RU2234688C1 - Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device - Google Patents
Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234688C1 RU2234688C1 RU2003101694/09A RU2003101694A RU2234688C1 RU 2234688 C1 RU2234688 C1 RU 2234688C1 RU 2003101694/09 A RU2003101694/09 A RU 2003101694/09A RU 2003101694 A RU2003101694 A RU 2003101694A RU 2234688 C1 RU2234688 C1 RU 2234688C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- antenna
- frequency
- spectrum
- component
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения уровня и электрофизических параметров жидких и сыпучих материалов в хранилищах и замкнутых резервуарах.The invention relates to a control and measuring technique and can be used to determine the level and electrophysical parameters of liquid and bulk materials in storages and closed tanks.
Известен ряд способов [1, 2, 3, 4, 5] и устройств [3, 4, 5, 6, 7] измерения расстояния до зондируемого материала, которые основаны на измерении времени распространения волн от излучателя до поверхности зондируемого материала и обратно.A number of known methods [1, 2, 3, 4, 5] and devices [3, 4, 5, 6, 7] measure the distance to the probed material, which are based on measuring the propagation time of waves from the emitter to the surface of the probed material and vice versa.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому (прототип) является радарный измеритель и способ измерения уровня в цистернах [8], который включает формирование зондирующего радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией, излучение сформированного сигнала в направлении зондируемого материала, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью излученного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них составляющих, соответствующих дальности до зондируемого материала, определение времени распространения радиоволн и вычисление расстояния по известной скорости распространения радиоволн и диапазону перестройки частоты.The closest set of essential features to the claimed one (prototype) is a radar meter and a method of measuring the level in tanks [8], which includes the formation of a probing radio frequency signal with periodic frequency modulation, radiation of the generated signal in the direction of the probed material, reception after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part of the emitted signal, the allocation of low-frequency components of the resulting signal and the selection of components from them, respectively vuyuschih range to the sensed material, determining the radio propagation time and calculation of the distance from the known velocity of propagation and frequency tuning range.
Указанный способ измерения дальности осуществляется радарным уровнемером, содержащим последовательно соединенные схему формирования управляющего напряжения, управляемый генератор зондирующего сигнала, умножитель частоты, полосовой фильтр, усилитель, два направленных ответвителя, антенну, смеситель, соединенный своими входами с выходами двух направленных ответвителей, а выходом с последовательно соединенными усилителем, дифференцирующим фильтром, фильтром нижних частот, усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с первым входом сигнального процессора, второй и третий входы которого соединены соответственно с кварцевым генератором и делителем частоты, а один из выходов соединен со схемой формирования управляющего напряжения, которая содержит цифроаналоговый преобразователь, усилитель и фильтр нижних частот, при этом вход делителя частоты соединен с выходом управляемого генератора зондирующего сигнала. Входы и выходы сигнального процессора соединены со средствами индикации уровня.The specified range measurement method is carried out by a radar level gauge containing a series-connected control voltage generation circuit, a controlled probe signal generator, a frequency multiplier, a bandpass filter, an amplifier, two directional couplers, an antenna, a mixer connected by its inputs to the outputs of two directional couplers, and the output in series connected by an amplifier, differentiating filter, low-pass filter, amplifier, analog-to-digital converter, the output of which о is connected to the first input of the signal processor, the second and third inputs of which are connected respectively to a crystal oscillator and a frequency divider, and one of the outputs is connected to a control voltage generating circuit that contains a digital-to-analog converter, an amplifier, and a low-pass filter, while the input of the frequency divider is connected with the output of a controlled probe signal generator. The inputs and outputs of the signal processor are connected to level indicators.
Известные способы измерения дальности и уровнемеры, реализующие известные способы, имеют, по меньшей мере, два недостатка. Низкую для ряда случаев точность измерения дальности и отсутствие возможности определения электрофизических параметров зондируемого материала, по которым можно было бы судить о его составе.Known methods for measuring ranges and level gauges that implement the known methods have at least two disadvantages. The accuracy of range measurement, low for a number of cases, and the inability to determine the electrophysical parameters of the probed material, by which it could be judged on its composition.
