RU2158937C2 - Method and device to measure range - Google Patents
Method and device to measure range Download PDFInfo
- Publication number
- RU2158937C2 RU2158937C2 RU98123932A RU98123932A RU2158937C2 RU 2158937 C2 RU2158937 C2 RU 2158937C2 RU 98123932 A RU98123932 A RU 98123932A RU 98123932 A RU98123932 A RU 98123932A RU 2158937 C2 RU2158937 C2 RU 2158937C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- generator
- phase
- input
- output
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
- G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
- G01S13/40—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal wherein the frequency of transmitted signal is adjusted to give a predetermined phase relationship
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемая группа изобретений относится к радиотехнике, а именно к областям радиолокации, радионавигации, и может быть использована в технике радиоизмерений, акустике и оптике. The proposed group of inventions relates to radio engineering, namely to the areas of radar, radio navigation, and can be used in the technique of radio measurements, acoustics and optics.
Известны три основных метода измерения расстояния, использующих измерение времени задержки периодического сигнала, распространяющегося в определенной среде. Импульсный метод определяет расстояние путем прямого измерения времени между передачей короткого импульса и его приемом. Частотный метод использует непрерывный частотно-модулированный, например, по линейному закону сигнал, а время задержки определяется по мгновенной разности частот передаваемого и принятого сигналов. There are three main methods for measuring distance, which use the measurement of the delay time of a periodic signal propagating in a particular medium. The pulse method determines the distance by directly measuring the time between the transmission of a short pulse and its reception. The frequency method uses a continuous frequency-modulated signal, for example, according to the linear law, and the delay time is determined by the instantaneous difference in the frequencies of the transmitted and received signals.
Фазовый метод (см. И. Е. Кинкулькин и др. "Фазовый метод определения координат", М. , "Советское радио" 1979) определяет расстояние, пройденное сигналом, через измерение разности фаз φ передаваемого и принятого сигналов:
где l - измеряемое расстояние,
V - скорость сигнала в среде,
ω - круговая частота сигнала.The phase method (see I. E. Kinkulkin et al. "Phase method for determining coordinates", M., "Soviet Radio" 1979) determines the distance traveled by a signal through measuring the phase difference φ of the transmitted and received signals:
where l is the measured distance
V is the signal speed in the medium,
ω is the circular frequency of the signal.
Общепризнанно, что наибольшая точность измерения расстояния обеспечивается фазовым методом, который, тем не менее, применяется редко, что обусловлено его основными недостатками:
а) Все известные измерители разности фаз основаны на применении фазового детектора (ФД), имеющего периодическую зависимость выходного напряжения от разности фаз сигналов на входах, например:
Uфд= Uофд•cosφ, (1)
где Uфд - выходное напряжение ФД,
Uофд - максимальное напряжение ФД,
φ - разность фаз сигналов на входах ФД.It is generally recognized that the greatest accuracy in distance measurement is provided by the phase method, which, however, is rarely used, due to its main disadvantages:
a) All known phase difference meters are based on the use of a phase detector (PD) having a periodic dependence of the output voltage on the phase difference of the signals at the inputs, for example:
U fd = U offd • cosφ, (1)
where U fd - output voltage FD,
U off - the maximum voltage of the PD,
φ is the phase difference of the signals at the inputs of the PD.
Из (1) следует, что полная разность фаз определится как
φ = φ1+2πn (2)
где φ1= arccos(Uфд/Uофд) при 0 < φ1< 2π; n = 0, 1, 2, .... - целое число.It follows from (1) that the total phase difference is defined as
φ = φ 1 + 2πn (2)
where φ 1 = arccos (U fd / U off ) for 0 <φ 1 <2π; n = 0, 1, 2, .... is an integer.
Строго говоря, функция arccos(Uфд/Uофд) имеет два значения в интервале 0 < φ < 2π, но эта неопределенность легко снимается, если учесть знак производной dUфд/dt, например, применением квадратурного фазового детектора. Таким образом, для однозначного определения расстояния необходимо выполнить условие:
(3)
где lmax - максимальное измеряемое расстояние,
V - скорость распространения колебания в среде,
ω - круговая частота сигнала.Strictly speaking, the arccos function (U fd / U off ) has two values in the
(3)
where l max is the maximum measured distance,
V is the propagation velocity of the oscillations in the medium,
ω is the circular frequency of the signal.
Выполнение условия (3) за счет уменьшения частоты приводит к снижению точности измерения. В большинстве реальных задач значения неизвестной "n" могут составлять сотни и тысячи. Определение значения n стало основной проблемой фазового метода. The fulfillment of condition (3) by reducing the frequency leads to a decrease in the measurement accuracy. In most real-world tasks, the values of the unknown "n" can be hundreds or thousands. Determining the value of n has become the main problem of the phase method.
б) Точное измерение разности фаз колебаний в интервале является достаточно сложной задачей, не имеющей стандартных технических решений.b) Accurate measurement of the phase difference of the oscillations in the interval is a rather difficult task that does not have standard technical solutions.
в) Фазовый метод считается "однообъектным", т.е. позволяющим проводить локацию только одного объекта. Составляющая принимаемого сигнала, вызванная отражением от другого объекта, накладывается на полезный сигнал, изменяет его фазу, искажая тем самым результат измерения, и не выделяется очевидными методами. c) The phase method is considered to be "single-object", i.e. allowing to conduct location of only one object. The component of the received signal caused by reflection from another object is superimposed on the useful signal, changes its phase, thereby distorting the measurement result, and is not distinguished by obvious methods.
По изложенным причинам фазовый метод измерения расстояния применяется редко, либо в сложных многочастотных радионавигационных системах, либо в комбинации с другими методами. For the above reasons, the phase method of measuring distance is rarely used, either in complex multi-frequency radio navigation systems, or in combination with other methods.
