RU2234108C1 - Method for range measurement (modifications) - Google Patents
Method for range measurement (modifications) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234108C1 RU2234108C1 RU2002133946/09A RU2002133946A RU2234108C1 RU 2234108 C1 RU2234108 C1 RU 2234108C1 RU 2002133946/09 A RU2002133946/09 A RU 2002133946/09A RU 2002133946 A RU2002133946 A RU 2002133946A RU 2234108 C1 RU2234108 C1 RU 2234108C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- frequency signal
- difference frequency
- emitted
- Prior art date
Links
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерению расстояния.The invention relates to the field of measuring equipment, in particular, to measuring distance.
Известны способы измерения расстояния, основанные на принципе радиолокации в радиочастотном диапазоне с частотной модуляцией излучаемого сигнала.Known methods for measuring distance based on the principle of radar in the radio frequency range with frequency modulation of the emitted signal.
Известен способ измерения расстояния, являющийся аналогом, реализованный в устройстве [1], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный радиосигнал в направлении поверхности контролируемой среды, принимают спустя время распространения отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты. Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды, при условии поддержания постоянной самой разностной частоты, путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при изменении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2π N+α пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов сигнала разностной частоты, содержащееся в периоде модуляции, α - число, соответствующее оставшейся части периода, т.е. начальная фаза сигнала разностной частоты. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы α и вычислению расстояния.A known method of measuring distance, which is an analogue, implemented in the device [1], which consists in emitting a frequency-modulated radio signal in the direction of the surface of the medium being monitored, receiving the propagation signal after the propagation time and mixing it with a part of the emitted signal to obtain a difference frequency signal. The phase of this signal is used to measure the distance to the surface of the controlled medium, provided that the difference frequency itself is constant, by controlling the modulation period. In this case, the phase of the signal of the difference frequency with a change in distance will continuously change within 2π N + α in proportion to the change in distance. Here N is the integer number of periods of the difference frequency signal contained in the modulation period, α is the number corresponding to the remaining part of the period, i.e. initial phase of the differential frequency signal. Thus, determining the distance is reduced to counting the number N, measuring the phase α and calculating the distance.
Недостатком способа является зависимость результатов от нелинейности модуляционной характеристики передатчика, т.к. при этом мгновенная частота сигнала биений непрерывно меняется и, поэтому, ее не удается поддерживать постоянной. Можно поддерживать постоянной среднюю частоту, но ее величина сильно зависит от изменения формы модуляционной характеристики при изменении температуры. По этой же причине не удается измерить точное значение фазы сигнала разностной частоты. Вследствие этого результаты определения расстояния также сильно зависят от температуры окружающей среды.The disadvantage of this method is the dependence of the results on the nonlinearity of the modulation characteristics of the transmitter, because at the same time, the instantaneous frequency of the beat signal continuously changes and, therefore, it cannot be kept constant. You can maintain a constant average frequency, but its value depends heavily on a change in the shape of the modulation characteristic with a change in temperature. For the same reason, it is not possible to measure the exact phase value of the differential frequency signal. As a result of this, the results of determining the distance also strongly depend on the ambient temperature.
Также известен способ измерения расстояния, являющийся аналогом, реализованный в устройстве [2], заключающийся в том, что производится излучение частотно-модулированного радиосигнала в направлении поверхности контролируемой среды, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты, определение моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей), накопление значений весовой функции, соответствующих моментам появления характерных точек сигнала, и вычисление расстояния по накопленной сумме значений. Недостатком данного метода является сильная зависимость результата расчета от нелинейности модуляционной характеристики передатчика и, как следствие, от температуры, т.к. нелинейность значительно изменяется при изменении температуры.There is also a known method of measuring distance, which is an analogue implemented in the device [2], which consists in the fact that a frequency-modulated radio signal is emitted in the direction of the surface of the controlled medium, receiving after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part of the emitted signal to obtain a differential signal frequency, determining the moments of occurrence of characteristic points of the signal of the difference frequency (for example, extrema or zeros), the accumulation of values of the weight function corresponding to the moments of the appearance of the characteristic points of the signal, and the calculation of the distance from the accumulated sum of values. The disadvantage of this method is the strong dependence of the calculation result on the nonlinearity of the modulation characteristics of the transmitter and, as a consequence, on temperature, because nonlinearity changes significantly with temperature.
