ЦИФРОВОЙ СЛЕДЯЩИЙ ФИЛЬТР-ПРОЦЕССОР ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ЗНАКОПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТИ

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для обработки сигналов лазерных доплеровских измерителей знакопеременной скорости потоков жидкости и газов, а также твердых диффузно отражающих объектов.
Известны доплеровские измерители скорости, в которых определение знака скорости реализуется в двухчастотных схемах со смещением измеряемой частоты (Ю.Н.Дубнищев, Б.С.Ринкевичус. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М., Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982 [1]; B.C.Соболев, A.M.Щербаченко, Е.Н.Уткин, А.А.Столповский, Г.А.Кащеева, И.В.Филимоненко. Принципы активной интерферометрии со смещением частоты в приложении к доплеровской анемометрии. Восьмая международная научно-техническая конференция. Оптические методы исследования потоков. 28 июня - 1 июля 2005, Москва [2]). В этих измерителях скорости в выходном сигнале оптико-электронного блока помимо сигнала с доплеровской частотой присутствует дополнительный сигнал с частотой, величина которой является заданной и известной.
Для формирования такого сигнала лазерный пучок в оптическом интерферометре [2] направляется на акустооптический модулятор с бегущей ультразвуковой волной. Дифрагированный лазерный пучок фокусируется в исследуемую точку потока или на любой исследуемый объект. Рассеянное излучение проходит обратно через тот же модулятор в лазер. Если исследуемый объект движется, то частота поля, попадающего обратно в лазер, приобретает смещение на величину равную сумме доплеровской частоты и удвоенной частоты напряжения, питающего модулятор. Таким образом, на фотодиод попадает исходное поле излучения лазера и смещенное по частоте усиленное поле рассеяния. Электрический сигнал с фотодиода смешивается с сигналом генератора, частота которого меньше удвоенной частоты напряжения, питающего акустооптический модулятор, что и обеспечивает смещение частоты доплеровского сигнала на фиксированную частоту. Полученная таким образом входная частота измеряется. Частота доплеровского сигнала, пропорциональная скорости движения объекта, равна разности между частотой входного сигнала и частотой смещения.
Значение скорости движущихся объектов вычисляется при умножении доплеровской частоты на постоянный коэффициент, который определяется при калибровке устройства.
Известен следящий фильтр-процессор для обработки сигналов такого лазерного доплеровского измерителя скорости (Патент РФ №2177159. Бюл. 35.[3]), Он содержит два квадратурных канала измерения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных смесителя, фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования. Первые входы смесителей являются входами устройства, а вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты. Следящий фильтр-процессор содержит, кроме того, четыре устройства выборки и хранения сигнала (УВХ), последовательно соединенные четырехканальный коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходы УВХ соединены с входами коммутатора. Первые входы первого и второго УВХ подключены к выходам соответствующего фильтра низких частот разностной частоты и аналогового блока дифференцирования первого квадратурного канала. Первые входы третьего и четвертого УВХ подключены соответственно к выходам фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования второго квадратурного канала.
in
in
s
d
s
d
g
g
g
Выходные сигналы смесителей первого и второго квадратурных каналов, осуществляющих перемножение входного сигнала Sinωt с частотой ω=ω±ω, равной алгебраической сумме частоты смещения ω и доплеровской частоты ω, и сигналов квадратурного генератора перестраиваемой частоты Sinωt и Cosωt с частотой ω равны соответственно
,
d
s
g
где ω - частота доплеровского сигнала, ω- частота смещения, a ω - частота квадратурного генератора перестраиваемой частоты.
in
g
in
g
Из этих выражений следует, что в каждом квадратурном канале измерения на выходах смесителей доплеровской частоты и частоты перестраиваемого генератора формируются квадратурные сигналы, состоящие из двух сигналов: сигнала разностной частоты (ω-ω) и сигнала суммарной частоты (ω+ω).
Если сигналы суммарной частоты присутствуют в сигналах на выходах смесителей и их фильтрация узкополосным фильтром невозможна, то и измерение частоты в следящем фильтре - процессоре невозможно
Благодаря сдвигу частоты на промежуточную частоту, превышающую полосу низкочастотного фильтра, сигнал суммарной частоты фильтруется этим фильтром, а разностная частота входного сигнала и сигнала генератора перестраиваемой частоты измеряется и корректирует частоту управляемого генератора.
s
in
s
d
Для определения знака доплеровской частоты микропроцессор следящего фильтра-процессора должен осуществить операцию вычитания значения частоты смещения ω из измеренного значения входной частоты ω=ω±ω.
Одним из недостатков такого следящего фильтра-процессора являются эти дополнительные вычисления, связанные с вычитанием промежуточной частоты и приводящие к уменьшению быстродействия следящего фильтра процессора.
Другим недостатком является то, что при измерении входной частоты, находящейся в области нулевых частот, сами измерения становятся невозможными. Это вызвано тем, что в этом случае в полосе низкочастотного фильтра присутствуют одновременно как сигналы разностной, так и суммарной частот.
