, а, следовательно, к недостаточной точности измерения скорости.
D
Чтобы уменьшить влияние этих ошибок, применяют устройства 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 лишь частично снизить влияние ошибки от наличия спектрального распределения 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. Точность можно повысить также за счет использования усредняющих процедур обработки спектра, однако тот факт, что максимум спектральной плотности не соответствует доплеровской частоте, не позволяет эффективно использовать этот подход.
Наиболее близким по технической сущности является устройство измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 85), принятый за прототип. Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор СВЧ и направленный ответвитель, а также последовательно соединенные антенну, циркулятор, смеситель и вычислительный блок, при этом основной выход направленного ответвителя подсоединен к входу циркулятора, а вспомогательный выход соединен со вторым входом смесителя. Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора СВЧ через направленный ответвитель и циркулятор поступают на антенну, излучаются под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью. Отраженные волны принимаются антенной, затем через циркулятор поступают на первый вход смесителя, а на второй его вход поступает часть падающих электромагнитных колебаний от вспомогательного выхода направленного ответвителя. На выходе смесителя выделяется доплеровский сигнал, поступающий на вычислительный блок, где происходит вычисление путевой скорости по его частоте согласно формуле (2), при этом доплеровская частота определяется по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала.
Недостатком устройства являются значительные ошибки определения путевой скорости, обусловленные измерением доплеровской частоты по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала. Это происходит из-за несоответствия доплеровской частоты этому максимуму и наличием существенных искажений спектра от случайных помех, вызванных неравномерностями дорожного покрытия, вибраций и изменениями угла наклона антенны датчика из-за крена и тонгажа.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что доплеровский измеритель путевой скорости, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ и направленный ответвитель, последовательно соединенные антенну, циркулятор и первый смеситель, при этом основной выход направленного ответвителя подсоединен к входу циркулятора, а вспомогательный выход соединен с первым входом первого смесителя, а также вычислительный блок соединенный с выходом первого смесителя, дополнительно содержит второй смеситель и фазовращатель на угол π/4, при этом первый вход второго смесителя соединен со вспомогательным выходом направленного ответвителя, второй вход соединен с выходом циркулятора через фазовращатель, а выход соединен с вычислительным блоком.
На Фиг. 2 представлена структурная схема устройства.
На Фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя.
На Фиг. 4 изображена взаимно-корреляционная функция между сигналами с выходов первого и второго смесителят в нормированном виде.
Устройство расположено на транспортном средстве и содержит генератор СВЧ 1, направленный ответвитель 2, циркулятор 3, антенну 4, фазовращатель на угол π/4 5, первый смеситель 6, второй смеситель 7, вычислительный блок 8. Антенна ориентирована под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью 9.
0
1
2
12
З
1
2
З
Устройство работает следующим образом. От генератора СВЧ сигнал с частотой ƒ поступает через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности. При этом часть сигнала через вспомогательный вывод направленного ответвителя поступает на первые входы двух смесителей, а на вторые его входы поступает СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Однако, если на первый смеситель он приходит напрямую, то на второй вход - после сдвига по фазе на угол π/4. В результате на выходе первого и второго смесителя образуются доплеровские сигналы, сдвинутые между собой по фазе π/4 (см. кривые S(t) и S(t) на фиг. 3). При этом используется временная выборка N=2000 значений, с длительностью каждой выборки - Δt. Функция r(t) взаимной корреляции сигналов S(t) и S(t) от времени задержки t за время Т=NΔt будет выглядеть следующим образом:
12
В нормированном дискретном виде коэффициента взаимной корреляции r(j) от дискретного сдвига j функция (5) она примет вид:
max
max
D
max
График этой функции представлен на Фиг. 4. В процессе движения оба доплеровских сигнала будут полностью идентичными, а время задержки между ними будет соответствовать четверти периода доплеровской частоты. Это время можно определить по максимуму коэффициента взаимной корреляции (6) t=jΔt, как показано на Фиг. 4. Далее можно определить доплеровскую частоту ƒ=1/4t, а затем по формуле (2) вычислить путевую скорость V.
max
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за стохастического и ассимметричного характера спектра доплеровского сигнала при измерении путевой скорости устраняется, а точность измерения по сравнению с прототипом увеличивается. Благодаря этому устройству в отличие от прототипа удается определить направление движения. При движении вперед в рассматриваемом случае максимум коэффициента взаимной корреляции будет при положительном временном сдвиге t, а при движении задним ходом - при отрицательном.