Также известен способ измерения расстояния, являющийся прототипом, реализованный в устройстве [3], заключающийся в излучении частотно-модулированного радиосигнала в направлении контролируемой среды, приеме спустя время распространения отраженного сигнала, смешивании его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты, формировании двух импульсных сигналов в моменты совпадения частоты излучаемого сигнала с двумя заранее заданными эталонными частотами, измерения длительности интервала времени между этими сигналами и поддержания этой длительности постоянной путем сравнения ее с длительностью эталонного интервала времени и соответствующего изменения амплитуды симметричного треугольного модулирующего напряжения, формировании импульсных сигналов, соответствующих экстремумам сигнала разностной частоты, изменении знака производной модулирующего симметричного треугольного напряжения в момент появления одного из этих импульсов после достижения частотой излучаемого сигнала одного из двух вышеуказанных заранее заданных значений, измерении разностной частоты полученного непрерывного сигнала в течение измерительного интервала, выбранного так, чтобы уменьшить дискретную ошибку счета периодов до допустимого значения, и расчете расстояния по этой частоте. Недостатком этого метода также является зависимость результатов измерения от нелинейности модуляционной характеристики и, следовательно, от температуры окружающей среды.There is also a known method of measuring distance, which is a prototype implemented in the device [3], which consists in emitting a frequency-modulated radio signal in the direction of the controlled medium, receiving after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part of the emitted signal to obtain a difference frequency signal, forming two pulse signals at the moments of coincidence of the frequency of the emitted signal with two predetermined reference frequencies, measuring the duration of the time interval between these signals and keeping this duration constant by comparing it with the duration of the reference time interval and correspondingly changing the amplitude of the symmetric triangular modulating voltage, generating pulse signals corresponding to the extrema of the difference frequency signal, changing the sign of the derivative of the modulating symmetrical triangular voltage at the moment of the appearance of one of these pulses after reaching the frequency radiated signal of one of the two above predefined values, measurement aznostnoy continuous frequency signal obtained during the measurement interval selected so as to reduce the error discrete periods to account permissible value, and calculating the distance of this frequency. The disadvantage of this method is also the dependence of the measurement results on the nonlinearity of the modulation characteristic and, therefore, on the ambient temperature.
Таким образом, общим недостатком аналогов и прототипа является невысокая точность и стабильность измерений вследствие зависимости результатов измерения от температуры окружающей среды.Thus, a common drawback of analogues and prototype is the low accuracy and stability of measurements due to the dependence of the measurement results on the ambient temperature.
Цель изобретения - повышение точности измерения в диапазоне температур путем снижения зависимости результатов измерения от нелинейности модуляционной характеристики передатчика.The purpose of the invention is to increase the measurement accuracy in the temperature range by reducing the dependence of the measurement results on the nonlinearity of the modulation characteristics of the transmitter.
Цель достигается тем, что в способе измерения расстояния от излучателя до поверхности материала, заключающемся в излучении в направлении контролируемой поверхности радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией, приеме спустя время распространения отраженного сигнала, смешивании его с частью излучаемого сигнала и получении сигнала разностной частоты, формировании двух импульсных сигналов в моменты совпадения частоты излучаемого сигнала с двумя заранее заданными эталонными частотами, дополнительно измеряют зависимость от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) внутри периода модуляции и временные положения двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот. Проведение дополнительных измерений позволяет учесть нелинейность модуляционной характеристики при расчете расстояния и тем самым ослабить ее влияние на результат измерения, а значит, и влияние температуры окружающей среды.The goal is achieved by the fact that in the method of measuring the distance from the emitter to the surface of the material, which consists in emitting in the direction of the surface of the radio frequency signal with periodic frequency modulation, receiving after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part of the emitted signal and receiving the difference frequency signal, forming two pulse signals at the moments of coincidence of the frequency of the emitted signal with two predetermined reference frequencies, additionally measured depending It is from time instants of occurrence of characteristic points of the difference frequency signal (e.g., the extrema or zeros) in a modulation period and temporal positions of two pulse signals derived at instants of coincidence the emitted and reference frequencies. Carrying out additional measurements allows to take into account the nonlinearity of the modulation characteristic when calculating the distance and thereby weaken its influence on the measurement result, and hence the influence of the ambient temperature.
Возможны два варианта использования новой совокупности и порядка осуществления действий над сигналом.There are two options for using the new combination and the order of actions on the signal.