Примером такой комбинации и аналогом настоящего изобретения является патент США 4503433 "Измерение дальности цели в радиолокаторе с частотно-модулированным непрерывным сигналом", G 01 S 13/34, 13/26, публ. 1985 г. В этом изобретении грубое измерение расстояния производится частотным методом с использованием линейной частотной модуляции сигнала генератора. Точное значение расстояния определяется фазовым методом по формуле (2), причем значение параметра n вычислялся из результата грубого измерения. Это устройство позволяет повысить точность измерения относительно устройств, использующих классический частотный метод, но не реализует потенциальные возможности фазового метода, обладая следующими недостатками:
- определение точного значения n требует высокой линейности ЛЧМ сигнала, точного определения девиации частоты и коротких промежутков времени,
- высокая точность измерения главного значения начальной разности фаз в этом устройстве не может быть реализована.An example of such a combination and an analogue of the present invention is US patent 4503433 "Measurement of the target range in a radar with a frequency-modulated continuous signal", G 01
- determination of the exact value of n requires high linearity of the chirp signal, accurate determination of frequency deviation and short periods of time,
- high accuracy of measuring the main value of the initial phase difference in this device cannot be implemented.
Общим недостатком подобных комбинированных устройств является наличие в одном приборе технических средств двух и более способов, что усложняет его и увеличивает стоимость. A common drawback of such combined devices is the presence in one device of technical means of two or more methods, which complicates it and increases the cost.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения является "Способ и система для измерения небольших расстояний" (см. патент США 4829305, G 01 S 13/08, публ. 1989 г). Предлагаемый способ состоит в том, что частота излучаемого сигнала регулируется до достижения заданной разности фаз принятого и излученного сигналов. Проблема неоднозначности измерения снимается тем что используется только главное значение разности фаз, т.е. n = 0. Для повышения точности измерения предлагается установку разности фаз проводить сравнением принятого сигнала с гармоникой излучаемого сигнала. Расстояние вычисляется из значения определенной измерителем частоты генератора по формуле (3). Структурная схема устройства для реализации метода показана на фиг. 1. Устройство содержит генератор 1 с частотой, управляемой напряжением, сигнал субгармоники которого с выхода делителя частоты 2 передается излучателем 3 в сторону измеряемого объекта и в режиме грубого измерения подается на опорный вход средства сравнения фаз 5 (фазового детектора), на второй вход которого поступает сигнал, отраженный от объекта через приемник 4. Выходное напряжение фазового детектора, являясь критерием при установке определенного значения разности фаз передаваемого и принятого сигналов, поступает через фильтр 6 на вход управления частотой генератора 1. Система представляет собой кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ) генератора на частоту дискриминатора, которая определяется временем распространения сигнала до объекта и обратно. Для повышения точности предусмотрен режим, при котором на опорный вход фазового детектора подается гармоника передаваемого сигнала, т.е. сигнал генератора 1. Значение установившейся частоты определяется измерителем частоты 7, а соединенное с ним вычислительное средство 8 вычисляет расстояние и отображает результат на дисплее 9. Основной недостаток способа и системы: неоднозначность результата измерения, т.е. отсутствие возможности определения параметра n, что и предопределяет использование ее только на небольших расстояниях, т. е. при n = 0. Система не способна отделить полезный отраженный сигнал от паразитных отражений, что ограничивает точность измерения расстояния. The closest analogue of the present invention is the "Method and system for measuring small distances" (see US patent 4829305, G 01
Настоящее предложение направлено на решение задачи реализации потенциально высокой точности фазового метода измерения расстояния при упрощении и, следовательно, удешевлении технических средств измерения, а также достижения возможности одновременного определения расстояния до двух и более объектов. This proposal is aimed at solving the problem of realizing the potentially high accuracy of the phase method of measuring distance while simplifying and, therefore, reducing the cost of technical means of measurement, as well as achieving the possibility of simultaneously determining the distance to two or more objects.
Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению в способе измерения расстояния путем измерения разности фаз излучаемого с частотой f и принятого периодического сигналов, состоящем в том, что изменением частоты излучаемого сигнала f устанавливают заданную разность фаз φ
К настоящему описанию приложены пять фигур чертежей и два текстовых материала. Five figures of drawings and two text materials are attached to the present description.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства-прототипа. In FIG. 1 shows a structural diagram of a prototype device.
На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства. In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed device.
На фиг. 3 показана структурная схема измерителя уровня нефтепродуктов в резервуаре, построенного на принципах изобретения. In FIG. 3 shows a structural diagram of a level meter of oil products in a tank, built on the principles of the invention.
На фиг. 4 показаны характеристики многочастотного дискриминатора, иллюстрирующие один из алгоритмов измерения фазочастотной характеристики. In FIG. 4 shows the characteristics of a multi-frequency discriminator, illustrating one of the algorithms for measuring the phase-frequency characteristic.
На фиг. 5 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу предложенного устройства в непрерывном и квазинепрерывном режиме. In FIG. 5 shows timing diagrams illustrating the operation of the proposed device in continuous and quasi-continuous mode.
В приложении 1 "Фазочастотный метод измерения расстояния" приведен вывод основных теоретических соотношений, обосновывающих предложенный способ.
В приложении 2 приведен алгоритм основной подпрограммы контроллера устройства для измерения расстояния.
