FI83999C - Foerfarande och anordning foer maetning av hastigheten av ett objekt genom att utnyttja doppler -foerskjutningen av elektromagnetisk straolning. - Google Patents

Description

83999

Menetelmä ja laite kohteen nopeuden mittaamiseksi sähkömagneettisen säteilyn Doppler-siirtymää hyväksikäyttäen Förfarande och anordning för mätning av hastigheten av ett objekt genom att utnyttja Doppler-förskjutningen 5 av elektromagnetisk strälning

Keksinnön kohteena on menetelmä liikkuvan kohteen nopeuden mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään hyväksi sähkömagneettista säteilyä, 10 joka on sopivimmin radiotaajuusalueella, ja sekä mittausasemalla että mitattavassa kohteessa radiolähetin-vastaanotin-järjestelyä, jolla lähetetään ja vastaavasti vastaanotetaan vastakkaiselta asemalta radiosignaalit, joiden taajuuksiin sisältyvät Doppler-siirtymät havaitaan sekä mittausasemalla että mittauskohteessa ja mainittujen Doppler-siir-15 tyrnien perusteella määrätään mitattavan kohteen pako- ja/tai lähesty-misnopeus mittausaseman suhteen.

Lisäksi keksinnön kohteena on keksinnön menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, joka käsittää mittausasemalla olevan lähetin-vastaan-20 otin-järjestelyn sekä antennin ja liikkuvassa, mitattavassa kohteessa olevan vastaavan lähetin-vastaanotin-yhdistelmän sekä antennin.

Ennestään tunnetaan useita menetelmiä, joilla sähkömagneettista säteilyä käyttäen mitataan kohteen etäisyyttä ja sen muutosnopeutta. Tunne-25 tuissa menetelmissä käytetään hyväksi aikaa, joka kuluu säteilyn etenemiseen kohteen ja mittausaseman välillä.

Aikaeron mittaukseen perustuu etäisyyden mittaus myös ennestään tunnettuja pulssitutkia käyttäen. Menetelmän epäkohtana on mittausasemalla 30 vaadittava suuri säteilyteho ja kohteessa tarvittava tutkaheijastin. Epäkohdat johtuvat ennenkaikkea siitä, että mittausasemalla heijastimesta vastaanotettu teho on kääntäen verrannollinen mittausaseman ja kohteen välisen etäisyyden neljänteen potenssiin. Epäkohtana on myös se, että pulssitutka on leveäkaistainen ja se vaatii siis suuren alueen 35 radiotaajuusspektristä.

Ennestään tunnetaan myös pulssitutkaa vastaava kapeakaistainen ratkaisu eli Doppler CW -tutka, mutta etäisyyden muutosta ei tämän avulla 2 83999 voida määrätä yksikäsitteisesti, sillä Doppler CV -tutkan avulla ei yleensä saada mittausaseman ja kohteen välisen etäisyyden muutosnopeuden etumerkkiä, ts. Doppler-eron perusteella ei voida todeta onko kohteen ja mittausaseman välinen etäisyys pienenemässä vai suurenemassa.

S Muut epäkohdat ovat samoja kuin pulssitutkassa, koska toiminta noudattaa tutkayhtälöä.

Ennestään tunnetaan myös aikaeron mittaukseen perustuva ns. toisiotut-ka, jossa käytetään kohteessa olevaa transponderia. Tällöin tarvitaan 10 kohteeseen vastaanotin mittausaseman lähettimen taajuudelle ja lähetin toiselle taajuudelle, joka on niin etäällä mittausaseman lähettimen taajuudesta, että mittausasemalta tulevien heikkojen signaalien vastaanotto ei häiriinny. Toisiotutkassa transponderin vastaanottama lähete ilmaistaan ja sillä moduloidaan transponder-lähetintä, jonka lähete 15 vastaanotetaan mittausasemalla. Vertaamalla mittausasemalta lähetettyä ja vastaanotettua kohteen lähetettä voidaan radioaaltojen kulkuaika määrätä, kun mittausasemalta lähetettävä signaali on sopivasti moduloitu. Mittausasemalla ja kohteessa riittävät suhteellisen pienet lähetys-tehot, koska toisiotutka ei noudata tutkayhtälöä, vaan signaalien vai-20 meneminen yhdysvälillä on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Transponder-menetelmän epäkohtana on kahden suhteellisen etäällä toisistaan olevan taajuuskanavan tarve. Modulaatiomenetelmästä riippuen lähetteet ovat usein myös laajakaistaisia.

25 Viitteissä "Passive Tracking of Meteorological Radio Sondes for Upper Air Vind Measurements", H.K.E. Tiefenau, A. Sprenger KG GmbH & Co, BRD, ja Philipsin esite "HWR 60/120 (P) Meteorologic Radar System with Passive Tracking Potential" on esitetty menetelmä, jolla kohteen ja mittausaseman välinen etäisyyden muutos saadaan mitatuksi kahta hyvin 30 tarkaan tunnettua kellotaajuutta vertaamalla. Näistä toinen kehitetään kohteessa ja toinen mittausasemalla. Vertaamalla kohteesta lähetettyä kellotaajuutta mittausasemalla kehitettyyn havaitaan kohteen lähesty-mis- tai pakonopeudesta johtuva kohteesta vastaanotetun kellotaajuuden Dopplersiirtymä ja täten määritetään etäisyyden muutosnopeus. Menetelmä 35 on luonteeltaan kapeakaistainen ja vaatii vain yhden taajuuskanavan käyttöä, mutta sen epäkohtana on kellotaajuuksien erittäin suuri sta- 3 83999 biillsuusvaatimus. Esimerkiksi radiosondihavainnoissa vaadittava stabiilisuus on suuruusluokkaa 10'Vh. Näin stabiilin kellotaajuuden kehittäminen radiosondissa johtaa käytännössä suuriin vaikeuksiin ja kalliisiin laiteratkaisuihin.

