RU117640U1

RU117640U1 - DIGITAL FOLLOW-UP FILTER PROCESSOR FOR PROCESSING SIGNALS OF DOPPLER MEASURERS OF VARIABLE SPEED

Info

Publication number: RU117640U1
Application number: RU2012100989/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Миронович Щербаченко; Виктор Сергеевич Соболев
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
Priority date: 2012-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2012-06-27

Abstract

Следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей знакопеременной скорости, содержащий два квадратурных канала измерения, каждый из которых содержит смеситель и последовательно соединенные 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, отличающийся тем, что в каждый квадратурный 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 квадратурного генератора перестраиваемой частоты, выходы 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. Tracking filter processor for processing signals from Doppler meters of variable velocity, containing two quadrature measurement channels, each of which contains a mixer and a series-connected low-pass filter, a signal sampling and storage device and a corresponding switch channel, while the first inputs of each mixer are combined together and are the input of the device, their second inputs are connected, respectively, to the first and second outputs of the tunable frequency quadrature generator, and the switch output through an analog-to-digital converter and an interface unit is connected to the input of the microprocessor, which, through a common bus and an interface unit, controls the tunable frequency quadrature generator, analog -digital converter, switch and devices for sampling and storing information, characterized in that a second mixer and an adder are additionally introduced into each quadrature channel, while the combined first inputs of the second mixers are formed in the second input of the filter processor, the second inputs of the additionally introduced mixers of the first and second channels are connected respectively to the second and first outputs of the tunable frequency quadrature generator, the outputs of the mixers of the first measurement channel are connected to the direct inputs of the adder of the first channel, the outputs of the first and second mixers of the second measurement channel are connected to the inverting and direct inputs of the adder of the second channel, and the outputs of the adders are connected to the low-pass filters of the corresponding measurement channel.

Description

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.The device relates to measuring technique and is designed to process the signals of laser Doppler meters of alternating flow rates of liquids and gases, as well as solid diffusely reflecting objects.

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.Known Doppler speed meters in which the determination of the sign of speed is implemented in two-frequency circuits with a shift in the measured frequency (Yu.N. Dubnischev, BS Rinkevichus. Methods of laser Doppler anemometry. M., Science. Main edition of the physics and mathematics literature, 1982 [ 1]; BC Sobolev, AM Scherbachenko, E. N. Utkin, A. A. Stolpovsky, G. A. Kashcheeva, I. V. Filimonenko. Principles of active interferometry with frequency offset as applied to Doppler anemometry. Eighth international scientific and technical Conference: Optical Methods edovaniya streams June 28 -. July 1, 2005, Moscow [2]). In these speed meters, in addition to a signal with a Doppler frequency, an additional signal with a frequency, the value of which is given and known, is present in the output signal of the optoelectronic unit.

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.To form such a signal, a laser beam in an optical interferometer [2] is directed to an acousto-optic modulator with a traveling ultrasonic wave. The diffracted laser beam is focused to the studied point of the stream or to any object under investigation. The scattered radiation passes back through the same modulator into the laser. If the object under study moves, then the frequency of the field that falls back into the laser acquires an offset equal to the sum of the Doppler frequency and the doubled frequency of the voltage supplying the modulator. Thus, the initial laser radiation field and the frequency-shifted amplified scattering field are incident on the photodiode. The electric signal from the photodiode is mixed with the signal of the generator, the frequency of which is less than twice the frequency of the voltage supplying the acousto-optic modulator, which ensures a shift in the frequency of the Doppler signal by a fixed frequency. The input frequency thus obtained is measured. The frequency of the Doppler signal, proportional to the speed of the object, is equal to the difference between the frequency of the input signal and the offset frequency.

Значение скорости движущихся объектов вычисляется при умножении доплеровской частоты на постоянный коэффициент, который определяется при калибровке устройства.The value of the speed of moving objects is calculated by multiplying the Doppler frequency by a constant coefficient, which is determined during the calibration of the device.