В отличие от способа-прототипа, определяющего расстояние по одному значению разности фаз излучаемого и принятого сигналов на одной из частот, основой настоящего изобретения является точное измерение в определенном диапазоне частот полной фазочастотной характеристики (ФЧХ) объекта, крутизна линейной составляющей которой равна времени задержки сигнала и, следовательно, однозначно определяет расстояние от устройства до основного объекта, т. е. длину траектории, которую прошла энергетически большая часть сигнала. Периодическая составляющая ФЧХ несет информацию о протяженности других траекторий, в частности о разностях расстояния до основного объекта и расстояний до других объектов, находящихся в зоне действия устройства. Для получения ФЧХ в предлагаемом способе после измерения частоты f0, установившейся по достижении заданного значения разности фаз излучаемого и принятого сигналов φ
Структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа показана на фиг. 2. Как и ближайший прототип, устройство содержит генератор 1 с частотой, управляемой напряжением (ГУН), передающий сигнал через излучатель 3 на объект, и фазовый детектор 2, на опорный вход которого поступает сигнал генератора 1, а на второй вход - сигнал от объекта через приемник 4. Выходной сигнал фазового детектора (ФД) используется для подстройки частоты генератора 1, измеритель частоты 7 определяет установившееся значение частоты генератора 1 и передает эту информацию на вычислительное средство 8, которое определяет расстояние и отображает эту информацию на дисплее 9. В отличие от прототипа предлагаемое устройство содержит многофункциональное программируемое управляющее средство (контроллер) 10, которое соединено шинами обмена цифровой информацией с измерителем частоты 7 и вычислительным средством 8. Вход аналогового сигнала контроллера 10 подключен к выходу ФД 5, а выход - к входу управления частотой ГУН 1. Конструкцией контроллера предусматривается наличие технических средств для реализации алгоритма измерения ФЧХ, например возможности в соответствии с программой подключения и отключения входа генератора 1 от фазового детектора 2, установки заданной частоты ГУН 1 путем изменения напряжения на его входе, изменения на противоположный (инверсии) знака коэффициента передачи выходного сигнала ФД 5 на вход ГУН 1. Контроллер и вычислительное средство наделены программами, обеспечивающими реализацию алгоритмов измерения ФЧХ и вычисления расстояний. The block diagram of the device for implementing the proposed method is shown in FIG. 2. Like the closest prototype, the device contains a
Для измерения ряда частот fi используются свойства многочастотного дискриминатора, представляющего собой соединение фазового детектора и линии задержки (см. Капланов М.Р., Левин В.А., "Автоматическая подстройка частоты", Москва, Госэнергоиздат, 1962 г). Характеристика такого дискриминатора имеет вид косинусоиды, вследствие чего система АПЧ, его использующая, имеет множество значений частот устойчивости, частотный интервал между которыми соответствует разности фаз сигналов на входах ФД 2π и в предлагаемом устройстве равен Δfi= fi-f(1-2) = V/l. Используемые в изобретении технические средства предоставляют возможности для многих вариантов алгоритма измерения ряда fi.To measure a number of frequencies f i , the properties of a multi-frequency discriminator are used, which is a combination of a phase detector and a delay line (see Kaplanov MR, Levin VA, "Automatic frequency control", Moscow, Gosenergoizdat, 1962). The characteristic of such a discriminator has the form of a cosine wave, as a result of which the AFC system using it has many stability frequencies, the frequency interval between which corresponds to the phase difference of the signals at the inputs of the PD 2π and in the proposed device is Δf i = f i -f (1-2) = V / l. The technical means used in the invention provide opportunities for many variants of the algorithm for measuring the series f i .
Например, отключают АПЧ, определяют частотную характеристику дискриминатора, для чего изменяют дискретно напряжение на входе ГУН, измеряя одновременно частоту ГУН и выходное напряжение ФД, определяют и запоминают приближенные значения частот fi, соответствующие точкам нулевого выходного напряжения ФД и отрицательной производной dUфд/df (нечетные значения i), устанавливают обеспечивающий устойчивость АПЧ в этих точках знак коэффициента передачи цепи обратной связи, устанавливают частоту ГУН вблизи fi, включают АПЧ, измеряют и запоминают точное значение f1, отключают АПЧ, устанавливают частоту ГУН вблизи f3, включают АПЧ, измеряют и запоминают точное значение частоты f3 и т. д. Этот процесс многократно воспроизводится для всех нечетных значений i в заданном диапазоне частот. Для повышения точности измерения расстояния процесс повторяют и измеряют множество частот fi для нечетных значений i, установив противоположный знак коэффициента передачи цепи обратной связи. Из ряда значений fi вычисляют фазочастотную характеристику по формуле φi= 2πn+φ
Полная ФЧХ есть сумма трех составляющих: линейной φ(лин) = 2πfl/V определяемой энергетически большей частью принятого сигнала, периодической φ(~), несущей информацию о расстоянии, пройденном частями сигнала по другим траекториям, и апериодической φ(an), обусловленной наличием иных факторов, в т. ч. погрешностей измерения ФЧХ. Анализ с целью выделения представляющих интерес линейной и периодической составляющих, а также определение спектра периодической составляющей с целью определения протяженности вторичных траекторий есть задача математическая, для решения которой применим широкий спектр методов от простого усреднения до корреляционного анализа и решения систем трансцендентных уравнений.The total phase response is the sum of three components: linear φ (lin) = 2πfl / V determined energetically by most of the received signal, periodic φ (~) , which carries information about the distance traveled by parts of the signal along other paths, and aperiodic φ (an) , due to the presence of other factors, including measurement errors of the phase response. An analysis in order to isolate the linear and periodic components of interest, as well as to determine the spectrum of the periodic component in order to determine the length of the secondary trajectories, is a mathematical task, for the solution of which a wide range of methods can be applied from simple averaging to correlation analysis and solving systems of transcendental equations.
