RU1775726C - Способ измерени дальности и скорости - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности и дальнодействи  измерени  дальности и скорости. Цель достигаетс  путем повышени  частот fi и f2 излучаемого сигнала до соблюдени  услови  узкополос- ности сигнала и большого затухани  отраженных сигналов, формирование сигнала разностной частоты - путем вычитани  из исходных частот fi и fz частоты f0. Частота fo выбираетс  из услови  , . Формируют сигнал et)ot|/sln OQ t. Из исходных частот вычитают частоту fo, что производ т путем интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значени м сигнала Uo, а также интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответствующим отрицательным значени м сигнала Uo. Суммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них, поступал сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменени  этой задержки. 1 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в системах измерени  координат, навигации и св зи, в частности, с излучением ультразвуковых сигналов.

Известен способ измерени  дальности путем излучени  одночастного пакета импульсов , например ультразвуковых сигналов , приема и усилени  сигнала, прошедшего через среду формировани  огибающей пакета импульсов и вычислени  дальности по временной задержки фронта огибающей.

При распространении ультразвуковых сигналов в газовой среде, например в воздухе , этот способ ограничен по точности из- за большого поглощени  ультразвука в

газах, которое растет пропорционально квадрату частоту сигнала. Положение огибающей может быть определено, как показывает практика, с точностью одной-двух длин волн сигнала, соответствующего излучаемому пакету импульсов, что делает ошибку пор дка 5-10 мм при приемлемых частотах излучени  около 30-70 кГц. Дальнейшее повышение частоты резко увеличивает трудности получени  удовлетворительного отношени  сигнал/шум, что, в свою очередь , ухудшает точность измерени .

Известен способ измерени  дальности и скорости объекта, реализованный в устройстве дл  считывани  графической информации , 1утем излучени  двухчастотного ультразвукового сигнала, приема и усилеvi

VI 01 VI Ю О

ни  сигнала, прошедшего через газовую среду, и определени  временной задержки границы раздела частот в прин том сигнале , пропорциональной измер емой дальности , путем отслеживани  этой задержки за счет двойного интегрировани  знака рассогласовани  между действительной задержкой и ее вычисленным значением в текущий момент. Этот способ позвол ет определ ть дальность с точностью пор дка 0,1-0,5 мм при измерени х в воздухе на рассто ни х 0,5-2 м в процессе движени  объекта и мгновенную скорость объекта, интеграл от которой соотвэтствует дальности . Однако этот способ также ограничен по точности и дальнодействию из-за большого поглощени  ультразвука в газах, так как при частотах пор дка 200-500 кГц и рассто нии между излучателем и приемником более 1 м сигнал, прошедший, например, через воздух, оказываетс  настолько ослабленным , что известные способы его усилени  и обработки не позвол ет получить достаточное отношение сигнал-шум. С другой стороны, при использовании в прототипе частот излучени  ультразвука пор дка 40-60 кГц точность измерени  дальности и скорости снижаетс  из-за интерференции пр мых и отраженных сигналов и других акустических помех.,

Целью способа  вл етс  повышение точности и дальнодействи  измерени  дальности и скорости объекта. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени , включающем излучение сигнала, например , ультразвукового, в виде пакета импульсов с частотами fi и f2, приема и усилени  сигнала, прошедшего через среду, непрерывного отслеживани  временной задержки границы раздела частот в сигнале и формировани  текущих кодов скорости и дальности по временной задержке сигнала, повышают частоты излучаемого сигнала f 1 и h, до соблюдени  услови  узкополосности сигнала, т.е. | (fi-f2)l/fi(2} 0,1 и большого затухани  отраженных сигналов, выбирают третью частоту f так, чтобы было f 1, fo

,.. Islnufeff

T2 дл  получени  сигнала Uo -;-77-г гДе

Sin WQ т

О)о - 2 л f0 , который используют дл  вычитани  третьей частоты fo из исходных частот fi и f2, что производ т путем интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени , соответствующих положительным значени м сигнала Uo, а также интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени , соответствующих отрицательным значени м сигнала U0, причем суммируют результаты двух интегрирований с измеьением знака на противоположный у одного из них, получа  таким образом сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот, причем

синхронизируют сигнал U0 относительно границы раздела частот в сигнале разностной частоты и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале

0 разностной частоты и скоростью изменени  этой задержки.