Указанные недостатки во многом обусловлены отражениями сигнала в антенно-фидерном тракте, их непостоянством и изменением электрической длины антенно-фидерного тракта. Непостоянство коэффициентов отражения от антенны и изменение электрической длины антенно-фидерного тракта, в свою очередь, обусловлены налипанием различных осадков на элементы конструкции антенны, изменением температуры среды и другими внешними факторами.These shortcomings are largely due to signal reflections in the antenna-feeder path, their inconstancy and a change in the electrical length of the antenna-feeder path. The inconstancy of the reflection coefficients from the antenna and the change in the electric length of the antenna-feeder path, in turn, are due to the buildup of various precipitation on the antenna design elements, a change in the temperature of the medium, and other external factors.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня и расширение функциональных возможностей за счет измерения электрофизических параметров зондируемого материала, по которым можно судить о его составе.The purpose of the invention is to reduce the error of level measurement and expand the functionality by measuring the electrophysical parameters of the probed material, which can be used to judge its composition.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояния от излучателя до поверхности зондируемого материала и его электрофизических параметров, включающем формирование зондирующего радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией, излучение сформированного сигнала в направлении зондируемого материала, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью излученного сигнала, выделение низкочастотных составляющих результирующего сигнала и выделение из них информационной составляющей, соответствующей дальности до зондируемого материала, вычисление спектра информационной составляющей и его центральной частоты, вычисление времени распространения радиочастотного сигнала до поверхности зондируемого материала и обратно и вычисление расстояния по известным скорости и времени распространения радиоволн, из низкочастотных составляющих результирующего сигнала дополнительно выделяют нулевые составляющие, обусловленные паразитным прохождением зондирующего сигнала в приемный тракт, отражением от неоднородностей антенно-фидерного тракта и слоя осадков на антенне, вычисляют спектр нулевых составляющих и вычисляют меру его отличия от эталонного. Если мера отличия спектров превышает контрольный уровень, определяют вызванные осадками на антенне дополнительную задержку радиоволн при распространении в антенне и погрешность измерения расстояния, обусловленную дополнительным искажением спектра информационной составляющей и учитывают эти величины при коррекции результатов расчета расстояния. Дополнительную задержку радиоволн при распространении в антенне, вызванную осадками на антенне, вычисляют по выделенным нулевым составляющим с помощью дополнительных измерений модуля и фазы нулевой составляющей на центральных частотах, по крайней мере, двух поддиапазонов перестройки частоты. Границы поддиапазонов перестройки частоты определены заранее.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the distance from the emitter to the surface of the probed material and its electrophysical parameters, including generating a probing radio frequency signal with periodic frequency modulation, emitting a generated signal in the direction of the probed material, receiving after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part radiated signal, the allocation of low-frequency components of the resulting signal and the allocation of information content from them which complies with the range of the probed material, calculating the spectrum of the information component and its center frequency, calculating the propagation time of the radio frequency signal to the surface of the probed material and vice versa, and calculating the distance from the known velocity and propagation time of the radio waves, additionally zero components are determined from the low-frequency components of the resulting signal parasitic passage of the probe signal into the receiving path, reflection from inhomogeneities th antenna feedlines and precipitation layer on the antenna, calculating a range of zero components and calculating the measure of its difference from the reference. If the measure of difference in the spectra exceeds the control level, the additional delay of radio waves caused by precipitation on the antenna during propagation in the antenna and the measurement error of the distance caused by the additional distortion of the spectrum of the information component are determined and these values are taken into account when correcting the distance calculation results. The additional delay of radio waves during propagation in the antenna caused by precipitation on the antenna is calculated from the extracted zero components using additional measurements of the module and the phase of the zero component at the center frequencies of at least two frequency tuning subbands. The boundaries of the frequency tuning subbands are predetermined.
Эталонные спектры вычисляют и записывают при калибровке измерителя расстояния по выделенным нулевой и информационной составляющим. Запись указанных спектров выполняют в условиях отсутствия мешающих отражений при расстоянии от антенны до поверхности материала, обеспечивающем отсутствие взаимодействия спектров выделенных информационной и нулевой составляющих.Reference spectra are calculated and recorded during the calibration of the distance meter according to the selected zero and information components. Recording of these spectra is performed in the absence of interfering reflections at a distance from the antenna to the surface of the material, ensuring the absence of interaction of the spectra of the selected information and zero components.