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.Known servo filter processor for processing signals of such a laser Doppler speed meter (RF Patent No. 2177159. Bull. 35. [3]), It contains two quadrature measurement channels. Each channel consists of a series-connected mixer, a low-pass filter and an analog differentiation unit. The first inputs of the mixers are the inputs of the device, and the second inputs are connected respectively to the first and second outputs of the quadrature generator tunable frequency. The servo filter processor also contains four signal sampling and storage (UVX) devices, a four-channel switch and an analog-to-digital converter (ADC) connected in series. The outputs of the UVC are connected to the inputs of the switch. The first inputs of the first and second UVC are connected to the outputs of the corresponding low-pass filter of the differential frequency and the analog differentiation unit of the first quadrature channel. The first inputs of the third and fourth UVX are connected respectively to the outputs of the low-pass filter and the analog block of differentiation of the second quadrature channel.

Выходные сигналы смесителей первого и второго квадратурных каналов, осуществляющих перемножение входного сигнала Sinω_int с частотой ω_in=ω_s±ω_d, равной алгебраической сумме частоты смещения ω_s и доплеровской частоты ω_d, и сигналов квадратурного генератора перестраиваемой частоты Sinω_gt и Cosω_gt с частотой ω_g равны соответственноThe output signals of the mixers of the first and second quadrature channels that multiply the input signal Sinω _in t with a frequency ω _in = ω _s ± ω _d equal to the algebraic sum of the bias frequency ω _s and the Doppler frequency ω _d and the signals of the tunable frequency quadrature generator Sinω _g t and Cosω _g t with frequency ω _g are respectively

, ,

где ω_d - частота доплеровского сигнала, ω_s- частота смещения, a ω_g - частота квадратурного генератора перестраиваемой частоты.where ω _d is the frequency of the Doppler signal, ω _s is the bias frequency, and ω _g is the frequency of the quadrature generator of the tunable frequency.

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_in-ω_g) и сигнала суммарной частоты (ω_in+ω_g).From these expressions it follows that in each quadrature measurement channel at the outputs of the Doppler frequency mixers and the tunable oscillator frequency, quadrature signals are formed consisting of two signals: the differential frequency signal (ω _in -ω _g ) and the total frequency signal (ω _in + ω _g ) .

Если сигналы суммарной частоты присутствуют в сигналах на выходах смесителей и их фильтрация узкополосным фильтром невозможна, то и измерение частоты в следящем фильтре - процессоре невозможноIf the signals of the total frequency are present in the signals at the outputs of the mixers and their filtering by a narrow-band filter is not possible, then measuring the frequency in the servo filter is not possible

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.Due to the frequency shift to an intermediate frequency exceeding the low-pass filter bandwidth, the total frequency signal is filtered by this filter, and the difference frequency of the input signal and the tunable frequency generator signal is measured and corrects the frequency of the controlled oscillator.

Для определения знака доплеровской частоты микропроцессор следящего фильтра-процессора должен осуществить операцию вычитания значения частоты смещения ω_s из измеренного значения входной частоты ω_in=ω_s±ω_d.To determine the sign of the Doppler frequency, the microprocessor of the servo filter-processor must carry out the operation of subtracting the bias frequency ω _s from the measured value of the input frequency ω _in = ω _s ± ω _d .

Одним из недостатков такого следящего фильтра-процессора являются эти дополнительные вычисления, связанные с вычитанием промежуточной частоты и приводящие к уменьшению быстродействия следящего фильтра процессора.One of the disadvantages of such a servo filter processor is these additional calculations associated with subtracting the intermediate frequency and leading to a decrease in the speed of the servo filter of the processor.

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.Another disadvantage is that when measuring an input frequency located in the region of zero frequencies, the measurements themselves become impossible. This is due to the fact that in this case, both the difference and the sum frequencies signals are present simultaneously in the low-pass filter band.