Сущность первого варианта предлагаемого способа заключается в том, что для измерения расстояния от излучателя до поверхности материала излучают в направлении контролируемой поверхности радиочастотный сигнал с периодической частотной модуляцией, принимают спустя время распространения отраженный сигнал, смешивают его с частью излучаемого сигнала и получают сигнал разностной частоты. Кроме того, формируют два импульсных сигнала в моменты совпадения частоты излучаемого сигнала с двумя заранее заданными эталонными частотами. Для устранения влияния, нелинейности модуляционной характеристики на результаты определения расстояния дополнительно измеряют зависимость от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) внутри периода модуляции и временные положения двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот, используя которые дополнительно вычисляют диапазон перестройки частоты излучаемого сигнала Δ fm, соответствующий следующим подряд друг за другом (m+1) характерным точкам сигнала разностной частоты и вычисляют расстояние по формуле:The essence of the first variant of the proposed method is that to measure the distance from the emitter to the surface of the material, a radio frequency signal with a periodic frequency modulation is emitted in the direction of the surface to be monitored, the reflected signal is received after the propagation time, mixed with a part of the emitted signal and a difference frequency signal is obtained. In addition, two pulse signals are generated at the moments of coincidence of the frequency of the emitted signal with two predetermined reference frequencies. To eliminate the influence of nonlinearity of the modulation characteristic on the results of determining the distance, the time dependence of the moments of appearance of characteristic points of the difference frequency signal (for example, extrema or zeros) inside the modulation period and the temporal positions of two pulse signals obtained at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies are additionally measured using which further comprises calculating a signal emitted by the frequency tuning range Δ f m, corresponding to each other in the following row (m + 1) ha akternym points of difference frequency signal and calculating the distance using the formula:
где v - скорость распространения электромагнитной волны над контролируемой поверхностью.where v is the speed of propagation of an electromagnetic wave over a controlled surface.
Расчет основан на том, что при неизменном измеряемом расстоянии и любых внешних условиях величина Δ fm остается неизменной для любых двух характерных точек сигнала разностной частоты, разнесенных по оси времени на интервал, кратный половине периода сигнала разностной частоты. Это объясняется тем, что приращение фазы сигнала разностной частоты Δ φ при переходе от одной характерной точки к другой, соседней, т.е. через один полупериод, равно π , а при переходе через m полупериодов:The calculation is based on the fact that, at a constant measured distance and any external conditions, Δ f m remains unchanged for any two characteristic points of the difference frequency signal, spaced along the time axis by an interval multiple of half the period of the difference frequency signal. This is because the phase increment of the signal of the difference frequency Δ φ during the transition from one characteristic point to another, neighboring, i.e. after one half-cycle, it is equal to π, and when passing through m half-periods:
Δ φ =2π Δ fmt3=2π mΔ f1t3=mπ ,Δ φ = 2π Δ f m t 3 = 2π mΔ f 1 t 3 = mπ,
где t3 - время распространения сигнала, которое не изменяется при неизменном расстоянии.where t 3 is the propagation time of the signal, which does not change at a constant distance.
Для вычисления Δ fm используется аппроксимация зависимости частоты излучаемого сигнала F от времени t нелинейной функцией F=s(t) с использованием измеренной зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) внутри периода модуляции и временных положений двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот.To calculate Δ f m , an approximation of the dependence of the frequency of the emitted signal F on time t with the nonlinear function F = s (t) is used using the measured time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the signal of the difference frequency (for example, extrema or zeros) within the modulation period and time positions of two pulse signals received at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies.