Начальным пунктом отсчета измеренного расстояния обычно является устройство для измерения расстояния, что не всегда приемлемо, поскольку эта точка начала отсчета геометрически не привязана к абсолютным координатам. Предлагаемые способ и устройство решают эту проблему установкой репера, абсолютные координаты которого известны. Репер отражает или возвращает часть излучаемого сигнала на вход устройства, предоставляя возможность определить расстояния между объектами и репером, установив тем самым абсолютные координаты объектов. Как показано в "приложении 1", полученные соотношения справедливы, если существует основная траектория сигнала, по которой проходит преобладающая часть мощности принятого сигнала. Если в реальном случае такая траектория отсутствует, она может быть создана искусственно установкой репера. The starting point of the measured distance is usually a device for measuring distance, which is not always acceptable, since this reference point is not geometrically attached to the absolute coordinates. The proposed method and device solve this problem by installing a benchmark whose absolute coordinates are known. The benchmark reflects or returns part of the emitted signal to the input of the device, providing the ability to determine the distance between the objects and the benchmark, thereby setting the absolute coordinates of the objects. As shown in "
В состав устройства между выходом генератора и опорным входом фазового детектора или между входом устройства и сигнальным входом ФД может быть включен управляемый фазовращатель 11, вход управления которого подключен к контроллеру. Использование фазовращателя расширяет возможности устройства, в частности:
1. позволяет уменьшить дискрет изменения фазы и частоты и повысить тем самым точность измерения ФЧХ,
2. позволяет реализовать алгоритм измерения ФЧХ, не требующий отключения АПЧ при изменении задаваемой разности фаз,
3. позволяет реализовать простейший вариант устройства с использованием двух частот и минимальной продолжительностью измерения.The structure of the device between the output of the generator and the reference input of the phase detector or between the input of the device and the signal input of the PD can include a controlled phase shifter 11, the control input of which is connected to the controller. The use of a phase shifter expands the capabilities of the device, in particular:
1. allows you to reduce the discrete changes in phase and frequency and thereby increase the accuracy of the phase response measurement,
2. allows you to implement the algorithm for measuring the phase response, which does not require turning off the AFC when changing the set phase difference,
3. allows you to implement the simplest version of the device using two frequencies and a minimum measurement duration.
Включение линии задержки 14 между генератором и опорным входом фазового детектора, время задержки которой равно времени прохождения сигнала от генератора до близкого источника паразитного отражения и обратно до фазового детектора, позволяет существенно снизить погрешность измерения, обусловленную этим отражением, но увеличивает дискрет частоты, "приближая" объект к устройству. The inclusion of a
Введение в устройство для измерения расстояния ключевых элементов 12 и 13, управляемых контроллером, между генератором и выходом устройства, а также между входом устройства и фазовым детектором позволяет повысить точность измерения за счет исключения приема отражений от мешающих объектов. Introduction to the device for measuring the distance of the
Примером одной из многих возможных реализаций изобретения является радиолокационный измеритель уровня нефтепродуктов в резервуаре. Структурная схема этого устройства показана на фиг. 3. An example of one of the many possible implementations of the invention is a radar level meter of oil products in the tank. A block diagram of this device is shown in FIG. 3.
Выход генератора (ГУН) сверхвысокой частоты 1 соединен с направленным ответвителем 15, разделяющим сигнал генератора 1 на три канала. С основным выходом ответвителя 15 соединены последовательно ключевой элемент 12 и ферриттовый циркулятор 17, подключенный к антенне 18. Антенна 18 установлена в горловине 19 резервуара 21. К второму выходу направленного ответвителя 15 подключены последовательно линия задержки 14, управляемый фазовращатель 11 и опорный вход фазового детектора 5 (ФД). К третьему выходу ответвителя 15 подключен измеритель частоты 7. К третьему плечу циркулятора подключены последовательно ключевой элемент 13, усилитель 16 с системой автоматической регулировки усиления (АРУ) и сигнальный вход фазового детектора 5. Входы контроллера 10, имеющего в своем составе вычислительное средство 8, соединены с выходом фазового детектора 5 и выходом измерителя частоты 7. Выходы команд управления контроллера 10 соединены с ключевыми элементами 12 и 13, фазовращателем 11, схемой управления частотой 23 и входом управления частотой генератора 1. Результаты измерения выводятся с выхода 24 контроллера 10 и отображаются на дисплее 9. В резервуаре между антенной 18 и поверхностью измеряемого продукта 22 установлен реперный отражатель 20 на расстоянии Hp от дна резервуара.The output of the generator (VCO)
Генератор 1, направленный ответвитель 15, ключевой элемент 12, ферритовый циркулятор 17, антенна 18, реперный отражатель 20 и поверхность продукта 22 образуют тракт излучаемого сигнала. The
Поверхность продукта 22, антенна 18, циркулятор 17, ключевой элемент 13, усилитель 16 и фазовый детектор 5 образуют тракт отраженного сигнала. The surface of the
Генератор 1, направленный ответвитель 15, линия задержки 14, управляемый фазовращатель 11 и фазовый детектор 5 образуют тракт опорного сигнала. The
Контроллер 10 с вычислительным средством 9 и схема управления частотой 23 вместе с управляемым генератором 1, фазовращателем 11 и ключевыми элементами 12 и 13 составляют комплекс управления и обработки информации. A