5

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uusi menetelmä ja laite, jolla on suoritettavissa Doppler-siirtymään perustuen etenkin radiotaajuista säteilyä hyväksikäyttäen mittausaseman ja kohteen keskeisen siirtymä-nopeuden mittaus niin, että edellä ilmenneet epäkohdat pääasiallisesti 10 vältetään.

Keksinnön lisätarkoituksena on aikaansaada kyseinen mittausmenetelmä ja laite ilman, että tarvitaan erikoisen tarkkoja kellotaajuusoskillaat-toreita mittausasemalla ja/tai mitattavassa kohteessa.

15

Keksinnön lisätarkoituksena on saada aikaan radiotaajuuksia säästävä kyseinen mittausmenetelmä.

Keksinnön lisätarkoituksena on aikaansaada sellainen menetelmä ja lai-20 te, jossa voidaan käyttää suhteellisen pienitehoisia lähettimiä ja verraten yksinkertaisia, toteutukseltaan edullisia piiriratkaisuja.

Keksinnön ensisijaisena sovelluskohteena hakijalla on tuulen mukana liikkuvan radiosondin liikkeen tarkka seuraaminen tuulivektorin määrää-25 miseksi yhdistämällä mittaukseen atsimuuttikulmamittaus radiosuuntimen avulla sekä tieto radiosondin geometrisesta korkeudesta, joka voidaan johtaa sondin suorittamista paine-, lämpötila- ja kosteusmlttauksista tai yleensä vähemmällä tarkkuudella sondin arvioidusta nousunopeudesta tai korkeustiedon asemasta lisäksi tieto suuntimalla mitatusta elevaa-- - 30 tlokulmasta.

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että menetelmä käsittää kombinaationa seuraavat vaiheet: 35 4 83999 (a) mittausasemalta ja kohdeasemalta lähetetään radiosignaalit, joiden taajuudet poikkeavat toisistaan suhteellisen pienen taajuuseron verran tai Doppler-taajuussiirtymän verran, ja pienen taajuuseron itseisarvon suuruus pysyy ainakin yhtä suurena kuin suurimman odotettavissa olevan 5 Doppler-taajuussiirtymän itseisarvo, (b) mainitut radiosignaalit vastaanotetaan niiden lähetysasemiin nähden vastakkaisilla asemilla, 10 (c) muodostetaan mittausasemalla ja kohdeasemalla vastaanotetun Dopp- ler-siirtymän sisältävän taajuuden ja paikallisesti kehitetyn, olennaisesti signaalitaajuuden suuruisen vastakkaiselle asemalle lähetetyn vertailutaajuuden erotaajuus tai -taajuudet niin, että erotaajuudeksi tai -taajuuksiksi saadaan pientaajuinen tai kohdeasemalla mahdollisesti 15 nollataajuinen signaali, (d) mainittujen erotaajuuksien perusteella määritetään Doppler-taa-juussiirtymä, jonka perusteella kohteen nopeus saadaan.

20 Keksinnön mukaiselle laitteelle puolestaan on pääasiallisesti tunnusomaista se, että sekä mittausaseman että kohdeaseman radiolaitteet käsittävät stabiilit suurtaajuusoskillaattorit, joiden taajuuksilla on vähintään Doppler-siirtymätaajuuden suuruinen ero, että mainittuihin radiolaitteisiin kuuluvat sekoittajat, joihin on johdettu paikallisos-25 killaattoritaajuus ja antennilla vastaanotettu Doppler-siirtynyt taajuus ja että radiolaitteisiin kuuluvat lisäksi Beat-vahvistimet tai vastaavat, joista saatavista pientaajuussignaaleista on määrättävissä liikkuvan kohdeaseman lähestymis- ja pakonopeus.

30 Esillä oleva keksintö tarjoaa samalla ratkaisulla kaikki käytännössä tärkeät seuraavassa luetellut edut:

Keksinnön avulla voidaan toteuttaa Doppler-siirtymään perustuva säteisnopeuden mittaus ilman erikoisen stabiileja kellotaajuus-35 oskillaattoreita mittausasemalla tai seurattavassa liikkuvassa kohteessa.

5 83999

Keksintö mahdollistaa kapeakaistaisen toiminnan yhdellä taajuusalueella. Menetelmä ja laite on radiotaajuuksia säästävä, mitkä ovat tärkeitä etuja esimerkiksi tunnettuihin transponder-järjes-5 telmiin verrattuna.

Keksinnön avulla voidaan, päinvastoin kuin tutkalla, suorittaa mittaus käyttämällä pienitehoisia lähettimiä, koska lähetteet vaimenevat etäisyyden neliöön verrannollisena eivätkä tutkayhtä-10 lön mukaisesti.

Mittaukseen tarvittavat piiriratkaisut ovat suhteellisen yksinkertaisia.

15 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin eräisiin keksinnön edullisiin sovellusesimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintöä ei mitenkään ahtaasti ole rajoitettu.

20 Kuvio 1 esittää kaaviollisesti ja lohkokaaviona keksinnön menetelmän pääperiaatetta.

Kuvio 2 esittää kuviota 1 vastaavalla tavalla keksinnön toista toteutusmuotoa .

25

Kuvio 3 havainnollistaa lohkokaaviona keksinnön erästä edullista digitaalista toteutusesimerkkiä sondissa olevien radiolaitteiden osalta.

Kuvio 4 havainnollistaa kuvion 3 mukaisen laitteen toimintasekvenssien 30 periaatetta.

Kuvio 5 esittää kaaviollisesti kuvioiden 3 ja 4 mukaisen sondin yhteydessä käytettävää maa-asemalaitteiden järjestelyä.