В первом варианте способа измерения расстояния и электрофизических параметров материала погрешность измерения расстояния, обусловленную искажением спектра информационной составляющей, учитывают путем вычисления величины асимметрии спектра информационной составляющей и сопоставления вычисленной величины асимметрии с расчетной для различных коэффициентов отражения от антенно-фидерного тракта и различных коэффициентов отражения от зондируемого материала. Эти вычисления производят в полном диапазоне перестройки частоты и в диапазоне перестройки, составляющем часть полного. Результат вычисления расстояния корректируют с учетом дополнительной задержки радиоволн, вызванной осадками на антенне.In the first version of the method for measuring the distance and the electrophysical parameters of the material, the error in measuring the distance due to the distortion of the spectrum of the information component is taken into account by calculating the asymmetry of the spectrum of the information component and comparing the calculated value of the asymmetry with the calculated for different reflection coefficients from the antenna-feeder path and various reflection coefficients from the probed material. These calculations are performed in the full frequency tuning range and in the tuning range, which is part of the full. The result of the calculation of the distance is adjusted taking into account the additional delay of the radio waves caused by precipitation on the antenna.
Во втором варианте способа измерения расстояния и электрофизических параметров материала погрешность измерения расстояния, обусловленную искажением спектра информационной составляющей, учитывают путем формирования неискаженной низкочастотной составляющей с задержкой, соответствующей центральной частоте спектра выделенной информационной составляющей. Используя эту составляющую, вычисляют сумму спектров, первое слагаемое которой образовано спектром неискаженной составляющей, а второе слагаемое образовано спектром сигнала с амплитудой, равной произведению корректирующего коэффициента на амплитуду измеренной нулевой составляющей и на амплитуду сформированной неискаженной составляющей, фазой, равной нулю, и задержкой, соответствующей разности задержек указанной неискаженной низкочастотной составляющей и нулевой составляющей. Далее сравнивают полученную сумму со спектром выделенной информационной составляющей и изменяют амплитуду, задержку и фазу сформированной неискаженной составляющей до наилучшего совпадения со спектром выделенной информационной составляющей. За частоту спектра сигнала, соответствующую дальности до зондируемого материала, и его фазу принимают центральную частоту и фазу сформированной неискаженной низкочастотной составляющей сигнала при наилучшем совпадении спектров информационной составляющей и сформированной суммы. При этом на величину дополнительной задержки в слое осадков на антенне корректируют расстояние и фазу коэффициента отражения от зондируемого материала, вычисленные по найденной центральной частоте и фазе сформированной неискаженной низкочастотной составляющей.In the second variant of the method for measuring the distance and the electrophysical parameters of the material, the error in measuring the distance due to the distortion of the spectrum of the information component is taken into account by forming an undistorted low-frequency component with a delay corresponding to the center frequency of the spectrum of the extracted information component. Using this component, the sum of the spectra is calculated, the first term of which is formed by the spectrum of the undistorted component, and the second term is formed by the spectrum of the signal with an amplitude equal to the product of the correction coefficient and the amplitude of the measured zero component and the amplitude of the formed undistorted component, phase equal to zero, and the delay corresponding to the delay difference of the specified undistorted low-frequency component and the zero component. Next, the resulting amount is compared with the spectrum of the extracted information component and the amplitude, delay and phase of the generated undistorted component are changed to best match the spectrum of the extracted information component. The center frequency and phase of the generated undistorted low-frequency component of the signal are taken as the frequency of the signal spectrum corresponding to the range to the probed material and its phase with the best coincidence of the spectra of the information component and the generated sum. In this case, the distance and phase of the reflection coefficient from the probed material calculated by the found center frequency and the phase of the undistorted low-frequency component are adjusted for the amount of additional delay in the precipitation layer on the antenna.