В качестве генератора может быть использован транзисторный автогенератор или генератор на диоде Ганна, частота генератора управляется путем изменения напряжения на варакторном диоде. Фазовый детектор 5 (см. А.А. Шахгильдян, В. В. Ляховкин "Фазовая автоподстройка частоты" Изд. Связь, 1966 г.) представляет собой смеситель диапазона СВЧ, имеющий нулевую промежуточную частоту. В качестве измерителя частоты 7 может быть применена комбинация цифровых делителей частоты и счетчика импульсов. Линия задержки 14 представляет собой отрезок линии передачи СВЧ (коаксиальный кабель, полосковая линия и т.п.), время задержки которой равно времени прохождения сигнала, отраженного от антенны, от ответвителя 15 до сигнального входа фазового детектора 5 по тракту: ключ 12, циркулятор 17, антенна 18, циркулятор 17, ключ 13, усилитель 16. Управляемый фазовращатель 11 представляет собой схему СВЧ из двух переключателей и фазосдвигающей цепи, включаемой в тракт при заданном положении переключателей. Фазовращатель имеет два состояния - Δφ
При работе устройства сигнал генератора 1 через ответвитель 2, открытый ключ 12 и циркулятор 17 поступает на антенну 18 и излучается ею в направлении поверхности продукта 22. Отраженный сигнал принимается антенной 18 и через циркулятор 17, открытый ключ 13 и усилитель 16 поступает на сигнальный вход фазового детектора 5. На второй вход фазового детектора 5 подается опорный сигнал, поступающий от генератора 1 через ответвитель 15, линию задержки 17 и управляемый фазовращатель 11. Выходной сигнал фазового детектора 5 поступает на вход схемы управления 23, где усиливается и интегрируется. Полученное на выходе схемы управления 23 напряжение подается на вход управления частотой генератора 1. Фазовый детектор с линией задержки, роль которой играет тракт сигнала от ответвителя 15 до поверхности 22 и обратно до фазового детектора 5, представляет собой многочастотный дискриминатор, характеристика которого имеет вид (см. фиг. 4а), где L - расстояние между устройством и поверхностью продукта, причем частотный интервал между соседними переходными частотами с одинаковым знаком производной dUфд/df однозначно определяется расстоянием до измеряемого объекта и равен: fk - fk-1 = c/2L. Генератор и многочастотный дискриминатор образуют систему АПЧ, устанавливающую частоту генератора на одну из переходных частот. Установившееся значение частоты обозначается fklm, где k - порядковый номер периода характеристики дискриминатора. По команде контроллера АПЧ может отключаться, а частота генератора 1 управляться контроллером.When the device is operating, the signal of the
Устройство может работать в двух режимах: непрерывного (H) и квази-непрерывного импульсного (КНИ) излучения в зависимости от расстояния Lx между репером и уровнем продукта. При малых уровнях продукта Hx, т.е. относительно слабом принимаемом сигнале, используется режим КНИ, при увеличении уровня продукта мощность принимаемого сигнала возрастает, но уменьшается Lx. При определенном значении Lx устройство переходит в режим H. В режиме H ключевые элементы 12 и 13 постоянно находятся в состоянии "открыто". Временные эпюры режима КНИ показаны на фиг. 5. Ключ 12 проводит импульсную модуляцию передаваемого сигнала с небольшой скважностью (например, 3-10), длительностью импульса tu и периодом повторения Tu (фиг. 5 а). Ключ 13 открывает приемный канал либо на время прихода импульса отражения от репера 20 (фиг. 5 б), либо на время прихода импульса отражения от поверхности продукта 22 (фиг. 5 в). На выходе фазового детектора в режиме КНИ имеет место импульсный видеосигнал, амплитуда которого определяется разностью фаз сигналов на его входах. Если частота импульсной модуляции много больше граничной частоты фильтра нижних частот на выходе фазового детектора, то импульсная составляющая подавляется фильтром и выходной сигнал фазового детектора становится непрерывным, как и в режиме H.The device can operate in two modes: continuous (H) and quasi-continuous pulsed (SOI) radiation depending on the distance L x between the benchmark and the level of the product. At low product levels, H x , i.e. relatively weak received signal, the SOI mode is used, when the product level increases, the received signal power increases, but L x decreases. At a certain value of L x, the device switches to mode H. In mode H, the
Программа измерения имеет следующие основные подпрограммы:
1) Подготовка к работе.The measurement program has the following main routines:
1) Preparation for work.
2) Рабочий ход. 2) Working stroke.
3) Вычисление ФЧХ. 3) Calculation of the phase response.
4) Анализ ФЧХ, вычисление уровня Hx.4) Analysis of the phase response, calculation of the level of H x .
Целью подпрограммы "Подготовка к работе" является проведение контроллером проверки работоспособности узлов и систем устройства, измерение характеристики многочастотного дискриминатора и приближенное определение уровня продукта, выбор вида излучаемого сигнала (режим H или КНИ). Получив подтверждение работоспособности узлов и систем устройства и отключив АПЧ, подпрограмма проводит измерение характеристики многочастотного дискриминатора, выполняя:
- установку частоты генератора 1 на нижнюю границу рабочего диапазона частот, одновременное измерение частоты и выходного напряжения фазового детектора, запоминание этих величин,
- увеличение частоты генератора изменением убавляющего напряжения на величину Δf ≪ fk-fk-1, повторное одновременное измерение частоты и выходного напряжения фазового детектора, запоминание их,
- многократное воспроизведение этой операции до достижения верхней границы рабочего диапазона частот.The purpose of the "Preparing for work" subroutine is to check the operability of the units and systems of the device by the controller, measure the characteristics of the multi-frequency discriminator and approximately determine the level of the product, and select the type of emitted signal (mode H or SOI). Having received confirmation of the operability of the nodes and systems of the device and disabling the AFC, the subroutine measures the characteristics of the multi-frequency discriminator, performing:
- setting the frequency of the
- increasing the frequency of the generator by changing the decreasing voltage by Δf ≪ f k -f k-1 , repeated simultaneous measurement of the frequency and output voltage of the phase detector, storing them,
- repeated playback of this operation until the upper limit of the working frequency range is reached.