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.The closest device to the set of functional electronic units in relation to the proposed device is a digital servo filter processor for processing signals of Doppler flow meters of liquid and gases, previously proposed by the author (AM Scherbachenko, Digital servo filter processor for processing signals of Doppler velocity meters. Patent RF №108632 for utility model dated July 26, 79, Bull. No. 26, 2011 [4]). The digital follow-up filter processor for processing the signals of Doppler speed meters contains two quadrature channels, each of which contains a series-connected mixer controlled by a tunable frequency quadrature generator, a low-pass filter, a signal sampling and storage (UHF) device and a corresponding switch channel. The output of the switch through an analog-to-digital converter and the interface unit is connected to the input of the microprocessor, which is connected via a shared bus and interface unit to a tunable frequency quadrature generator, an analog-to-digital converter (ADC), a switch, and information sampling and storage devices.

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.This servo filter processor, as well as the filter processor [3], does not allow measuring the alternating speed in the region of zero frequencies for the same reasons - the simultaneous presence at the outputs of narrow-band filters of quadrature signals of both difference and total frequencies.

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.In the proposed solution, the noted drawback is eliminated. This is achieved due to the fact that in a digital servo filter processor with two quadrature measurement channels, each of which contains a series-connected mixer, a low-pass filter, a signal sampling and storage device and a corresponding switch channel, while the first inputs of each of the mixers are combined together and are the input of the device, their second inputs are connected respectively to the first and second outputs of the quadrature generator of the tunable frequency, and the output of the switch through an analog-digital pre The developer and the interface unit are connected to the input of the microprocessor, which, via a common bus and interface unit, controls the tunable quadrature generator, an analog-to-digital converter, a switch, and information retrieval and storage devices; a second mixer and adder are additionally introduced into each channel, with the combined first the inputs of the second mixers form the second input of the filter processor, the second inputs of additionally introduced mixers of the first and second channels are connected respectively to the second at the first outputs of the controlled quadrature tunable frequency generator, the outputs of both mixers of the first measurement channel are connected to the direct inputs of the adder of the first channel, the outputs of the first and second mixers of the second measurement channel are connected to the inverting and direct inputs of the adder of the second channel, and the outputs of the adders are connected to low filters frequencies of the corresponding measurement channel.

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.In the proposed filter processor, new with respect to the servo filter processor [4] is that a second mixer and adder are additionally introduced into each of the quadrature channels.

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.A fundamentally new technical solution is that in the proposed tracking filter-processor, due to the introduction of new electronic components (mixer and adder) into each quadrature channel, when summing the output signals of the mixers of its channel in the adder, there is no signal at the output of the total frequency of the input signal and signal tunable frequency generator. This allows in the region of zero frequencies to carry out narrow-band filtering of only quadrature difference frequency signals in a wide range of frequencies and to ensure the measurement of Doppler velocity and its sign in a wide range of frequencies.

На фиг 1. представлена блок-схема следящего фильтра-процессора для обработки сигналов доплеровского измерителя знакопеременной скорости.In Fig 1. presents a block diagram of a servo filter processor for processing signals of a Doppler meter of alternating speed.

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.Input quadrature signals for a tracking filter processor, as shown in (BC Sobolev, AM Scherbachenko, G. A. Kashcheeva, A. I. Skurlatov, E. N. Utkin, M. N. Prokopenko, V. I. Kozlov, A .G. Verkhoglyad, New Generation Laser Doppler System as a Speed Sensor for Automation of Scientific Experiment and Technological Processes. Sensors and Systems, No. 2, 2000, [5]), are preliminarily formed in the optoelectronic unit of the Doppler speed meter at the output of two mixers. The quadrature signals of the generator supplying the acousto-optic modulator are supplied to the first inputs of the mixers, and the signal from the photodetector is received to the second inputs of the mixers. Quadrature signals from the outputs of the mixers of the optoelectronic unit are input to the inventive servo filter processor.