35 Kuvio 6 esittää kaaviollisesti tarkemmin erästä kuvion 2 mukaista keksinnön toteutustapaa.

6 83999

Keksinnön pääperiaate selviää kuviosta 1, jossa B on mittausasema ja A kohdeasema, jonka lähestymis- ja pakonopeutta mittausasemalla B mitataan. Sekä mittausasema B että kohdeasema A ovat olennaisilta radio-5 osiltaan samanlaisia sisältäen lähettimen 10,20 ja antennin 11,21, joka tässä esimerkissä on mittausasemalla B suunta-antenni 11 ja kohde-asemassa ympärisäteilevä antenni 21, sekä vastaanottimet, jotka puolestaan sisältävät sekoittajan 12,22, beat-vahvistimen 13,23 ja taajuus -mittarin 14,24.

10

Kuvion 1 mukaisesti liikkuvan kohdeaseman A lähettimen 20 taajuus on fl. Mittausaseman B lähettimen 10 taajuus f2 on tässä toteutusesimer-kissä hiukan korkeampi eli f2-fl+fk, jossa fk on kuitenkin suurempi kuin suurin odotettavissa oleva kohdeaseman A liikkeestä johtuva Dopp-15 ler-taajuussiirtymä fd, joka on hyvin tarkkaan sama kohdeasemalla A

havaitussa mittausaseman B lähetteessä kuin mittausasemalla B havaitussa kohdeaseman A lähetteessä, koska molemmat lähettimet 10 ja 20 toimivat käytännöllisesti katsoen samalla taajuudella fl « f2.

20 Kuvion 1 perusteella havaitaan, että mittauaseman B sekoittajassa 12 syntyy beat-taajuus fb-fk-fd ja kohdeaseman A sekoittajassa beat-taa-juus fa-fk+fd, jotka taajuudet vahvistetaan beat-vahvistimissa 13,23 ja mitataan taajuusmittareilla 14,24 sekä kohdeasemalla A että mittausasemalla B. Taajuusmittareilla 14,24 mitatuista taajuuksista saadaan Dopp-25 ler- siirtymäksi fd-(fa-fb)/2, jonka perusteella kohdeaseman A nopeus v mittausaseman B suhteen voidaan laskea tunnetusti seuraavasta kaavasta c*fd v —---- f, 30

Kuvion 1 esimerkissä kohdeaseman A lähestyessä mittausasemaa B on fa>fb ja kohteen A etääntyessä asemasta B on fb>fa, jolloin fd muuttuu miinusmerkkiseksi, ja täten tulos on yksikäsitteinen. Koska fk ei ole mukana Doppler-taajuuden laskukaavassa, ei kummankaan lähettimen taa-35 juusstabiilisuudelle aseteta erikoisen suuria vaatimuksia. Myöskään taajuusmittauksien tarkkuudelle ei aseteta erityisen suuria vaatimuk- 7 83999 sla, koska taajuudet fb-fk-fd ja fa-fk+fd ovat verraten pieniä ja fd:n suhteellinen muutos on suuri.

Kuviossa 2 on esitetty sellainen keksinnön toteutusesimerkki, jossa 5 kohdeaseman A lähettämä taajuus säädetään jatkuvasti täsmälleen samaksi kuin sen mittausasemalta B vastaanottama Doppler-siirtynyt taajuus fl käyttäen vaihelukittuja silmukoita. Kuviossa 2 on esitetty vain kohde-asema A ja mittausaseman eräs tarkempi toteutus selviää myöhemmin selostettavasta kuviosta 6.

10

Kuvion 2 mukaisesti kohdeasema A lähettää ja vastaanottaa mittaussignaalit antennilla 21. Haaroittimella 73 hoidetaan antennin 21 kytkeminen sekä lähettimeen, jonka muodostavat pääteaste 70 ja jänniteohjat-tu (VCO) oskillaattori 71, että vastaanottimeen, jonka muodostavat 15 vaiheilmaisin 74 ja alipäästösuodattimella varustettu vahvistin 72. Antenniin 21 mittausasemalta B tuleva signaali, jonka taajuus on fl, johdetaan vaiheilmaisimeen 74, johon tuodaan myös oskillaattorin 71 signaali. Vaiheilmaisimen 74 lähtö, silloin kun oskillaattorin 71 ja vastaanotetun signaalin taajuudet ovat samat, f1, on mainittujen sig-20 naalien vaihe-eroon verrannollinen tasajännite. Saatu tasajännite vaikuttaa vahvistimen 72 kautta oskillaattoriin 71 säätäen sen taajuuden siten, että lohkojen 74,72,71 ja 70 muodostama vaihelukittu silmukka lukittuu ja pysyy lukossa eli oskillaattorin 71 taajuus on aina sama kuin vastaanotetun signaalin taajuus fl.

25

Kuvion 1 selostetun keksinnön pääperiaatteen mukaisesti on kuvion 2 ratkaisuna aina fa - 0 ja fk - -fd. fb:n itseisarvo /fb/ - 2 fd, mutta fd:n etumerkkiä ei saada määrätyksi. Kuviossa 6 on esitetty järjestely, jolla kuvion 2 mukaisessa ratkaisussa myös fb:n etumerkki saadaan mää-30 rätyksi ja fd:n suuruus voidaan yksikäsitteisesti havaita. Kuvion 6 ratkaisu selostetaan myöhemmin tarkemmin.

Edellä on kuvioihin 1 ja 2 viitaten selostettu keksinnön yleinen periaate. Kuvion 1 ratkaisussa ei vielä ole esitetty sitä, miten tieto koh-35 teessä A mitatusta taajuudesta fb siirretään mittausasemalla B Doppler-mittausta häiritsemättä. Mitatut taajuudet fa ja fb on tunnettava sama- 8 83999 na tai lähes samana ajankohtana, jotta lähettimiltä ei vaadittaisi suurta stabiilisuutta. Periaatteessa tähän on useita menetelmiä, joista ' eräitä selostetaan myöhemmin.