Сущность второго варианта предлагаемого способа заключается в том, что для измерения расстояния от излучателя до поверхности материала излучают в направлении контролируемой поверхности радиочастотный сигнал с периодической частотной модуляцией, принимают спустя время распространения отраженный сигнал, смешивают его с частью излучаемого сигнала и получают сигнал разностной частоты. Кроме того, формируют два импульсных сигнала в моменты совпадения частоты излучаемого сигнала с двумя заранее заданными эталонными частотами, являющиеся границами интервала анализа внутри периода модуляции, вычисляют расстояние R по известной скорости распространения радиоволн в среде над измеряемой поверхностью v и по известной разности указанных эталонных частот Δ F. Для уменьшения влияния нелинейности модуляционной характеристики на результаты измерения дополнительно измеряют зависимость от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) внутри периода модуляции и временные положения ta1 и ta2 двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот, и вычисляют расстояние по формуле:The essence of the second variant of the proposed method is that to measure the distance from the emitter to the surface of the material, a radio frequency signal with a periodic frequency modulation is emitted in the direction of the surface being monitored, the reflected signal is received after the propagation time, mixed with a part of the emitted signal and a difference frequency signal is obtained. In addition, two pulse signals are generated at the moments of coincidence of the frequency of the emitted signal with two predetermined reference frequencies, which are the boundaries of the analysis interval within the modulation period, calculate the distance R from the known velocity of propagation of radio waves in the medium above the measured surface v and from the known difference of the specified reference frequencies Δ F. To reduce the influence of the nonlinearity of the modulation characteristic on the measurement results, the time dependence of x points difference frequency signal (e.g., the extrema or zeros) in a modulation period and the temporal position t a1 and t a2 of two pulse signals derived at instants of coincidence the emitted and reference frequencies, and calculating the distance using the formula:
где k - число целых периодов сигнала разностной частоты внутри интервала анализа;x - дополнительная поправка, являющаяся оставшейся частью полупериода сигнала разностной частоты, вычисленная по измеренной зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) внутри периода модуляции и по временным положениям двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот.where k is the number of integer periods of the difference frequency signal within the analysis interval; x is the additional correction, which is the remainder of the half period of the difference frequency signal, calculated from the measured time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the difference frequency signal (for example, extrema or zeros) inside the modulation period and by the temporal positions of two pulse signals received at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies.
Сумму целого числа полупериодов сигнала разностной частоты и дополнительной поправки вычисляют по выражению:The sum of the integer number of half-periods of the difference frequency signal and the additional correction are calculated by the expression:
где 
tj=(j+1-x1)Tср - расчетный j-й момент появления характерной точки сигнала разностной частоты с усредненным периодом, считая от начала интервала анализа;t j = (j + 1-x 1 ) T cf - estimated j-th moment of occurrence of the characteristic point of the signal of the difference frequency with an average period, counting from the beginning of the analysis interval;
Тa=ta2-ta1 - длительность интервала анализа;T a = t a2 -t a1 - the duration of the analysis interval;
x1 и х2 - нормированные положения граничных точек интервала анализа относительно левых границ соответствующих полупериодов сигнала разностной частоты, вычисленные путем интерполяции измеренной зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты (например, экстремумов или нулей) на начальном и конечном участках периода модуляции с использованием временных положений двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемой и эталонных частот;x 1 and x 2 are the normalized positions of the boundary points of the analysis interval relative to the left boundaries of the corresponding half-periods of the difference frequency signal, calculated by interpolating the measured time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the difference frequency signal (for example, extrema or zeros) at the initial and final sections of the modulation period with using the temporary positions of two pulsed signals obtained at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies;
Кв - постоянный коэффициент, зависящий от вида весовой функции [2].To in - a constant coefficient, depending on the type of weight function [2].
Частотная модуляция при указанных измерениях осуществляется таким образом, что за границами интервала анализа, но внутри периода модуляции имеется не менее одной характерной точки сигнала разностной частоты с каждой стороны.Frequency modulation in these measurements is carried out in such a way that beyond the boundaries of the analysis interval, but inside the modulation period there is at least one characteristic point of the difference frequency signal on each side.
Оба варианта предлагаемого способа относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивающих получение одного и того же технического результата.Both variants of the proposed method relate to objects of the same type, of the same purpose and providing the same technical result.