Подпрограмма проводит из полученных данных выборку двух рядов приближенных значений частот перехода fkl, удовлетворяющих условию U ≈ 0 для отрицательной (fk0) и положительной (fk1) крутизны dUфд/df, и определяет приближенное значение расстояния до поверхности продукта по формуле:
Сравнивая L≈ с заданным значением L0, подпрограмма осуществляет выбор вида излучаемого сигнала: квазинепрерывный импульсный (КНИ), если L≈ > L0 и непрерывный (H), если L≈ < L0. Затем подпрограмма, установив минимальную в рабочем диапазоне частоту перехода f000 или f010 и знак коэффициента передачи схемы управления, обеспечивающий устойчивость АПЧ в этой точке, подключает выход схемы управления 23 к входу генератора 1 (включение АПЧ). В результате выполнения этой операции выходной сигнал фазового детектора 5, усиленный схемой управления частотой 23, начинает поступать на вход управления частотой генератора 1, обеспечивая тем самым функционирование схемы частотной автоподстройки частоты с многочастотным дискриминатором. АПЧ устанавливает частоту генератора f000 либо f010, выводя устройство на исходную позицию подпрограммы "Рабочий ход".The subprogram selects from the obtained data two series of approximate values of the transition frequencies f kl satisfying the condition U ≈ 0 for the negative (f k0 ) and positive (f k1 ) steepness dU fd / df, and determines the approximate value of the distance to the product surface using the formula:
Comparing L ≈ with a given value of L 0 , the subprogram selects the type of emitted signal: quasi-continuous pulsed (SOI), if L ≈ > L 0 and continuous (H), if L ≈ <L 0 . Then, the subroutine, setting the transition frequency f 000 or f 010 minimum in the operating range and the sign of the transfer coefficient of the control circuit ensuring stability of the AFC at this point, connects the output of the control circuit 23 to the input of generator 1 (switching on the AFC). As a result of this operation, the output signal of the
Подпрограмма "Рабочий ход" обеспечивает измерение ряда частот fklm, соответствующих ряду значений разностей фаз принимаемого и передаваемого сигналов φ = 2πk+lπ+m π/2+π/2 заданном диапазоне частот fmin-fmax. Алгоритм подпрограммы не зависит от вида излучения (H или КНИ). На фиг. 4 показаны изменения характеристики многочастотного дискриминатора в процессе измерения. Перед началом измерения при m=0 частота генератора 1 устанавливается контроллером в область минимальной переходной частоты в рабочем диапазоне, при этом подается команда l=0 (или l=1), обеспечивающая устойчивость АПЧ в этой точке, и включается АПЧ (фиг. 4а). После завершения переходного процесса измеритель частоты 7 определяет точное значение частоты f000 (или f010) и заносит его в память контроллера. Далее контроллер командой m=1 сдвигает характеристику фазового детектора на π/2, что приводит к нарушению равновесия АПЧ, появлению сигнала ошибки и восстановлению равновесия при частоте f001, которая измеряется и запоминается (фиг. 4б). Далее измеряется частота f010 при l=1, m=0 (фиг. 4в) и частота f011 при l=1, m=1 (фиг. 4г). Существенно, что любое из проведенных приращений фазы не выводит АПЧ за пределы зоны локальной устойчивости. В следующем цикле, который начинается измерением частоты f100 при l=0, m=0, все операции повторяются. Измерения проводятся, пока выполняется условие: fklm < fmax. Алгоритм подпрограммы "рабочий ход" приведен в "приложении 2".The “Travel” subroutine provides a measurement of a number of frequencies f klm corresponding to a number of phase differences of the received and transmitted signals φ = 2πk + lπ + m π / 2 + π / 2 for a given frequency range f min -f max . The subroutine algorithm is independent of the type of radiation (H or SOI). In FIG. 4 shows changes in the characteristics of the multi-frequency discriminator during the measurement process. Before starting the measurement at m = 0, the frequency of the
Подпрограмма "Вычисление ФЧХ" устанавливает точные значения разности фаз, соответствующие измеренным частотам, определяя значение n, вводя поправку на асимметрию фазового детектора и используя точное значение сдвига фазы фазовращателем 11. Вычисление проводится по формуле:
(6)
где: n - целое число, получаемое округлением n*, определяемой как
(7)
Значения величин αklm,Δφ
(8)
(9)
(10)
В режиме КНИ подпрограммы "Рабочий ход" и "Вычисление ФЧХ" выполняются: дважды для измерения расстояния до репера и до поверхности продукта. Подпрограмма "Анализ ФЧХ-КНИ" имеет один программный модуль, применимый и в режиме H, "Линеаризация ФЧХ", т.е. аппроксимация ее выражением вида:
φ(лин) = 2πfτ.
Определение τ проводится, например, решением уравнения:
(11)
где Δf
(6)
where: n is the integer obtained by rounding n * , defined as
(7)
Values of α klm ,
(eight)
(9)
(10)
In the SOI mode, the subroutines "Stroke" and "Calculation of the phase response" are performed: twice to measure the distance to the benchmark and to the surface of the product. The subroutine "Analysis of the phase-phase response-SOI" has one program module, which is also applicable in mode H, "Linearization of the phase-response characteristic", i.e. approximation by its expression of the form:
φ (lin) = 2πfτ.
The determination of τ is carried out, for example, by solving the equation:
(eleven)
where Δf
В режиме КНИ определение τp репера и τn поверхности однозначно определяет измеряемую величину - расстояние от репера до поверхности продукта:
Lx= L-Lp= c(τn-τp).
Подпрограмма "Анализ ФЧХ-Н" выполняет модуль "линеаризация ФЧХ", определяет τn и выделяет периодическую составляющую ФЧХ как разность
φ = φklm-2πfklmτн. (12)
Далее, используя интерполяцию, определяют точные значения частот fr, на которых выполняется условие равенства нулю выражения (12) и определяется значение r для каждой из них, как округленная до целого числа величина отношения:
r* = fr/(fr - f(r-1)).In the SOI mode, the determination of the τ p of the reference and τ n of the surface uniquely determines the measured value — the distance from the reference to the surface of the product:
L x = LL p = c (τ n -τ p ).
The “PFC-N Analysis” subroutine performs the “PFC linearization” module, determines τ n and extracts the periodic component of the PFC as the difference
φ = φ klm -2πf klm τ n (12)
Next, using interpolation, the exact values of the frequencies f r are determined at which the condition for the equality of expression (12) to zero is satisfied and the value r is determined for each of them, as the ratio rounded to the integer:
r * = f r / (f r - f (r-1) ).