5- Kuvioissa 3,4 ja 5 esitetyssä keksinnön toteutusesimerkissä seurattavana kohdeasemana A on meteorologinen radiosondi, joka mittaa ilmakehän painetta, lämpötilaa ja kosteutta (PTU) esim. kapasitiivisilla antureilla 30. Kuviossa 3 on esitetty lohkokaaviona sondissa olevat radiolaitteet sekä niihin liittyvä digitaalinen mittaus- ja ohjaus-10 elektroniikka. Mittaustiedon käsittely tapahtuu digitaalisesti ja tiedonsiirrot mittausasemalle B suoritetaan 1660-1700 MHz alueelle viritetyn lähettimen 20 avulla käyttäen 2100 Hz ja 1300 Hz apukantoaaltoja ja FM-modulaatiota. Keksinnön mukaisesta Doppler-mittauksesta saatu tieto eli edellä selostetun beat-taajuuden fa siirto tapahtuu samaa menetel-15 mää käyttäen kuin paine-, lämpötila- ja kosteustietojen siirto.

Kuvion 4 mukaisesti sondin Aja mittausaseman B muodostamalla järjestelmällä on kaksi toimintatilaa, Doppler-mittaustila ja lähetystila, jonka aikana tapahtuvat myös anturimittaukset. Doppler-mittaustilan 20 aikana mittausaseman B lähetin on toiminnassa lähettäen kantoaaltoa taajuudella fl+fk ja samoin sondin A lähetin 20 on päällä lähettäen kantoaaltoa taajuudella fl. Taajuus fk voi olla esimerkiksi n. 1 kHz.

Taajuutta fk pidetään suurin piirtein vakiona säätämällä tarvittaessa mittausaseman B lähettimen taajuutta hitaasti automaattisen taajuuden 25 säädön (AFC) avulla. Doppler-mittaustilan aikana mitataan beat-taajuu-det fa sondissa A ja taajuus fb mittausasemalla B.

Sondin A lähetystilan aikana suoritetaan anturimittaukset yksiköllä 30 ____ sekä Doppler-mittaustiedon eli sondissa A mitatun beat-taajuuden fa 30 siirto mittausasemalle B moduloimalla sondin A lähetintä 20 ja vastaanottamalla tämä lähete mittausasemalla B erillistä tavanomaista FM-vas-taanotinta käyttäen. Jotta tämä olisi mahdollista, on lähetystilan j aikana mittausaseman B lähetin sammutettuna.

35 Yllä esitetyin järjestelyin saavutetaan se, että sondin A mittaustiedon siirtoon tarvitsema FM-modulaatio ei voi millään tavalla häiritä 9 83999

Doppler-mittauksen suoritusta. Lähetystilan pituus voi olla esimerkiksi n. 1 s ja Doppler-mittaustilan pituus sama tai vähän lyhyempi (kuvio 4). Jos näitä aikoja pidennetään, menetetään tarpeettomasti anturimit-tausten korkeusresoluutiota, ja toisaalta tarvittava tietomäärä saadaan 5 hyvin siirretyksi 1 s aikana esimerkiksi ASCII-merkkeinä käyttämällä esim. 1200 baudin siirtonopeutta.

Mittausaseman B ja sondin A toiminnot on synkronoitava havainnon alkaessa ja pidettävä synkronoituna koko havainnon ajan. Tämä tapahtuu 10 seuraamalla mittausasemalla B sondin A lähettimen ASCII-merkkien saapu-misajankohtaa ja tekemällä tarvittaessa mittausaseman B toimintajakso-tuksen ajankohtaan pieniä korjauksia. Käytännössä on aiheellista jättää toimintajaksojen väliin pieni (muutaman millisekunnin) kuviossa 4 esitetty kuollut aikaväli At, jonka aikana mitkään toiminnot eivät ole 15 aktivoituna.

Koska Doppler-mittaus on katkonaista, syntyy mittaukseen spektrin levenemistä, joka on suuruusluokalleen mittauksen keston käänteisarvo, tässä esimerkissä n. 1 Hz. Tällä ja muilla spektriä leventävillä teki-20 Jöillä tai taajuusmittauksen kohinalla ei tässä sovellutuksessa ole merkitystä, koska tuulenmittaustulos normaalisti tasoitetaan laskennallisesti usean kymmenen sekunnin ajalle.

Kuvion 3 mukaisesti sondissa käytetään kahta vertikaalisesti polari-25 soitua antennia 21a ja 21b, joiden sijoitus valitaan siten, että lähet-timestä 20 sekoittajalle 22 siirtyvä teho on sekoittajan 22 kohinan kannalta parhaalla mahdollisella tasolla. Muita keinoja lähettimen 22 ja vastaanottimen eristämiseksi toisistaan ei tarvita, koska lähetin 20 on teholtaan vain muutama sata mW. Vertikaalipolarisaatio antenneissa 30 21aj 21b vaimentaa tehokkaasti maahan säteilevää ja sieltä takaisin heijastuvaa lähetettä, koska antennin säteilykuvion nollakohdat ovat tässä suunnassa. Sekoittajana 22 käytetään sopivimmin diodisekoittajaa. Beat-vahvistimen 23 vahvistus on niin suuri, että beat-signaali leik-kaantuu vahvistimen 23 ulostulossa, jolloin saadaan digitaaliselle taa-35 juusmittarille 24 sopivia pulsseja. Vahvistimeen 23 on sisällytetty kohinan pienentämiseksi kaistanpäästösuodin, jonka keskitaajuus on fk ιο 83999 ja jonka leveys määräytyy suurimman ja pienimmän (negatiivisen) odotettavissa olevan Doppler-siirtymän mukaan ja yleensä n. 1000 Hz kaistaleveys on riittävä. Lähetin 20 on kidestabiloitu.