Заявленные варианты способа измерения расстояния обладают совокупностью признаков, неизвестных из уровня техники для способов и устройств подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна". Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть следующее:The claimed variants of the method of measuring distance have a combination of features unknown from the prior art for methods and devices for this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty". To prove the inventive step, the following should be considered:
1. В известном способе измерения расстояния [1], основанном на измерении части периода сигнала разностной частоты путем измерения его фазы, предполагается линейное изменение частоты генератора. При нелинейной модуляционной характеристике возникают существенные погрешности измерения, вызванные изменением мгновенной частоты разностного сигнала и погрешностью измерения фазы сигнала. В заявленном способе измерения расстояния за счет проведения дополнительных измерений зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты внутри периода модуляции и временных положений двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот, производится корректировка результатов расчета, учитывающая нелинейность модуляционной характеристики передатчика. При этом в первом варианте осуществления способа по указанной зависимости производят уточнение диапазона перестройки передатчика, соответствующего целому числу полупериодов сигнала разностной частоты внутри периода модуляции. Во втором варианте по этой зависимости уточняют часть периода сигнала разностной частоты, дополнительно укладывающуюся в интервале анализа помимо целого числа этих периодов. Указанные уточнения позволяют скорректировать результат расчета расстояния при нелинейной модуляционной характеристике передатчика.1. In the known method of measuring distance [1], based on measuring part of the period of the signal of the differential frequency by measuring its phase, a linear change in the frequency of the generator is assumed. With a nonlinear modulation characteristic, significant measurement errors arise due to a change in the instantaneous frequency of the difference signal and an error in the measurement of the signal phase. In the claimed method of measuring the distance due to additional measurements of the time depending on the moments of appearance of the characteristic points of the differential frequency signal within the modulation period and the temporal positions of two pulse signals received at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies, the calculation results are adjusted taking into account the non-linearity of the modulation characteristic of the transmitter. Moreover, in the first embodiment of the method according to this dependence, the tuning range of the transmitter corresponding to an integer number of half-periods of the difference frequency signal within the modulation period is refined. In the second variant, this dependence determines the part of the period of the difference frequency signal, which additionally fits the analysis interval in addition to the integer number of these periods. These refinements allow you to adjust the result of calculating the distance with a non-linear modulation characteristic of the transmitter.
2. В известном способе диапазон перестройки частоты передатчика предполагается известным, однако не оговорено, каким образом это достигается. Поэтому при изменении температуры появится дополнительная температурная составляющая погрешности, вызванная изменением этого диапазона.2. In the known method, the frequency range of the transmitter frequency is assumed to be known, but it is not specified how this is achieved. Therefore, when the temperature changes, an additional temperature component of the error will appear, caused by a change in this range.
В заявляемом способе диапазон перестройки частоты передатчика не фиксирован. Необходимое для вычисления расстояния значение диапазона перестройки частоты в первом варианте осуществления способа находят расчетным путем, используя результаты дополнительных измерений зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты внутри периода модуляции и временных положений двух импульсных сигналов, соответствующих известным эталонным частотам, а во втором варианте - по эталонным частотам, формируя полный диапазон перестройки таким образом, чтобы в течение периода модуляции до нижней эталонной частоты и за верхней эталонной частотой формировались не менее чем по одной характерной точке в сигнале разностной частоты.In the inventive method, the frequency adjustment range of the transmitter frequency is not fixed. The frequency tuning range value necessary for calculating the distance in the first embodiment of the method is found by calculation, using the results of additional measurements of the time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the differential frequency signal within the modulation period and the time positions of two pulse signals corresponding to known reference frequencies, and in the second embodiment - at reference frequencies, forming the full tuning range so that during the modulation period to the bottom a reference frequency and a reference frequency for the upper formed on at least one characteristic point in the signal of the difference frequency.
Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "изобретательский уровень".These differences do not follow explicitly from available scientific and technical sources, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention "inventive step".
Реализацию заявленного способа можно осуществить устройством, структурная схема которого приведена на чертеже. Устройство содержит модулятор 1, приемопередающий СВЧ модуль 2, направленный ответвитель 3, формирователь частотных меток 4, передающую антенну 5, приемную антенну 6, схему предварительной аналоговой обработки 7, микропроцессор 8 и индикатор 9. Первый выход модулятора 1 соединен с модулирующим входом приемопередающего СВЧ модуля 2. СВЧ выход приемопередающего СВЧ модуля 2 соединен со входом направленного ответвителя 3, первый выход которого соединен со входом формирователя частотных меток 4, а второй выход с передающей антенной 5. Выход приемной антенны 6 соединен с СВЧ входом приемопередающего СВЧ модуля 2. Выход сигнала разностной частоты приемопередающего СВЧ модуля 2 соединен со входом схемы предварительной аналоговой обработки 7. Второй выход модулятора 1, первый и второй выходы формирователя частотных меток 4 и выход схемы предварительной аналоговой обработки 7 соединены с соответствующими входами микропроцессора 8. Выход микропроцессора 8 соединен с индикатором 9.The implementation of the claimed method can be carried out by a device, a structural diagram of which is shown in the drawing. The device comprises a modulator 1, a microwave transceiver module 2, a directional coupler 3, a frequency label driver 4, a transmission antenna 5, a reception antenna 6, an analog pre-processing circuit 7, a microprocessor 8 and an indicator 9. The first output of the modulator 1 is connected to the modulating input of the microwave transceiver module 2. The microwave output of the microwave transceiver module 2 is connected to the input of the directional coupler 3, the first output of which is connected to the input of the frequency label former 4, and the second output with the transmitting antenna 5. The output is receiving antenna 6 is connected to the microwave input of the transceiver microwave module 2. The output signal of the difference frequency of the transceiver microwave module 2 is connected to the input of the preliminary analog processing circuit 7. The second output of the modulator 1, the first and second outputs of the frequency label generator 4 and the output of the preliminary analog processing circuit 7 are connected with the corresponding inputs of the microprocessor 8. The output of the microprocessor 8 is connected to the indicator 9.