Расстояние между репером и поверхностью продукта определится по формуле:
Lx = Vr/4fr. (13)
Предлагаемое устройство для измерения расстояния помимо основного назначения может быть использовано в качестве
- измерителя фазочастотных характеристик коэффициентов передачи и отражения многополюсников, причем при измерении фазы коэффициента передачи измеряемый объект включается между входом и выходом устройства, а при измерении фазы коэффициента отражения - к развязывающему элементу (ферритовый циркулятор, направленный ответвитель), подключенному к входу и выходу устройства,
- измерителя неравномерности группового времени запаздывания (ГВЗ) сигнала в системах передачи информации, причем измеряемый объект включается между выходом и входом устройства.The distance between the benchmark and the surface of the product is determined by the formula:
L x = Vr / 4f r . (thirteen)
The proposed device for measuring distance in addition to the main purpose can be used as
- a meter of the phase-frequency characteristics of the transmission and reflection coefficients of multipoles, and when measuring the phase of the transmission coefficient, the measured object is switched on between the input and output of the device, and when measuring the phase of the reflection coefficient, to the decoupling element (ferrite circulator, directional coupler) connected to the input and output of the device,
- a meter for the non-uniformity of group delay time (GD) of a signal in information transmission systems, and the measured object is switched on between the output and the input of the device.
Если подключить к выходу устройства передающую антенну, а к входу - через переключатель две или более пространственно разнесенные приемные антенны, то устройство получает возможность определения угловой координаты объекта. Для этого процедуру измерения ФЧХ проводят поочередно с каждым из приемных каналов, подключая вход устройства к антенне рабочего канала. Определение угловой координаты проводят либо по величине отношения измеренной разности расстояний к базе (расстоянию между антеннами), либо путем прямого анализа измеренных ФЧХ. Если возможности коммутации в приемном канале ограничены, например, при работе в миллиметровом диапазоне радиоволн, то в состав устройства вводится дополнительно по крайней мере еще один фазовый детектор, подключенный к второй приемной антенне и ГУН. В этом случае переключение каналов производят подключением входа управления ГУН к выходу ФД рабочего канала. If you connect a transmitting antenna to the output of the device, and two or more spatially separated receiving antennas to the input through the switch, the device is able to determine the angular coordinate of the object. For this, the phase response measurement procedure is carried out in turn with each of the receiving channels, connecting the input of the device to the antenna of the working channel. The determination of the angular coordinate is carried out either by the magnitude of the ratio of the measured distance difference to the base (the distance between the antennas), or by direct analysis of the measured phase response. If the switching capabilities in the receiving channel are limited, for example, when operating in the millimeter range of radio waves, then at least one more phase detector connected to the second receiving antenna and VCO is added to the device. In this case, the channels are switched by connecting the VCO control input to the output of the working channel PD.
Материалы настоящей заявки свидетельствуют, что предлагаемое изобретение по комплексу признаков и техническому эффекту может открыть новое направление в дальнометрии (обозначим его условно как фазочастотный метод), способное конкурировать с основным направлением этой области техники: непрерывной ЧМ-радиолокацией (частотный метод). Представляет интерес поэтому сопоставить возможности частотного и фазочастотного методов, их принципиальные отличия и сходство. The materials of this application indicate that the present invention in terms of a set of features and technical effect can open a new direction in long-range measurement (we will call it conventionally as the phase-frequency method), which can compete with the main direction of this technical field: continuous FM radar (frequency method). It is therefore of interest to compare the capabilities of the frequency and phase-frequency methods, their fundamental differences and similarities.
Общим для этих методов является использование для определения расстояния измерения в диапазоне частот комплексного коэффициента отражения (или передачи) объекта (или пространства), размещенного между выходом и входом измерителя. При этом в частотном методе измеряется действительная часть этой функции, а в фазочастотном - ее аргумент. Из этого следует, что по информативности, например способности различать посторонние объекты, методы по крайней мере сопоставимы. Common to these methods is the use for determining the measurement distance in the frequency range of the complex reflection coefficient (or transmission) of an object (or space) located between the output and input of the meter. In this case, the real part of this function is measured in the frequency method, and its argument in the phase-frequency method. It follows from this that, in terms of informativeness, for example, the ability to distinguish between extraneous objects, the methods are at least comparable.
Точность измерения обоих методов определяется по сути точностью определения частоты излучаемого сигнала в любой момент процесса измерения. В частотном методе эта определенность достигается высокими требованиями к параметрам линейной частотной модуляции и их стабильности. Фазочастотный метод предоставляет возможность прямого измерения частоты с практически неограниченной точностью, что и определяет его безусловное преимущество в этом качестве. The measurement accuracy of both methods is determined in essence by the accuracy of determining the frequency of the emitted signal at any time in the measurement process. In the frequency method, this certainty is achieved by high requirements for the parameters of linear frequency modulation and their stability. The phase-frequency method provides the ability to directly measure the frequency with almost unlimited accuracy, which determines its undoubted advantage in this quality.
Разрешающая способность каждого из этих методов определяется шириной используемого диапазона частот: девиацией ЛЧМ для частотного и диапазоном перестройки частоты генератора для фазочастотного метода. Величина девиации и линейность ЛЧМ есть параметры противоречивые, а это значит, что высокие значения точности и разрешающей способности одновременно не реализуются. Возможности расширения диапазона перестройки частоты для фазочастотного метода практически не ограничены, причем расширение диапазона рабочих частот приводит не к снижению точности, а к ее увеличению. The resolution of each of these methods is determined by the width of the frequency range used: the deviation of the LFM for the frequency and the frequency range of the generator for the phase-frequency method. The magnitude of the deviation and linearity of the LFM are contradictory parameters, which means that high values of accuracy and resolution are not simultaneously realized. The possibilities of expanding the frequency tuning range for the phase-frequency method are practically unlimited, and expanding the operating frequency range does not lead to a decrease in accuracy, but to its increase.
Преимущество фазочастотного метода в точности и разрешающей способности реализуется за счет точного измерения множества устанавливаемых системой АПЧ частот генератора, что требует определенного времени, причем тем большего, чем выше требуемые точность и разрешающая способность. Это означает, что по продолжительности измерения фазочастотный метод уступает частотному, реализующему получение результатов измерения в режиме реального времени. The advantage of the phase-frequency method in accuracy and resolution is realized by accurately measuring the set of generator frequencies set by the AFC system, which requires a certain time, and the more, the higher the required accuracy and resolution. This means that the phase-frequency method is inferior in frequency to the frequency one that realizes the receipt of measurement results in real time.