5 Kuviossa 3 kaaviollisesti esitettyjen digitaalipiirien toimintaa on kuvattu seuraavassa.

(OSC) (40) Yksikkö 40 on oskillaattori, jossa on normaali mikroprosessorikide.

10 TIMING (41) Yksikkö 41 (Sensor, Doppler, Low) jakaa mittauskierroksen ajan anturi-ja Doppler-mittauksille.

15 CONTROL FOR SENSOR Kun ko. yksikkö 36 on enabloitu, antaa MEASUREMENT (36) se mittauskäs-kyt "SENSOR FREQUENCY MEASUREMENT"-asteelle 32 sekä valitsee anturit 30 mitattavaksi vuoronperään.

20 SENSOR FREQUENCY Tästä asteesta 32 saadaan lähtötieto - MEASUREMENT (32) na N-bittinen sana, jossa on tieto mitatusta anturitaajuudesta (OSC:n 40 taajuus tunnetaan).

25 CONTROL FOR DOPPLER Kun aste 37 on enabloitu, antaa se

MEASUREMENT (37) mittauskäskyt "DOPPLER FREQUENCY

MEASUREMENT"-asteelle 24.

30 DOPPLER FREQUENCY Tästä asteesta 24 saadaan lähtötieto- MEASUREMENT (24) na N-bittinen sana, jossa on tieto mitatusta fa-taajuudesta (OSC:n 40 taajuus tunnetaan).

. . j 11 83999 fflll.TTPT.EXER (33) Multiplekserillä 33 valitaan Jompi kumpi N-bittisistä tuloista N-bitti-seen lähtöön.

5 LATCH (34) Kun Doppler-mittaus on enabloitu, on TIMING-asteelta 41 saatava ohjaussignaali "LOW". Tällöin CONTROL FOR DOPPLER MEASUREMENT-aste 37 käynnistää DOPPLER FREQUENCY MEASUREMENT- 10 asteen 24 laskurin. Valmis mittaustulos jää DOPPLER FREQUENCY MEASUREMENT-asteen 24 lähtöön. Ennen kuin mennään takaisin anturien 30 mittaus-moodiin, talletetaan mittaus- 15 tulos LATCH-asteeseen 34. Talletus tapahtuu antamalla pulssi OR piirin kautta CONTROL FOR DOPPLER MEASURE-MENT-asteelta 37. Näin Doppler-tieto on lähetettävissä heti kun anturimit- 20 taus aloitetaan. Vastaavasti jokaisen anturin 30 mittaustulos talletetaan LATCH:iin 34, jotta mittausaste on vapaa seuraavaan anturimittaukseen.

25 BINARY ASCII CHARACTER Asteessa 35 binääriluvuista muodoste- CONVERTER (35) taan tarpeellinen määrä standardeja ASCII-merkkejä ja bittinopeus voi olla esimerkiksi 1200 bit/s.

30 FSK MODULATOR (38) Yksikössä 38 sarjamuotoiset ASCII- merkit moduloidaan siten, että "LOW"-tilan aikana lähetetään sinitaajuutta 2100 Hz ja HIGH-tilan aikana lähetetään sinitaajuutta 1300 Hz.

35 (CCITT V.23, 1200 baud-standardi).

i2 83999 ANALOG SWITCH (39) FSK-apukantoaalto viedään lähettimel lä analogiakytkimen 39 kautta. Silloin kun suoritetaan Doppler-mittaus, on kytkin 39 auki ja lähettimen 20 5 taajuus on sen perustaajuus fl. Kun suoritetaan antureiden 30 mittausta analogiakytkin 39 on kiinni, jolloin mittaustiedot pääsevät lähettimelle 20 sen modulaattoriin.

10

Kuviossa 3 esitetty digitaalielektroniikka on edullisimmin toteutettavissa ASIC-piiriä käyttäen. Samat toiminnot voidaan aikaansaada mikroprosessoriin perustuvalla elektroniikalla.

15 Kuvio 5 esittää kaaviomaisesti ja yksinkertaistettuna kuvioiden 3 ja 4 mukaisen sondin A tai vastaavan kanssa käytettävää mittausasemaa B. Kulman seurantaan ja sondin A lähettämän muodulaation ilmaisuun käytetään tavanomaista amplitudivertailuun perustuvaa monopulssiteodoliittia. Ainoastaan järjestelyt, joita tarvitaan yksidimenstonaaliseen kulmamittaukseen, on 20 esitetty kuviossa 5.

Teodoliitissa on syöttöantennit 11a ja 11b, joilla on yhteinen parabolinen heijastin. Komparaattorissa 50 muodostetaan vastaanotettujen antennisignaalien summajännite Σ ja erotusjännite Δ. Nämä signaalit johdetaan kahteen 25 vastaanottimeen, joilla on yhteinen paikallisoskillaattori 53, joihin kuuluvat sekoittajat 51 ja 52 ja välitaajuusvahvistimet 54 ja 55. Vaiheher-kästä ilmaisimesta 56 saadaan ulos kulmavirhejännite Uv suunta-antennin servon ohjausta varten. Taajuusmodulaatioilmaisimen 57 ulostulona on sondin A lähettämä informaatio, joka sisältää sondin A lähettämän tiedon sondissa 30 A mitatusta beat-taajuudesta fa - fk+fd sekä tiedon antureilla 30 mitatusta paineesta, lämpötilasta ja kosteudesta (PTU). Toiminta on yllä kuvatun mukainen järjestelmän ollessa lähetystilassa, jolloin Doppler-mittausta ei tapahdu.