Устройство работает следующим образом. Модулятор 1 формирует симметричное треугольное напряжение, которое поступает на модулирующий вход приемопередающего СВЧ модуля 2 и модулирует передатчик этого модуля по частоте. Сформированный частотно-модулированный сигнал поступает в направленный ответвитель 3.The device operates as follows. Modulator 1 generates a symmetrical triangular voltage, which is fed to the modulating input of the transceiver microwave module 2 and modulates the transmitter of this module in frequency. The generated frequency-modulated signal enters the directional coupler 3.
Одна часть сформированного сигнала с первого выхода направленного ответвителя 3 поступает на вход формирователя частотных меток 4. Формирователь частотных меток 4 вырабатывает на двух своих выходах два коротких импульсных сигнала в моменты совпадения частоты передаваемого сигнала с заранее заданными частотами (например, с помощью диэлектрических резонаторов).One part of the generated signal from the first output of the directional coupler 3 goes to the input of the frequency label generator 4. The frequency label generator 4 generates two short pulse signals at its two outputs when the frequency of the transmitted signal coincides with predetermined frequencies (for example, using dielectric resonators).
Вторая часть сформированного сигнала со второго выхода направленного ответвителя 3 поступает в передающую антенну 5 и излучается в направлении поверхности контролируемой среды. Отраженный сигнал спустя время распространения поступает в приемную антенну 6 и с ее выхода на приемный вход приемопередающего СВЧ модуля 2. Сигнал разностной частоты с выхода приемопередающего СВЧ модуля 2 поступает на вход схемы предварительной аналоговой обработки 7, где он подвергается фильтрации и усилению до ограничения и превращения в импульсы прямоугольной формы. Фронты этих импульсов соответствуют пересечению сигналом разностной частоты нулевого уровня. Импульсный сигнал со второго выхода модулятора 1, соответствующий половине периода модуляции, короткие импульсные сигналы с первого и второго выходов формирователя частотных меток 4 и импульсные сигналы с выхода схемы предварительной аналоговой обработки 7 поступают на соответствующие входы микропроцессора 8. Передний фронт импульса со второго выхода модулятора 1 запускает внутренний счетчик микропроцессора 8. Далее, в течение длительности половины периода модуляции передние фронты импульсов, поступающих с выходов формирователя частотных меток 4 и с выхода схемы предварительной аналоговой обработки 7, генерируют прерывания процессора 8. Соответствующие подпрограммы обработки прерываний записывают в память микропроцессора 8 числа, накопленные к этому моменту времени во внутреннем счетчике микропроцессора 8. Задний фронт импульса со второго выхода модулятора останавливает внутренний счетчик микропроцессора 8 и запускает программу расчета расстояния с учетом измеренной зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты и временных положений двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот.The second part of the generated signal from the second output of the directional coupler 3 enters the transmitting antenna 5 and is radiated in the direction of the surface of the controlled medium. After the propagation time, the reflected signal enters the receiving antenna 6 and from its output to the receiving input of the microwave transceiver module 2. The difference frequency signal from the output of the microwave transceiver module 2 is fed to the input of the preliminary analog processing circuit 7, where it is filtered and amplified to the limit and transformation into pulses of a rectangular shape. The fronts of these pulses correspond to the signal crossing the differential frequency of the zero level. The pulse signal from the second output of modulator 1, corresponding to half the modulation period, short pulse signals from the first and second outputs of the frequency label former 4 and pulse signals from the output of the preliminary analog processing circuit 7 are supplied to the corresponding inputs of the microprocessor 8. The leading edge of the pulse from the second output of modulator 1 starts the internal counter of microprocessor 8. Further, during the duration of half the modulation period, the leading edges of the pulses coming from the outputs of the shaper often 4 and from the output of the preliminary analog processing circuit 7, generate processor interrupts 8. The corresponding interrupt processing routines write to the microprocessor 8 the numbers accumulated at this point in time in the internal counter of the microprocessor 8. The trailing edge of the pulse from the second output of the modulator stops the internal counter of the microprocessor 8 and starts the distance calculation program taking into account the measured time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the signal of the difference frequency and time positions of two pulsed signals received at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies.