Сопоставительный анализ за вленного решени  с прототипом показывает, что за вленный способ отличаетс  от известного

5 тем, что вначале повышают частоту излучаемого сигнала, до большого затухани  отраженных сигналов и соблюдени  услови  узкополосности, затем получают сигнал разностной частоты путем вычитани  из ча0 стот fi и fa принимаемого сигнала третьей частоты fo, меньшей fi и f2. Причем формирование сигнала разностной частоты производ т путем интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответству5 ющих положительным значени м сигнала с частотой f0, а также интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значени м сигнала с частотой f0, суммировани  резуль0 татов двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них. В сигнале разностной частоты непрерывно отслеживают границу раздела частот fi-f0 и f2-fo относительной которой синхронизиру5 ют сигнал с частотой f0. Текущие коды дальности и скорости формируют в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменени  этой задержки.

0 Таким образом, за вленный способ соответствует критерию изобретени  новизна .

На чертеже показана одна из возможных структурных схем устройства, иллюст5 рирующа  предлагаемый способ. Устройство содержит блок управлени  1, подключенный к нему излучатель сигнала 2 (например, электроакустический преобразователь ), последовательно включенные

0 приемник сигнала 3 (электроакустический преобразователь), усилитель 4 высокочастотного сигнала, преобразователь 5 частоты , усилитель 6 низкочастотного сигнала, компаратор 7, дискриминатор 8 границы

5 раздела частот, интегратор 9 скорости, ин- тэгратор 10 дальности. Другие выходы блока управлени  соединены с соответствующими входами дискриминатора и интеграторов, второй вход преобразовател  частоты подключен к

промежуточному выходу интегратора 10, а третий вход дискриминатора - к выходу переполнени  интегратора 10 дальности, подключенного также в блоку 8.

Предлагаемый способ измерени  дальности и скорости реализован следующим образом, С помощью блока управлени  формируют пакет импульсов с частотной манипул цией внутри пакета: например, в первой части пакета импульс с частотой fi, во второй - с частотой f2, причем . Этот сигнал непосредственно (или после усилени ) подают на излучатель. Прошедший через среду сигнал обнаруживают с помощь приемника сигнала.

Поскольку частоты излучаемого сигнала выбирают в относительно узкой полосе, т.е. с учетом услови  j(fi-f2)j/fi(2) 0,1, прим тый высокочастотный сигнал усиливают с помощью резонансного усилител  4, позвол ющего получить малые искажени  прин того сигнала и удовлетворительное отношение сигнал/шум. Узкополостность получаемого сигнала позвол ет также использовать резонансные свойства излучател  и приемника дл  повышени  эффективности приема сигнала.

Прин тый и усиленный высокочастотный сигнал преобразуют по частоте с помощью преобразовател  5. Процесс преобразовани  заключаетс  в формировании сигнала с разностными частотами Fi fi-f0 и F2 T2-f0 путем интегрировани  высокочастотного сигнала в интервалах времени , соответствующих положительным значени м сигнала ft tj/sin Wot, где W0 2 п fо, 1, 2,a также отрицательным значением сигнала Uo и суммировани  результатов двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них.

Таким образом, в результате указанных операций на выходе преобразовател  частоты получают сигнал в виде радиоимпульса с частотной манипул цией. Частоты внутри пакета будут ниже излучаемых на частоту fo. но разность между двум  частотами сохранитс . Например, если излучают сигнал с частотами 153 и 143 кГц (при этом соблюдают услови  узкополостности сигнала (153- 143/153 10/153 0,1), а вычитают частоту кГц, то получают после преобразовани  частоты.

Fi 153-113 40 кГц

F2 143-113 30 кГц

Этот пример иллюстрирует главное преимущество предлагаемого способа: дл  излучени  используют удобный узкополосный сигнал, из которого, после преобразовани , получают широкополосный сигнал низкой частоты также удобный дл  дальнейшей обработки, в частности, дл  надежного различени  границы раздела частот. Повышение частот излучени  вчетверо, по сравнению с прототипом, позвол ет ослабить акустические помехи - отраженные сигналы , примерно, в 16 раз. При таком преобразовании фаза преобразованного сигнала

0 будет зависеть как от фазы прин того сигнала с частотой fi(f2), так и от фазы сигнала с частотой fo.