35 Kuviossa 5 esitetty mittausasema B siirtyy Doppler-mittaustilaan kun prosessorin 58 antama ohjaussignaali CONTR vaihtaa TR-kytkimen 59 asentoa ja i3 83999 sulkee lähettimen 10 käynnistyskytkimen 48, jolloin sekoittajassa 12 syntyvän beat-taajuuden mittaus tapahtuu aikaisemmin esitetyllä tavalla.

Paitsi synkronoinnin tarkkailua ja hienosäätöä on kuviossa 5 esitetyn pro-5 sessorin 58 tehtävä pitää taajuus fk noin 1 kHz suuruisena kehittämällä lähettimelle 10 taajuuskorjausjännite AFC sekä antaa ulostuloina PTU-tiedot ja mitattu Doppler-taajuus fd myöhempää prosessointia varten.

Käytännössä on eduksi, että kuvion 5 mittausaseman B lähetin 10 on suuri-10 tehoisempi kuin sondin A lähetin 20, jonka teho on muutamia satoja mW, siis esimerkiksi muutama W. Koska mittausasemalla B on hankalaa käyttää erillisiä antenneja lähetykseen ja vastaanottoon, estetään lähettimen tehon pääsy sekoittajalle liian suuritasoisena hybridiliitoksen 49 avulla. Tässä esitetyssä esimerkissä ei teodoliitti ole Doppler-mittauksen aikana päällä ja 15 kulmaseurannan parantamiseksi on edullista ohjata antenniservoa tällöin ohjelmallisesti aikaisemman tiedon perusteella.

Kuvion 6 mukaisesti kohdeasema A lähettää ja vastaanottaa radiosignaalit antennilla 61 ja haarottimella 62 hoidetaan antennin 61 kytkeminen lähet-20 timeen ja vastaanottimeen. Vaihtoehtoisesti voidaan myös käyttää erillisiä lähetys- ja vastaanottoantenneja. Kohdeaseman A toiminta jakautuu ajallisesti kolmeen toimintajaksoon, jotka ovat PTU-signaalin lähetys, Doppler-mittaussignaalin lähetys ja Doppler-mittaussignaalin vastaanotto. Toiminnan ajoittaa ja ohjaa ohjausyksikkö 70 elektronisten kytkimien 64,67 ja 71 25 avulla.

Doppler-mittaussignaalin vastaanottotilassa kytkimet 64 ja 71 ovat auki ja kytkin 67 kiinni. Antenniin 61 tuleva signaali, jonka taajuus on fl -f3+fd, johdetaan vaiheilmaisimeen 66 yhdessä jänniteohjatun oskillaattorin 30 65 signaalin kanssa. Vaiheilmaisin 66 voi olla esim. diodirengasmodulaatto- ri, kaksoishilakanavatransistori yms. Vaiheilmaisimen 66 lähtö, silloin kun jänniteohjatun oskillaattorin 65 ja vastaanotetun signaalin taajuudet ovat samat, fl, on mainittujen signaalien vaihe-eroon verrannollinen tasajänni-te. Saatu tasajännite menee kytkimen 67, alipäästösuodatin-vahvistin-yhdis-35 telmän 68 sekä summaimen 69 kautta jänniteohjatulle oskillaattorille 65 säätäen sen taajuutta siten, että lohkojen 65,66 ja 68 muodostama vaihelu- i4 83999 kittu silmukka lukittuu ja pysyy lukossa eli jänniteohjatun oskillaattorin 65 taajuus on aina sama kuin vastaanotettu taajuus fl sen kulloisestakin arvosta riippumatta.

5 Doppler-mittaussignaalin lähetystilassa kytkimet 67 ja 71 ovat auki ja 64 kiinni. Kytkimen 67 avauduttua jänniteohjatun oskillaattorin 65 säätöjänni-te pysyy alipäästösuodattimen ansiosta avautumista edeltäneessä arvossaan, vähäistä ryömintää lukuunottamatta, ja oskillaattorin 65 taajuus siten vakiona. Tarvittaessa voidaan alipäästösuodattimen lisäksi käyttää esim.

10 digitaalista näyte- ja pito-piiriä, jollaisen muodostavat analogiadigitaa-limuunnin, luku-kirjoitus-muisti (RAM) ja digitaalianalogiamuunnin ohjaus-piireineen. Oskillaattorin 65 lähtösignaali johdetaan kytkimen 64 kautta tehovahvistimeen 63 ja edelleen haaroittimen 62 kautta antenniin 61. Näin kohdeasema A lähettää moduloimatonta kantoaaltoa, jonka taajuus on fl -15 f3+fd.

PTU-signaalin lähetystilassa ovat kytkimet 64 ja 71 kiinni ja 67 auki. Jänniteohjatun oskillaattorin 65 taajuus pysyy edelleen keskimäärin vakiona, kuten Doppler-mittaussignaalin lähetystilassakin. PTU-signaalit johde-20 taan kytkimen 71 ja summaimen 69 kautta jänniteohjatulle oskillaattorille, jonka taajuutta näin moduloidaan. Moduloitu signaali viedään kytkimen 64, tehovahvistimen 63 ja haaroittimen 62 kautta antenniin 61, eli lähetetään mittausasemalle B.

25 Kuvion 6 mukainen mittausasema B lähettää ja vastaanottaa radiosignaalit antennilla 72 ja haaroittimella 73 hoidetaan antennin kytkeminen vuoronperään lähettimeen ja vastaanottimeen. Vaihtoehtoisesti voidaan myös käyttää erillisiä lähetys- ja vastaanottoantenneja. Mittausaseman B ajoitus on sama kuin edellä kuvattu kohdeaseman A ajoitus. Ajoitusta ohjaa kohdeasema 30 A itsenäisesti ja mittausasema B noudattaa sitä.