Для учета указанной зависимости в первом варианте предлагаемого способа необходимо выбрать вид аппроксимирующей функции. В частности, можно получить решение в законченном виде при аппроксимации этой зависимости полиномом степени n:To take into account the indicated dependence in the first embodiment of the proposed method, it is necessary to choose the type of approximating function. In particular, a complete solution can be obtained by approximating this dependence by a polynomial of degree n:
где (n+1) - число характерных точек сигнала разностной частоты внутри периода модуляции, используемое при расчете;where (n + 1) is the number of characteristic points of the difference frequency signal within the modulation period used in the calculation;
аi - постоянные коэффициенты.and i are constant coefficients.
Используя эту формулу, результаты измерения зависимости от времени моментов появления характерных точек сигнала разностной частоты и временных положений двух импульсных сигналов, полученных в моменты совпадения излучаемых и эталонных частот, можно составить систему из (n+3) линейных уравнений относительно (n+1)-гo неизвестных коэффициентов аi, частоты появления первой характерной точки сигнала разностной частоты F1 и диапазона перестройки частоты между двумя соседними характерными точками сигнала разностной частоты Δ f1:Using this formula, the results of measuring the time dependence of the moments of appearance of the characteristic points of the differential frequency signal and the temporal positions of two pulse signals obtained at the moments of coincidence of the emitted and reference frequencies, we can compose a system of (n + 3) linear equations with respect to (n + 1) - unknown coefficients a i , the frequency of occurrence of the first characteristic point of the differential frequency signal F 1 and the frequency tuning range between two adjacent characteristic points of the differential frequency signal Δ f 1 :
где ti - момент появления i-й характерной точки сигнала разностной частоты;where t i - the moment of occurrence of the i-th characteristic point of the differential frequency signal;
m1... mn - номера используемых при расчете характерных точек;m 1 ... m n are the numbers of characteristic points used in the calculation;
FH и FВ - соответственно нижняя и верхняя эталонные частоты;F H and F B - respectively, the lower and upper reference frequencies;
tH и tВ - моменты совпадения излучаемой и соответствующей эталонной частоты. Степень полинома n и, следовательно, число используемых при расчете характерных точек зависит от требуемой точности аппроксимации, но не может превышать общего числа указанных точек внутри периода модуляции. В матричной форме указанная система уравнений имеет вид:t H and t In - moments of coincidence of the radiated and the corresponding reference frequency. The degree of the polynomial n and, therefore, the number of characteristic points used in the calculation depends on the required approximation accuracy, but cannot exceed the total number of these points within the modulation period. In matrix form, this system of equations has the form:
Из этой системы уравнений определяют:From this system of equations determine:
где Δ - определитель матрицы коэффициентов указанной системы уравнений;where Δ is the determinant of the matrix of coefficients of the specified system of equations;
Аi,j - соответствующее алгебраическое дополнение.And i, j is the corresponding algebraic complement.
Для составления этой системы уравнений и нахождения диапазона перестройки могут использоваться любые характерные точки из числа измеренных. В частности, можно выбирать характерные точки с постоянным шагом между ними, равным некоторому числу целых полупериоде в m.To compile this system of equations and find the tuning range, any characteristic points of the measured ones can be used. In particular, one can choose characteristic points with a constant step between them equal to a certain number of integer half-periods in m.
ТогдаThen
Таким образом, определение диапазона перестройки частоты излучаемого сигнала производится по формулам (4), (5) и затем по формуле (1) производится расчет измеряемого расстояния.Thus, the frequency tuning range of the emitted signal is determined using formulas (4), (5), and then the measured distance is calculated using formula (1).
Во втором варианте предлагаемого способа по формуле (3) производится определение суммы целого числа полупериодов сигнала разностной частоты, попавших в интервал анализа, и дополнительной поправки, являющейся оставшейся частью полупериода сигнала разностной частоты, и затем по формуле (2) расчет измеряемого расстояния.In the second variant of the proposed method, the formula (3) determines the sum of the integer number of half-periods of the difference frequency signal that fall into the analysis interval and the additional correction, which is the remainder of the half-period of the difference frequency signal, and then, using the formula (2), calculate the measured distance.