Поставленная цель достигается также тем, что в устройство, содержащее: антенну; управляемый источник зондирующего сигнала (УИЗС), управляющий вход которого соединен с первым выходом процессора, а выход соединен с последовательно соединенными делителем мощности (ДМ) и направленным ответвителем (НО); смеситель (См), входы которого соединены соответственно со вторым выходом ДМ и со вторым выходом НО, и последовательно соединенные схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с входом процессора, дополнительно введены два управляемых фильтра (УФ), каждый из которых имеет два входа и один выход, и схема управления с одним входом и двумя выходами. Первый вход первого УФ соединен с выходом смесителя. Выход первого УФ соединен с первым входом второго УФ, выход которого соединен со входом СПАО. Вторые входы первого и второго УФ соединены с соответствующими выходами схемы управления, вход которой соединен со вторым выходом процессора. При этом первый УФ выполнен в виде дифференцирующего УФ, второй УФ выполнен в виде управляемого фильтра нижних частот (ФНЧ), а схема управления выполнена в виде управляемого коммутатора. Третий выход процессора является информационным выходом устройства.This goal is also achieved by the fact that in a device containing: an antenna; a controlled sounding signal source (UISS), the control input of which is connected to the first output of the processor, and the output is connected to a series-connected power divider (DM) and a directional coupler (BUT); a mixer (Cm), the inputs of which are connected respectively to the second output of the DM and to the second output of the BUT, and are connected in series to the preliminary analog processing circuit (SAA) and the analog-to-digital converter (ADC), the output of which is connected to the input of the processor, two additional controlled filters are introduced (UV), each of which has two inputs and one output, and a control circuit with one input and two outputs. The first input of the first UV is connected to the output of the mixer. The output of the first UV is connected to the first input of the second UV, the output of which is connected to the input of the SPAO. The second inputs of the first and second UV are connected to the corresponding outputs of the control circuit, the input of which is connected to the second output of the processor. In this case, the first UV is made in the form of a differentiating UV, the second UV is made in the form of a controlled low-pass filter (LPF), and the control circuit is made in the form of a controlled switch. The third processor output is the information output of the device.
Заявляемый способ измерения расстояния и электрофизических параметров зондируемого материала и устройство для его осуществления обладают совокупностью признаков, не известных из уровня техники для способов и устройств подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".The inventive method of measuring the distance and electrophysical parameters of the sensed material and the device for its implementation have a combination of features not known from the prior art for methods and devices for this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty".
Для анализа изобретательского уровня необходимо учесть следующее.To analyze the inventive step, the following should be considered.
Известен способ измерения электрофизических параметров среды средствами радиолокации, основанный на измерении и анализе частотной зависимости коэффициента отражения радиоволн [9]. В указанном способе фаза коэффициента отражения от материала измеряется на каждой излучаемой частоте из дискретного ряда частот, а учет зависимости фазы от расстояния до поверхности материала и исключение неоднозначности отсчета решается путем использования дополнительного радиолокационного канала, несущая частота которого превышает частоту измерительного канала на несколько порядков. Дополнительный канал обеспечивает формирование опорного сигнала, фаза которого определяется только дальностью до границы материала. Сигнал опорного канала модулируется гармоническим колебанием, начальная фаза и частота которого совпадают с начальной фазой и частотой сигнала измерительного канала. Демодулированный сигнал опорного радиолокационного канала выполняет роль опорного сигнала, относительно фазы которого оценивается изменение фазы сигнала измерительного канала. При этом не учитываются изменения фазы принятого сигнала при изменении параметров антенны. Следовательно, в известном способе необходимо обеспечить стабильность параметров антенно-фидерного тракта.A known method of measuring the electrophysical parameters of the medium by means of radar, based on the measurement and analysis of the frequency dependence of the reflection coefficient of radio waves [9]. In this method, the phase of the reflection coefficient from the material is measured at each emitted frequency from a discrete series of frequencies, and taking into account the dependence of the phase on the distance to the surface of the material and eliminating the ambiguity of reference is solved by using an additional radar channel, the carrier frequency of which exceeds the frequency of the measuring channel by several orders of magnitude. An additional channel provides the formation of a reference signal, the phase of which is determined only by the distance to the material boundary. The signal of the reference channel is modulated by harmonic oscillation, the initial phase and frequency of which coincide with the initial phase and frequency of the signal of the measuring channel. The demodulated signal of the reference radar channel acts as a reference signal, relative to the phase of which the phase change of the signal of the measuring channel is estimated. This does not take into account changes in the phase of the received signal when changing the parameters of the antenna. Therefore, in the known method, it is necessary to ensure the stability of the parameters of the antenna-feeder path.