Важным  вл етс  условие, чтобы при изменении дальности в преобразованном

5 сигнале-радиоимпульсе с частотами Г и Г скорости изменени  задержек отдельных импульсов в радиоимпульсе были равны между собой и равны скорости изменени  задержки огибающей радиоимпульса. Это

0 условие позвол ет выполнить предлагаема  в способе операци -синхронизаци  сигнала Uo относительно непрерывно отслеживаемой границы раздела частот FI и F2 в сигнале , получаемом после интегрировани 

5 указанным образом прин того сигнала и усилени  результата интегрировани . Конкретно эту синхронизацию предлагаетс  выполн ть следующим образом: брать сигнал с промежуточного выхода интегратора даль0 ности, выполненного в виде динамического двоичного счетчика. При этом не требуетс  дополнительный формирователь дл  сигнала Uo. поступающего по указанной на чертеже св зи между блоками 10 и 5.

5 Вместе с преобразованием узкополосного сигнала в широкополосный этот метод получени  сигнала U0, необходимого дл  такого преобразовани , с сохранением точной информации о дальности и скорости

0 составл ют главные особенности предлагаемого способа - неочевидные и полезные. Усилитель 6 производит усиление низкочастотного сигнала в полосе, содержащей частоты FI и F2, а компаратор 7 формирует из

5 усиленного синусоидального сигнала двоичный сигнал с фронтами и срезами, соответствующими по времени моментам, перехода синусоиды через нуль.

Дискриминатор 8, запускаемый импуль0 сом переполнени  интегратора 10, на выходе формирует сигнал, соответствующий +1Н, если граница раздела частот FI и F2 в низкочастотном сигнале имеет задержку больше величины, когда этой задержки в

5 интеграторе 10 дальности, и соответствующий -1, если граница частот имеет задержку меныье величины кода задержки. Эти приращени  +1 и -1 непрерывно дважды интегрируютс  с помощью интегратора 9 скорости и интегратора 10 дальности,  вл ющихс  динамическими счетчиками с периодами , равными периоду излучени  пакетов импульсов. В результате такого интегрировани  в интеграторе 9 оказываетс  код скорости , а в интеграторе 10 - код дальности (с точностью до посто нной величины) при изменении рассто ни  от излучател  до приемника .

Таким образом, использование предлагаемого способа измерени  дальности и скорости позвол ет повысить точность и дальнодействие измерительной системы, поскольку при этом в значительной большей степени используютс  резонансные свойства излучател  и приемника сигнала и облегчаетс  фильтраци  сигнала, а также это дает возможность излучать сигнал на значительно более высоких частотах, что позвол ет резко снизить вли ние на точность отраженных сигналов и прочих акустических помех . Ранее, в известных способах было прин то, что дл  повышени  дальнодействи  ультразвуковой измерительной системы следует понизить частоту получаемого сигнала, а это приводит неизбежно к снижению точности измерени . В за вленном же способе, напротив, дл  повышени  дальнодействи  предлагаетс  повышать частоту излучаемого сигнала, что дает одновременно выигрыш и по точности, и по дальнодействию .

Предлагаемый способ использован при разработке измерительной системы дл  контрол  формы параболических антенн спутников св зи в четырехканальной ультразвуковой системе дл  измерени  пространственных координат. Функционирование этой системы подтверждает преимущество предлагаемого способа перед известными по точности и дальнодействию.

Ui

, где . который

Claims (1)

1. Формула изобретени  Способ измерени  дальности и скоро сти путем излучени  сигнала в виде пакетов импульсов с частотами ft и fa, приема и

   усилени  сигнала, прошедшего через среду, непрерывного отслеживани  временной задержки границы раздела частот в сигнале и формировани  текущих кодов скорости и дальности по временной задержке сигнала,

   отличающийс  тем, что, с целью

   повышени  точности измерени  дальности

   и скорости, повышают частоты излучаемого

   . сигнала fi и fa до соблюдени  услови  узкополостности сигнала|(ii-f2)|/fi(2) 0,1 и большего затухани  отраженных сигналов, выбирают третью частоту так, чтобы было fo fi, fo fa дл  получени  сигнала Islnftfet} sinfflb t

   используют дл  вычитани  третьей частоты fo из исходных частот fi и fa, что производ т путем интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значени м сигнала U0, а также интегрировани  прин того сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значени м сигнала Оо, причем суммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них, получа  таким образом сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот , причем синхронизируют сигнал Uo относительно границы раздела частот в сигнале разностной частоты и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменени  этой задержки.

   Код дальности