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(ϖ_dt) и Cos(ϖ_dt) 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.The proposed tracking filter processor contains two quadrature measurement channels 1 (2), consisting of the first 3 (8) and second 4 (9) mixers and the adder 5 (10) connected in series, a low-pass filter 6 (11), a sampling and storage device signal 7 (12). Moreover, the first inputs of the first mixers 3 (8) are combined and are the first input of the servo filter processor. The first inputs of the second mixers 4 (9) are also combined and are the second input of the tracking filter processor. The quadrature signals Sin (ϖ _d t) and Cos (ϖ _d t) of the Doppler frequency are fed to these inputs. The outputs of the mixers 3 and 4 of the first channel are connected to the direct inputs of the adder 5, and the outputs of the mixers 8 and 9 of the second channel are connected respectively to the inverse and direct inputs of the adder 10. The second inputs of the mixers 3 and 9, as well as the second inputs of the mixers 4 and 8, are connected, respectively to the first and second outputs of the quadrature generator 13 tunable frequency. The digital servo filter processor also includes a series-connected switch 14 and an analog-to-digital converter 15, as well as an interface unit 16 connected via a bus 18 to a microprocessor 17 of the instantaneous difference frequency values.

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.The ADC output is connected to the input of the interface unit, which is connected by the first, second, third, and fourth outputs to the control inputs of the ADC 15, the tunable frequency quadrature generator 13, two UHFs (7 and 12), and the switch 14, to the first and second inputs of which the outputs of the indicated Uvh.

На входы следящего фильтра-процессора поступают два квадратурных доплеровских сигнала -Sin(ω_dt) и Cos(ω_dt). Эти сигналы поступает на первые входы смесителей каждого квадратурного канала. На вторые входы смесителей поступают сигналы Sin(ω_gt) и Cos(ω_gt) от квадратурного генератора перестраиваемой частоты.Two quadrature Doppler signals -Sin (ω _d t) and Cos (ω _d t) are received at the inputs of the tracking filter-processor. These signals are fed to the first inputs of the mixers of each quadrature channel. The second inputs of the mixers receive signals Sin (ω _g t) and Cos (ω _g t) from a quadrature tunable frequency generator.

Первый из них поступает на вторые входы смесителей 3 и 9, а второй на вторые входы смесителей 4 и 8.The first of them goes to the second inputs of the mixers 3 and 9, and the second to the second inputs of the mixers 4 and 8.

Смесители осуществляют перемножение входных сигналов, благодаря чему на выходах смесителей одновременно формируются сигналы суммарной ω_d+ω_g и разностной ω_d-ω_gчастоты доплеровского сигнала ω_d и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты ω_g. Для первого квадратурного канала выходные сигналы смесителей 3, 4 представлены математическими выражениями 3, 4The mixers multiply the input signals, due to which the outputs of the mixers simultaneously generate signals of the total ω _d + ω _g and the difference ω _d -ω _{g of the} frequency of the Doppler signal ω _d and the signal of the tunable frequency quadrature generator ω _g . For the first quadrature channel, the output signals of the mixers 3, 4 are represented by mathematical expressions 3, 4

, ,

а для второго канала выходные сигналы смесителей 8,9 - выражениями 5,6and for the second channel, the output signals of the mixers 8.9 - expressions 5.6

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_d-ω_g, а именно - U_Δω(t)=Cos(Δω)t.After summing the signals of the mixers 3.4, corresponding to mathematical expressions 3 and 4, the cosine component of the total frequency disappears in the output signal of the adder 5 and the cosine component of the difference frequency Δω = ω _d -ω _g remains at the input of the filter 6 of the first quadrature measurement channel, namely U _Δω (t) = Cos (Δω) t.

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_d-ω_g, а именно - V_Δω(t)=-Sin(_Δω)t.When summing the signals of the mixers 8, 9, corresponding to mathematical expressions 5, 6, due to the inversion of the signals of the mixer 8, the sine component of the total frequency disappears in the output signal of the adder 10 and only the sine component of the difference frequency Δω = ω _d - remains at the input of the filter 11 of the second quadrature measurement channel ω _g, namely, V _Δω (t) = - Sin ( _Δω ) 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.Thus, in the proposed device, at the outputs of the filters 6, 11 there are quadrature signals of only j differential frequency, which are used by the microprocessor 17 to measure and correct the code of the quadrature generator of the tunable frequency 13, the frequency of which corresponds to the measured frequency.