Наиболее близким устройством по набору функциональных электронных блоков по отношению к предлагаемому устройству является цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости потоков жидкости и газов, предложенный ранее автором (A.M.Щербаченко, Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости. Патент РФ №108632 на полезную модель от 26.07.79, Бюл. №26, 2011 [4]). Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости содержит два квадратурных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель, управляемый квадратурным генератором перестраиваемой частоты, фильтр низких частот, устройство выборки и хранения (УВХ) сигнала и соответствующий канал коммутатора. Выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, связан с квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), коммутатором и устройствами выборки и хранения информации.
Этот следящий фильтр-процессор, также как и фильтр-процессор [3], не позволяет измерять знакопеременную скорость в области нулевых частот по тем же причинам - одновременному присутствию на выходах узкополосных фильтров квадратурных сигналов как разностной, так и суммарной частоты.
В предлагаемом решении отмеченный недостаток устраняется. Это достигается за счет того, что в цифровом следящем фильтре-процессоре с двумя квадратурными каналами измерения, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель, фильтр низких частот, устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, при этом первые входы каждого из смесителей объединены вместе и являются входом устройства, их вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, управляет квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем, коммутатором и устройствами выборки и хранения информации, в каждый канал дополнительно введены второй смеситель и сумматор, при этом объединенные первые входы вторых смесителей образуют второй вход фильтра-процессора, вторые входы дополнительно введенных смесителей первого и второго каналов подключены соответственно ко второму и первому выходам управляемого квадратурного генератора перестраиваемой частоты, выходы обоих смесителей первого канала измерения подключены к прямым входам сумматора первого канала, выходы первого и второго смесителей второго канала измерения подключены соответственно к инвертирующему и прямому входам сумматора второго канала, а выходы сумматоров подключены к фильтрам низких частот соответствующего канала измерения.
В предложенном фильтре-процессоре новым по отношению к следящему фильтру-процессору [4] является то, что в каждый из квадратурных каналов дополнительно введены второй смеситель и сумматор.
Принципиально новым техническим решением является то, что в предлагаемом следящем фильтре-процессоре благодаря введению в каждый квадратурный канал измерения новых электронных узлов (смесителя и сумматора) при суммировании в сумматоре выходных сигналов смесителей своего канала на его выходе отсутствует сигнал суммарной частоты входного сигнала и сигнала перестраиваемого генератора частоты. Это позволяет в области нулевых частот осуществлять узкополосную фильтрацию только квадратурных сигналов разностной частоты в широком диапазоне частот и обеспечивать измерение доплеровской скорости и ее знака в широком диапазоне частот.
На фиг 1. представлена блок-схема следящего фильтра-процессора для обработки сигналов доплеровского измерителя знакопеременной скорости.
Входные квадратурные сигналы для следящего фильтра-процессора, как показано в (B.C.Соболев, A.M.Щербаченко, Г.А.Кащеева, А.И.Скурлатов, Е.Н.Уткин, М.Н.Прокопенко, В.И.Козлов, А.Г.Верхогляд. Лазерная доплеровская система нового поколения как датчик скорости для автоматизации научного эксперимента и технологических процессов. Датчики и системы, №2, 2000, [5]), предварительно формируются в оптико-электронном блоке доплеровского измерителя скорости на выходе двух смесителей. На первые входы смесителей поступают квадратурные сигналы генератора, питающего акустооптический модулятор, а на вторые входы смесителей сигнал с фотоприемника. Квадратурные сигналы с выходов смесителей оптико-электронного блока являются входными для заявляемого следящего фильтра-процессора.
d
d
Предлагаемый следящий фильтр-процессор содержит два квадратурных канала измерения 1(2), состоящих из первых 3(8) и вторых 4(9) смесителей и последовательно соединенных сумматора 5(10), фильтра низких частот 6(11), устройства выборки и хранения сигнала 7(12). При этом первые входы первых смесителей 3(8) объединены и являются первым входом следящего фильтра-процессора. Первые входы вторых смесителей 4(9) также объединены и являются вторым входом следящего фильтра-процессора. На эти входы поступают квадратурные сигналы Sin(ϖt) и Cos(ϖt) доплеровской частоты. Выходы смесителей 3 и 4 первого канала соединены с прямыми входами сумматора 5, а выходы смесителей 8 и 9 второго канала подключены соответственно к инверсному и прямому входам сумматора 10. Вторые входы смесителей 3 и 9, как и вторые входы смесителей 4 и 8, подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора 13 перестраиваемой частоты. Цифровой следящий фильтр-процессор содержит также последовательно соединенные коммутатор 14 и аналого-цифровой преобразователь 15, а также интерфейсный блок 16, связанный посредством шины 18 с микропроцессором 17 мгновенных значений разностной частоты.