Результат расчета поступает с выхода микропроцессора 8 на индикатор 9 и процесс измерения повторяется.The result of the calculation comes from the output of the microprocessor 8 to the indicator 9 and the measurement process is repeated.
Численное моделирование предлагаемого способа на компьютере и испытание макета описанного устройства подтверждают его эффективность. Погрешность измерения в диапазоне температур примерно в 10 раз меньше по сравнению с прототипом.Numerical modeling of the proposed method on a computer and testing the layout of the described device confirm its effectiveness. The measurement error in the temperature range is approximately 10 times less compared to the prototype.
Источники информацииSources of information
1. Марфин В.П., Кузнецов В.И., Розенфельд Ф.З. СВЧ уровнемер //Приборы и системы управления, 1979, № 11, с.28-29.1. Marfin V.P., Kuznetsov V.I., Rosenfeld F.Z. Microwave level meter // Instruments and control systems, 1979, No. 11, p. 28-29.
2. Заявка Японии N 30-1591, G 01 S 13/34.2. Japanese application N 30-1591, G 01 S 13/34.
3. Патент РФ № 2151408, G 01 S 13/34.3. RF patent No. 2151408, G 01 S 13/34.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002133946/09A RU2234108C1 (en) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | Method for range measurement (modifications) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002133946/09A RU2234108C1 (en) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | Method for range measurement (modifications) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002133946A RU2002133946A (en) | 2004-06-20 |
| RU2234108C1 true RU2234108C1 (en) | 2004-08-10 |
Family
ID=33413532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002133946/09A RU2234108C1 (en) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | Method for range measurement (modifications) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2234108C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499999C2 (en) * | 2012-02-29 | 2013-11-27 | Анатолий Леонидович Сартаков | Method and system for determining position of signal transmitter from signal arrival time |
| RU2658558C1 (en) * | 2017-07-03 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar |
| RU2769565C1 (en) * | 2021-05-08 | 2022-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Генезис-Таврида" | Method for determining distances from a measuring station to several transponders |
-
2002
- 2002-12-18 RU RU2002133946/09A patent/RU2234108C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2499999C2 (en) * | 2012-02-29 | 2013-11-27 | Анатолий Леонидович Сартаков | Method and system for determining position of signal transmitter from signal arrival time |
| RU2658558C1 (en) * | 2017-07-03 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar |
| RU2769565C1 (en) * | 2021-05-08 | 2022-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Генезис-Таврида" | Method for determining distances from a measuring station to several transponders |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5252981A (en) | FMCW radar system with linear frequency modulation | |
| KR100487756B1 (en) | Radar apparatus | |
| US4901083A (en) | Near obstacle detection system | |
| US5023572A (en) | Voltage-controlled oscillator with rapid tuning loop and method for tuning same | |
| EP0348900B1 (en) | Delay time measuring device | |
| EP0518442A1 (en) | FMCW radar range calibration appts | |
| US4245221A (en) | FM-CW Radar ranging system with automatic calibration | |
| JPH07159522A (en) | High-precision radar distance measuring equipment | |
| JP2008516213A (en) | Electro-optic distance measurement method by determining non-ideal chirp shape | |
| US4599618A (en) | Nearest return tracking in an FMCW system | |
| US6674395B2 (en) | Radar system and method of adjusting characteristics thereof | |
| KR20030079690A (en) | Radar system | |
| US9134406B2 (en) | Method and device for measuring a change in distance | |
| JPH09119977A (en) | Filling-level measuring method of liquid | |
| US4435712A (en) | FM-CW Radar ranging system with signal drift compensation | |
| CN114924281A (en) | Based on H 13 C 14 Method and system for simultaneously measuring distance and speed of frequency modulated continuous waves of N gas pools | |
| RU2234108C1 (en) | Method for range measurement (modifications) | |
| US20020014989A1 (en) | Method of detecting and correcting non-linearities in a microwave radar system | |
| US4829305A (en) | Medium distance measurement system and method | |
| US4613231A (en) | Laser range finder with non-linearity compensation | |
| CN113721251A (en) | Frequency modulation light source with dynamic reference feedback and application thereof | |
| JPH0318784A (en) | Fm-cw distance measuring method | |
| JP2002156447A (en) | Sweep oscillation device and fmcw distance measuring instrument | |
| JPH0452586A (en) | Distance measuring apparatus | |
| KR100426862B1 (en) | Method of VCO frequency nonlinearity improvement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051219 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071219 |