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.A fundamentally new technical solution is that in the proposed servo filter processor, due to the introduction of new electronic components (mixer and adder) into each quadrature channel, when summing the output signals of the mixers of its channel in the adder, the signal of the total frequency of the input signal and the quadrature signal is excluded tunable frequency generator.

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.This allows, in the region of zero frequencies, to carry out narrowband filtering of quadrature signals of only the difference frequency in a wide frequency range and to ensure the measurement of Doppler velocity and its sign.

Следящий фильтр-процессор осуществляет поиск, захват и слежение за входной частотой.The servo filter processor searches, captures, and tracks the input frequency.

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 выражениемIn the Doppler frequency search and capture mode, the generator frequency control code linearly increases from a minimum to a certain maximum value. The quadrature signals of the difference frequency from the low-pass filters are fed to the inputs of the IWC and stored by them. This data through the switch goes further to the ADC, digitized and entered into the microprocessor memory. The microprocessor calculates the amplitude of the vector of the complex envelope of the difference frequency signal in accordance with the expression

Микропроцессор сравнивает это значение с заданным порогом, превышение которого говорит о том, что сигнал разностной доплеровской частоты попал в полосу фильтра низких частот.The microprocessor compares this value with a predetermined threshold, the excess of which indicates that the signal of the differential Doppler frequency fell into the band of the low-pass filter.

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 выражениемFrom this moment, the tracking filter processor begins to monitor the frequency of the Doppler signal. The microprocessor calculates the instantaneous phase φ of the differential frequency signal as arctangent current values of the quadrature signals of the difference frequency recorded by the UVC. Using two values of the current phase of the differential frequency signal, the microprocessor calculates the value of the differential Doppler frequency in accordance with the expression

. .

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.The value of the differential frequency is yes, which is converted in the computer into a code of the differential frequency, is summed with the code stored in the microprocessor memory and fed to the tunable frequency quadrature generator. Thus, the frequency of the Doppler signal is monitored.

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.When the signal amplitude decreases below the value set by the microprocessor program, the servo filter processor goes into storage mode, in which the data at the input of the tunable frequency quadrature generator does not change during the time interval specified by the program.

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.If during this time signal the amplitude of the Doppler frequency signal exceeds the set threshold, the digital servo filter processor returns to the tracking mode, otherwise the servo filter processor enters the search and frequency capture mode.

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.The test of the tracking filter processor was carried out on the created experimental layout. It confirmed the fact that the exclusion at the outputs of low-pass filters of the signals of the total frequency of the Doppler signal and the signal of the tracking generator of the tunable frequency made it possible to stably measure a wide range of frequencies, including zero frequencies, both the Doppler frequency itself and its sign.

Claims

A servo filter processor for processing signals of alternating speed Doppler meters, containing two quadrature measurement channels, each of which contains a mixer and a series-connected low-pass filter, a signal sampling and storage device and a corresponding switch channel, while the first inputs of each of the mixers are combined together and are the input of the device, their second inputs are connected respectively to the first and second outputs of the quadrature generator of the tunable frequency, and the output comm through an analog-to-digital converter and an interface unit is connected to the microprocessor input, which, via a common bus and interface unit, controls a tunable frequency quadrature generator, an analog-to-digital converter, a switch, and information retrieval and storage devices, characterized in that each quadrature channel additionally the second mixer and adder are introduced, while the combined first inputs of the second mixers form the second input of the filter processor, the second inputs of the carriers of the first and second channels are connected respectively to the second and first outputs of the quadrature generator of the tunable frequency, the outputs of the mixers of the first measurement channel are connected to the direct inputs of the adder of the first channel, the outputs of the first and second mixers of the second measurement channel are connected respectively to the inverting and direct inputs of the adder of the second channel, and the outputs adders are connected to low-pass filters of the corresponding measurement channel.