Claims (5)
где φi[fi] - значение разности фаз для измеренного значения частоты fi,
определяют из фазочастотной характеристики линейную составляющую
где V - скорость распространения;
f - частота сигнала,
из крутизны которой определяют расстояние l, пройденное энергетически большей частью сигнала по основной траектории, а также периодическую составляющую и ее спектр для вычисления разности расстояний, пройденных сигналом по основной и другим траекториям.1. The method of measuring the distance by measuring the phase difference of the emitted and received periodic signals, consisting in the fact that by changing the frequency of the emitted signal set the specified phase difference φ
where φ i [f i ] is the phase difference value for the measured frequency value f i ,
determine the linear component from the phase-frequency characteristic
where V is the propagation velocity;
f is the signal frequency,
from the steepness of which the distance l is determined, which is traveled energetically by most of the signal along the main path, as well as the periodic component and its spectrum for calculating the difference of the distances traveled by the signal along the main and other paths.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98123932A RU2158937C2 (en) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Method and device to measure range |
PCT/RU1999/000502 WO2000039605A1 (en) | 1998-12-29 | 1999-12-22 | Method and device for measuring a distance |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU98123932A RU2158937C2 (en) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Method and device to measure range |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU98123932A RU98123932A (en) | 2000-10-10 |
RU2158937C2 true RU2158937C2 (en) | 2000-11-10 |
Family
ID=20214152
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU98123932A RU2158937C2 (en) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Method and device to measure range |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2158937C2 (en) |
WO (1) | WO2000039605A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002041026A2 (en) * | 2000-11-16 | 2002-05-23 | Krislamov, Gennady Alekseevich | Distance measuring method and device |
RU2564787C1 (en) * | 2014-03-21 | 2015-10-10 | Виктор Леонидович Семенов | Method of determining violation of air boundary of secure facility and apparatus therefor |
RU2713633C1 (en) * | 2019-08-06 | 2020-02-05 | Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» | Method of controlling geometry of large-size objects |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2496274A1 (en) * | 1980-12-12 | 1982-06-18 | Trt Telecom Radio Electr | FREQUENCY-MODIFIED MAIN-WAVE RADAR DISTANCE DISTANCE MEASURING METHOD, APPARATUS FOR IMPLEMENTING THE METHOD, AND APPLICATION TO THE ACCURATE DETERMINATION OF THE LIQUID LEVEL IN A RESERVOIR |
FR2603385B1 (en) * | 1986-08-27 | 1988-11-10 | Trt Telecom Radio Electr | FREQUENCY MODULATED CONTINUOUS WAVE RADAR FOR DISTANCE MEASUREMENT |
GB2246042A (en) * | 1990-07-11 | 1992-01-15 | Philips Electronic Associated | Fmcw radar linearizer. |
US5134411A (en) * | 1990-07-13 | 1992-07-28 | General Microwave Corporation | Near range obstacle detection and ranging aid |
-
1998
- 1998-12-29 RU RU98123932A patent/RU2158937C2/en not_active IP Right Cessation
-
1999
- 1999-12-22 WO PCT/RU1999/000502 patent/WO2000039605A1/en active Application Filing
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002041026A2 (en) * | 2000-11-16 | 2002-05-23 | Krislamov, Gennady Alekseevich | Distance measuring method and device |
WO2002041026A3 (en) * | 2000-11-16 | 2002-08-15 | Krislamov Gennady Alekseevich | Distance measuring method and device |
RU2564787C1 (en) * | 2014-03-21 | 2015-10-10 | Виктор Леонидович Семенов | Method of determining violation of air boundary of secure facility and apparatus therefor |
RU2713633C1 (en) * | 2019-08-06 | 2020-02-05 | Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» | Method of controlling geometry of large-size objects |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2000039605A1 (en) | 2000-07-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100487756B1 (en) | Radar apparatus | |
US10718860B2 (en) | System and method to improve range accuracy in FMCW radar using FSK modulated chirps | |
US10684363B2 (en) | Radar front-end with RF oscillator monitoring | |
US5023572A (en) | Voltage-controlled oscillator with rapid tuning loop and method for tuning same | |
US4825214A (en) | Frequency-modulated continuous wave radar for range measuring | |
US4509049A (en) | FMCW system for providing search-while-track functions and altitude rate determination | |
US6646587B2 (en) | Doppler radar apparatus | |
US4464662A (en) | Determining azimuth of a transponder by measuring a plurality of phase shifts | |
US5400034A (en) | Digital phase lock detector | |
EP0348900B1 (en) | Delay time measuring device | |
US20160178744A1 (en) | Distance Measurement Between Two Nodes of a Radio Network | |
US20040130482A1 (en) | Digital controlled linear sweep frequency mode for FMCW radar altimeter | |
US11841457B2 (en) | Radar device, control circuit of radar device, and storage medium of radar device | |
US4599618A (en) | Nearest return tracking in an FMCW system | |
US9031811B2 (en) | System and method for pulse-echo ranging | |
US4635060A (en) | Coherent-on-receive radar with prephase correction circuit | |
Frischen et al. | FMCW ramp non-linearity effects and measurement technique for cooperative radar | |
CN106772349B (en) | A kind of ranging, speed-measuring method and system | |
RU2158937C2 (en) | Method and device to measure range | |
RU2189055C2 (en) | Transceiver of homodyne radar | |
EP0727676B1 (en) | Multichannel radar | |
US4829305A (en) | Medium distance measurement system and method | |
US5124708A (en) | RF stability measuring system for MTI radars | |
JP2005010130A (en) | Measuring apparatus for distance or the like | |
RU2152595C1 (en) | Contact-free pulse-phase method of measurement of level of separation of heterogeneous liquids and of relative change of level with increased accuracy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071230 |