В заявленном способе измерение дальности и коэффициента отражения производят на одинаковых частотах. Используется связь между фазой частотно-модулированного зондирующего сигнала, фазой коэффициента отражения и фазой сигнала разностной частоты и учитываются влияние параметров антенны и их изменения на измерение расстояния до зондируемого материала и фазы коэффициента отражения. Измерение необходимых параметров производят в одном варианте способа путем измерения центральной частоты информационной составляющей спектра сигнала разностной частоты, измерения величины искажений спектра информационной составляющей и сравнение с величиной искажений спектра, для которых известны градуировочные зависимости величин поправок центральной частоты и фазы. В другом варианте способа измерения производят сравнение спектра информационной составляющей со спектром эталонного сигнала, для которого известны центральная частота и фаза.In the claimed method, the measurement of range and reflection coefficient is carried out at the same frequencies. The connection between the phase of the frequency-modulated probe signal, the phase of the reflection coefficient and the phase of the signal of the differential frequency is used, and the influence of the antenna parameters and their changes on measuring the distance to the probed material and the phase of the reflection coefficient are taken into account. The necessary parameters are measured in one variant of the method by measuring the central frequency of the information component of the spectrum of the differential frequency signal, measuring the distortion of the spectrum of the information component and comparing it with the amount of spectrum distortion, for which calibration dependences of the values of the center frequency and phase corrections are known. In another embodiment of the measurement method, the spectrum of the information component is compared with the spectrum of the reference signal, for which the center frequency and phase are known.
Таким образом, в отличие от известного способа исключен дополнительный опорный радиолокационный канал и введено сравнение с эталонными величинами.Thus, in contrast to the known method, an additional reference radar channel is excluded and a comparison with reference values is introduced.
Для исключения неоднозначности измерений, которые могут быть кратны половине длины волны, введено измерение, по меньшей мере, на двух частичных поддиапазонах перестройки частоты и на полном диапазоне перестройки.To eliminate the ambiguity of measurements, which can be a multiple of half the wavelength, a measurement has been introduced on at least two partial sub-bands of the frequency tuning and on the full tuning range.
Известен также способ и устройство измерения уровня жидкости [4]. Способ включает генерирование зондирующего сигнала с периодически изменяющейся частотой и смешивание зондирующего сигнала с эхо-сигналом, получение на выходе смесителя сигнала разностной частоты, фильтрацию сигнала разностной частоты полосовым фильтром для подавления частот ниже нижней граничной частоты и выше верхней частоты, микропроцессорное управление нижней граничной частотой так, что минимизировано подавление сигнала, частота которого соответствует дальности до зондируемого материала (информационная составляющая), и подавляются сигналы, частоты которых ниже частоты информационной составляющей.There is also a known method and device for measuring liquid level [4]. The method includes generating a probe signal with a periodically changing frequency and mixing the probe signal with an echo signal, receiving a difference frequency signal at the output of the mixer, filtering the difference frequency signal with a band-pass filter to suppress frequencies below the lower cut-off frequency and above the upper frequency, microprocessor control of the lower cut-off frequency so that the signal suppression is minimized, the frequency of which corresponds to the range to the probed material (information component), and the suppression Signals are generated whose frequencies are lower than the frequency of the information component.
Этот способ реализован устройством, содержащим: генератор, управляемый напряжением (ГУН) с управляющим входом и сигнальным выходом; делитель мощности (ДМ) с одним входом и двумя выходами; смеситель; управляемый фильтр верхних частот (ФВЧ) с одним выходом и двумя входами; фильтр нижних частот (ФНЧ); регулируемый усилитель с одним выходом и двумя входами; аналого-цифровой преобразователь (АЦП); микропроцессор с тремя выходами и одним входом; генератор пилообразного напряжения. При этом сигнальный выход ГУН соединен с входом ДМ, два выхода которого соединены соответственно с входами антенны и смесителя, а выход смесителя соединен с первым входом ФВЧ, второй вход которого соединен с первым выходом микропроцессора, а выход соединен со входом ФНЧ. Выход ФНЧ соединен с первым входом регулируемого усилителя, второй вход которого соединен со вторым выходом микропроцессора, а выход соединен с входом АЦП. Выход АЦП соединен с входом микропроцессора. Третий выход микропроцессора соединен с входом генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ГУН.This method is implemented by a device comprising: a voltage controlled oscillator (VCO) with a control input and signal output; power divider (DM) with one input and two outputs; mixer; controlled high-pass filter (HPF) with one output and two inputs; low pass filter (low-pass filter); adjustable amplifier with one output and two inputs; analog-to-digital converter (ADC); microprocessor with three outputs and one input; sawtooth voltage generator. The signal output of the VCO is connected to the input of the DM, the two outputs of which are connected respectively to the inputs of the antenna and the mixer, and the output of the mixer is connected to the first input of the HPF, the second input of which is connected to the first output of the microprocessor, and the output is connected to the input of the LPF. The output of the low-pass filter is connected to the first input of the adjustable amplifier, the second input of which is connected to the second output of the microprocessor, and the output is connected to the input of the ADC. The ADC output is connected to the microprocessor input. The third output of the microprocessor is connected to the input of a sawtooth generator, the output of which is connected to the control input of the VCO.