Выход АЦП подключен к входу интерфейсного блока, который соединен первым, вторым, третьим и четвертым выходами с управляющими входами АЦП 15, квадратурного генератора перестраиваемой частоты 13, двух УВХ (7 и 12) и коммутатора 14, к первым и вторым входам которого подключены выходы указанных УВХ.
d
d
g
g
На входы следящего фильтра-процессора поступают два квадратурных доплеровских сигнала -Sin(ωt) и Cos(ωt). Эти сигналы поступает на первые входы смесителей каждого квадратурного канала. На вторые входы смесителей поступают сигналы Sin(ωt) и Cos(ωt) от квадратурного генератора перестраиваемой частоты.
Первый из них поступает на вторые входы смесителей 3 и 9, а второй на вторые входы смесителей 4 и 8.
d
g
d
g
d
g
Смесители осуществляют перемножение входных сигналов, благодаря чему на выходах смесителей одновременно формируются сигналы суммарной ω+ω и разностной ω-ωчастоты доплеровского сигнала ω и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты ω. Для первого квадратурного канала выходные сигналы смесителей 3, 4 представлены математическими выражениями 3, 4
,
а для второго канала выходные сигналы смесителей 8,9 - выражениями 5,6
d
g
Δω
После суммирования сигналов смесителей 3,4, соответствующих математическим выражениям 3 и 4, в выходном сигнале сумматора 5 пропадает косинусная составляющая суммарной частоты и на входе фильтра 6 первого квадратурного канала измерения остается косинусная составляющая разностной частоты Δω=ω-ω, а именно - U(t)=Cos(Δω)t.
d
g,
Δω
Δω
При суммировании сигналов смесителей 8, 9, соответствующих математическим выражениям 5, 6, благодаря инвертированию сигналов смесителя 8 в выходном сигнале сумматора 10 пропадает синусная составляющая суммарной частоты и на входе фильтра 11 второго квадратурного канала измерения остается только синусная составляющая разностной частоты Δω=ω-ω а именно - V(t)=-Sin()t.
Таким образом, в предлагаемом устройстве на выходах фильтров 6, 11 присутствуют квадратурные сигналы только j разностной частоты, которые и используются микропроцессором 17 для ее измерения и коррекции кода квадратурного генератора перестраиваемой частоты 13, частота которого и соответствует измеряемой частоте.
Принципиально новым техническим решением является то, что в предлагаемом следящем фильтре-процессоре благодаря введению в каждый квадратурный канал измерения новых электронных узлов (смесителя и сумматора) при суммировании в сумматоре выходных сигналов смесителей своего канала на его выходе исключается сигнал суммарной частоты входного сигнала и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты.
Это позволяет в области нулевых частот осуществлять в широком диапазоне частот узкополосную фильтрацию квадратурных сигналов только разностной частоты и обеспечивать измерение доплеровской скорости и ее знака.
Следящий фильтр-процессор осуществляет поиск, захват и слежение за входной частотой.
В режиме поиска и захвата доплеровской частоты код управления частотой генератора линейно возрастает от минимального до некоторого максимального значения. Квадратурные сигналы разностной частоты с фильтров низких частот поступают на входы УВХ и запоминаются ими. Эти данные через коммутатор поступают далее на АЦП, оцифровываются и заносятся в память микропроцессора. Микропроцессор вычисляет амплитуду вектора комплексной огибающей сигнала разностной частоты в соответствии с выражением
Микропроцессор сравнивает это значение с заданным порогом, превышение которого говорит о том, что сигнал разностной доплеровской частоты попал в полосу фильтра низких частот.
С этого момента следящий фильтр-процессор начинает следить за частотой доплеровского сигнала. Микропроцессор вычисляет мгновенную фазу φ сигнала разностной частоты как арктангенс  текущих значений квадратурных сигналов разностной частоты, зафиксированных УВХ. По двум значениям текущей фазы сигнала разностной частоты микропроцессор вычисляет значение разностной доплеровской частоты в соответствии с выражением
.
Значение разностной частоты да», которое преобразуется в компьютере в код разностной частоты, суммируется с кодом, хранящемся в памяти микропроцессора и поступает на квадратурный генератор перестраиваемой частоты. Таким образом, осуществляется слежение за частотой доплеровского сигнала.
При уменьшении амплитуды сигнала ниже установленного программой микропроцессора значения следящий фильтр-процессор переходит в режим хранения, при котором данные на входе квадратурного генератора перестраиваемой частоты не изменяются в течение заданного программой временного интервала.
Если в течение этого временного сигнала амплитуда сигнала доплеровской частоты превысит установленный порог, цифровой следящий фильтр-процессор возвращается в режим слежения, в противном случае следящий фильтр-процессор переходит в режим поиска и захвата частоты.
Испытание следящего фильтра-процессора было проведено на созданном экспериментальном макете. Оно подтвердило тот факт, что исключение на выходах фильтров низких частот сигналов суммарной частоты доплеровского сигнала и сигнала следящего генератора перестраиваемой частоты позволило устойчиво измерять широком диапазоне частот, включая нулевые частоты, как саму доплеровскую частоту, так и ее знак.