Kohdeaseman A ollessa Doppler-signaalin vastaanottotilassa, eli kun se ei lähetä mitään signaalia, mittausaseman ohjauksyksikkö 78 sulkee kytkimen 75 ja avaa 89:n ja 90:n. Mittausaseman B referenssioskillaattori 81, jonka 35 taajuus fg on esim. 10 kHz, toimii referenssinä kahdelle vaihelukitulle silmukalle. Lähettimen vaihelukittu silmukka muodostuu ohjelmoitavasta 15 83999 taajuusjakajasta 79, vaiheilmaisimesta 80, alipäästösuodatin-vahvistin-yhdistelmästä 77 ja jänniteohjatusta oskillaattorista 76. Jänniteohjatun oskillaattorin 76 taajuus on f3 - n · fg (fl-fd on vakio), oskillaattorin 76 signaali viedään kytkimen 75, tehovahvistimen 74 ja haaroittimen 73 5 kautta antenniin 72, josta se lähetetään kohdeasemalle A. Ohjausyksikkö 78 pitää kytkintä suljettuna jatkaen lähetystä ennalta määrätyn ajan, joka on tyypillisesti n. 0,1...1 s.

Kuviossa 6 esitetyn kohdeaseman A alettua oman lähetyksensä mittausasema B 10 siirtyy Doppler-mittaussignaalin vastaanottotilaan, jossa kytkin 90 on kiinni ja 75 sekä 89 auki. Antennista 72 haaroittimen 73 kautta tulee signaali (taajuus fl+fd - f3+2fd) sekoittajaan 87, joka voi olla esim. diodirengasmodulaattori, kaksoishilakanavatransistori tms. Sekoittajaan 87 tuotava paikallisoskillaattorisignaali muodostetaan vaihelukitulla silmu-15 kalla. Vaihelukittu silmukka koostuu ohjelmoitavasta jakajasta 83, vaiheilmaisimesta 84, alipäästösuodatin-vahvistin-yhdistelmästä 86 ja jänniteohjatusta oskillaattorista 85. Jänniteohjatun oskillaattorin 85 taajuus on f4 - (n+l)*fg. Sekoittajasta 87 saadaan alipäästösuodattimen 88 kautta erotustaajuus /f4-f3-2fd/. Kun f3 - n*fg, f4 - (n+l)»fg ja lisäksi fg>2fd, 20 saadaan erotustaajuudeksi yksikäsitteisesti f4-f3-2fd - fg-2fd. Erotustaajuus viedään kytkimen 90 kautta taajuusmittariin 91, jolla sen arvo saadaan määritetyksi ja Doppler-siirtymä fd edelleen lasketuksi kun fg on tunnettu.

Kuvion 6 mukaisen kohdeaseman A aloittaessa määrätyn ajan kuluttua PTU-25 signaalin lähetyksen ohjausyksikkö 78 asettaa mittausaseman PTU-signaalin vastaanottotilaan, jossa kytkimet 75 ja 90 ovat auki ja 89 kiinni. Tällöin kohdeaseman A lähettämä taajuusmoduloitu signaali vastaanotetaan ja ilmaistaan tavanomaisella FM-vastaanottimella 82 ja ilmaistu PTU-signaali viedään kytkimen 89 kautta edelleen käsiteltäväksi. Vastaanottimesta 82 saadaan 30 myös ohjausyksikön 78 toiminnan tahdistamiseksi kohdeaseman A kanssa tarvittava ohjaus perustuen siihen, että kohdeasemalta A tulevan signaalin katketessa katsotaan sen siirtyneen Doppler-mittaussignaalin vastaanottotilaan. Muut tilasta toiseen siirtymiset suoritetaan tarvittavien toleranssien puitteissa samojen vakioaikojen kuluttua kohde- ja mittausasemalla A,B. 35 i6 83999

Edellä on keksintöä selostettu yksityiskohtaisesti viittaamalla vain sondin seurannassa ja sen nopeuden mittauksessa käytettyyn keksinnön sovellus -esimerkkeihin. Edellä esitetyn perusteella on kuitenkin alan ammattimiehelle ilmeistä, että keksintöä voidaan soveltaa myös useissa muissa vastaavis-5 sa sovelluksissa.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.

10

Claims (11)

17 83999

1. Menetelmä liikkuvan kohteen (A) nopeuden (v) mittaamiseksi, jossa menetelmässä käytetään hyväksi sähkömagneettista säteilyä, joka on sopivimmin 5 radiotaajuusalueella, ja sekä mittausasemalla (B) että mitattavassa kohteessa (A) radiolähetin-vastaanotin-järjestelyä, jolla lähetetään ja vastaavasti vastaanotetaan vastakkaiselta asemalta (A,B) radiosignaalit, joiden taajuuksiin sisältyvät Doppler-siirtymät (fd) havaitaan sekä mittausasemalla (B) että mittauskohteessa (A) ja mainittujen Doppler-siirtymi-10 en (fd) perusteella määrätään mitattavan kohteen pako- ja/tai lahestymisno-peus (v) mittausaseman (B) suhteen, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää kombinaationa seuraavat vaiheet: (a) mittausasemalta (B) ja kohdeasemalta (A) lähetetään radiosignaalit, 15 joiden taajuudet poikkeavat toisistaan suhteellisen pienen taajuuseron (fk) verran tai Doppler-taajuussiirtymän (fd) verran, jolloin pienen taajuuseron (fk) itseisarvon suuruus pysyy ainakin yhtä suurena kuin suurimman odotettavissa olevan Doppler-taajuussiirtymän (fd^) itseisarvo, 20 (b) mainitut radiosignaalit vastaanotetaan niiden lähetysasemiin (A,B) nähden vastakkaisilla asemilla (B,A), (c) muodostetaan mittausasemalla (B) ja kohdeasemalla (A) vastaanotetun Doppler-siirtymän (fd) sisältävän taajuuden ja paikallisesti kehitetyn, 25 olennaisesti signaalitaajuuden suuruisen vastakkaiselle asemalle lähetetyn vertailutaajuuden erotaajuus tai -taajuudet (fb,fa) niin, että erotaajuu-deksi tai -taajuuksiksi (fb,fa) saadaan pientaajuinen tai kohdeasemalla mahdollisesti nollataajuinen signaali, 30 (d) mainittujen erotaajuuksien (fa,fb) perusteella määritetään Doppler- taajuussiirtymä (fd), jonka perusteella kohteen (A) nopeus (v) saadaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan sekä mittausasemalla (B) että kohdeasemalla (A) vastaanotetun

35 Doppler-siirtymän (fd) sisältävän taajuuden ja mainitun paikallisesti kehitetyn vertailutaajuuden erotaajuudet (fb,fa) ja että tieto kohdeasemalla 18 83999 (A) mitatusta erotaajuudesta (fa) siirretään radioteitse mittausasemalle (B) , jossa Doppler-siirtymätaajuus (fd) on määrättävissä yhtälöstä fd - (fa-fb)/2, kun mittausaseman lähetystaajuuden ja kohdeaseman lähetystaajuuden ero (fk) on positiivinen, tai yhtälöstä fd - (fb-fa)/2, kun 5 mainittu ero on negatiivinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekä mittausasemalla (B) että kohdeasemalla (A) paikallisoskillaat-toritaajuutena käytetään kunkin aseman lähetystaajuutta (fl+fk;fl) ja että 10 mainitun paikallisoskillaattoritaajuuden ja Doppler-siirtymien taajuuden (f1+fk+fd;f1+fd) erotaajuudet (fb,fa) muodostetaan sekoittajalla (12,22) ja mainitut taajuudet vahvistetaan Beat-vahvistimissa (13,23), joiden läh-tösignaalit johdetaan taajuusmittauslaitteeseen (kuvio 1).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohdeasemana (A) on tuulen mukana liikkuva radiosondi, jonka liikkeen tarkkaan seuraamiseen ja tuulivektorin määräämiseen Doppler-mittausmenetelmää käytetään ja että Doppler-mittaukseen yhdistetään atsi-muutti-kulmamittaus radiosuuntimen avulla sekä tieto radiosondin korkeudes-20 ta.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että radiosondin (A) antureilla (30), sopivimmin kapasitiivisilla antureilla, mitataan ainakin radiosondia (A) ympäröivän atmosfäärin paine, sopivimmin 25 myös lämpötila ja kosteus ja että mainitut anturimittausten ja Doppler-mittaustulosten lähettäminen sondin radiolähettimellä mittausasemalle (B) tehdään vuorotellen Doppler-mittausten kanssa.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 30 että radiosondin (A) geometrinen korkeus johdetaan sondin suorittamista paine-, lämpötila- ja/tai kosteusmittauksista tai sondin arvioidusta tai mitatusta nousunopeudesta tai suuntimalla mitatusta elevaatiokulmasta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 35 kohdeaseman (A) lähettimen lähetystaajuus säädetään jakuvasti täsmälleen samaksi kuin kohdeaseman (A) mittausasemalta (B) vastaanottama Doppler- I’ 83999 siirtynyt taajuus (fl - f3+fd, jolloin fa - 0), ja että mainittu säätö suoritetaan sopivimmin vaihelukittuja silmukoita käyttäen (kuvio 2).

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tar-5 koitettu laite, joka käsittää mittausasemalla (B) olevan lähetin- vastaanotin- järjestelyn (10,11,12) sekä antennin (11) ja liikkuvassa, mitattavassa kohteessa olevan vastaavan lähetin-vastaanotin-yhdistelmän (20,22,23) sekä antennin (21;21a,21b), tunnettu siitä, että sekä mittausaseman (B) että kohdeaseman (A) radiolaitteet käsittävät stabiilit suurtaajuusoskil- 10 laattorit (10,20), joiden taajuuksilla on vähintään Doppler-siirtymätaajuu-den (fd) suuruinen ero, että mainittuihin radiolaitteisiin kuuluvat sekoittajat (12,22), joihin on johdettu paikallisoskillaattoritaajuus ja antennilla vastaanotettu Doppler-siirtynyt taajuus ja että radiolaitteisiin kuuluvat lisäksi Beat-vahvistimet (13,23) tai vastaavat, joista saatavista 15 pientaajuussignaaleista (fa,fb) on määrättävissä liikkuvan kohdeaseman (A) lähestymis- ja pakonopeus (v).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että liikkuvana kohdeasemana on radiosondi (A), jossa on ympäröivän ilmakehän 20 paineen, lämpötilan ja kosteuden mittausanturit (30), sopivimmin kapasitii-viset mittausanturit ja että mittausasemana (B) on meteorologinen maa-asema, jossa on laitteet radiosondin atsimuutti-kulman mittausta varten radiosuuntimen avulla sekä mittauslaitteet radiosondin geometrisen korkeuden havaitsemiseksi. 25

10. Patenttivaatimuksen 7 mukaisen menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, tunnettu siitä, että kohdeasemalla (A) on vaihelukko, joka lukittuu tulosignaalin taajuudelle, sekä ohjattu kytkin ja alipäästösuoda-tin tai digitaalinen näyte- ja pitopiiri, joka pitää oskillaattorin (65) 30 taajuuden vakiona kun mittausasemalta (B) ei lähetetä signaalia.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että mittausasemalla (B) on yhteiseen referenssioskillaattoriin pohjautuvat kaksi vaihelukittua silmukkaa, joista toinen ohjaa lähetintä ja toinen 35 toimii paikallisoskillaattorina, sekä sekoittaja, joka muodostaa Doppler-taajuuden sisältävän erotustaajuuden. 20 83999