Таким образом, в известном способе после получения сигнала разностной частоты, т.е. на низкой частоте, отфильтровываются (подавляются) нулевые составляющие, обусловленные паразитным прохождением зондирующего сигнала в приемный тракт, отражением от неоднородностей антенно-фидерного тракта и слоя осадков на антенне. При этом никак не учитывается, что из-за взаимодействия в смесителе высокочастотных сигналов, отраженных от антенны и от зондируемого материала, в сигнале разностной частоты появляются дополнительные низкочастотные спектральные составляющие, которые соответствуют расстояниям между неоднородностями в антенно-фидерном тракте и зондируемым материалом. Эти составляющие проявляются в виде "виртуальных" отражателей, расположенных рядом с зондируемым материалом и их нельзя подавить отфильтровыванием (подавлением) нулевых составляющих сигнала разностной частоты (как предложено в указанном патенте). Указанные спектральные составляющие ("виртуальные" отражатели) приводят к появлению погрешности измерения расстояния. В соответствии с известным способом в устройстве для измерения уровня после смесителя включен управляемый фильтр верхних частот, который постоянно подавляет нулевые составляющие и регулируется таким образом, что при изменении измеряемого уровня фильтр подавляет спектральные составляющие от отражателей, расстояние до которых меньше, чем расстояние до зондируемого материала. Однако, как было уже указано, любой фильтр не может подавить спектральные составляющие "виртуальных" отражателей.Thus, in the known method, after receiving the difference frequency signal, i.e. at a low frequency, zero components are filtered out (suppressed), due to the parasitic passage of the probe signal into the receiving path, reflection from the inhomogeneities of the antenna-feeder path and the precipitation layer on the antenna. At the same time, it does not take into account that due to the interaction in the mixer of high-frequency signals reflected from the antenna and from the probed material, additional low-frequency spectral components appear in the difference-frequency signal, which correspond to the distances between the inhomogeneities in the antenna-feeder path and the probed material. These components appear in the form of "virtual" reflectors located next to the probed material and cannot be suppressed by filtering (suppressing) the zero components of the difference frequency signal (as proposed in the said patent). The indicated spectral components ("virtual" reflectors) lead to the appearance of an error in the measurement of distance. In accordance with the known method, a controlled high-pass filter is included in the level measuring device after the mixer, which constantly suppresses zero components and is adjusted so that when the measured level changes, the filter suppresses spectral components from reflectors, the distance to which is less than the distance to the probed material . However, as already indicated, any filter cannot suppress the spectral components of "virtual" reflectors.
В заявленном способе нулевые составляющие выделяются дополнительно и используются для коррекции результатов измерения расстояния и анализа электродинамических параметров зондируемого материала. В соответствии с этим на выходе смесителя устройства включены управляемые фильтры, которые не подавляют нулевые составляющие, как в известном устройстве, а периодически выделяют нулевые составляющие или смесь информационной составляющей с "виртуальной" составляющей. Таким образом, устройство отличается наличием дополнительных элементов (управляемого фильтра и устройства управления) и параметрами элемента (фильтра), соединенного с выходом смесителя, что также является признаком устройства.In the inventive method, zero components are additionally extracted and used to correct the results of distance measurement and analysis of the electrodynamic parameters of the probed material. In accordance with this, controlled filters are included at the output of the device mixer, which do not suppress the zero components, as in the known device, but periodically select zero components or a mixture of the information component with the “virtual” component. Thus, the device is characterized by the presence of additional elements (controlled filter and control device) and the parameters of the element (filter) connected to the output of the mixer, which is also a sign of the device.
Эти отличия приводят к появлению качественно новых свойств заявленных способа и устройства - возможности измерения величин погрешностей, которые возникают из-за "виртуальных" отражателей перед зондируемым материалом, и коррекции результатов измерения на величину погрешности измерений. Эти новые свойства позволяют тем самым повысить точность измерений и, кроме того, позволяют осуществить измерение электродинамических параметров зондируемого материала.These differences lead to the appearance of qualitatively new properties of the claimed method and device - the ability to measure the magnitude of the errors that arise due to "virtual" reflectors in front of the probed material, and to correct the measurement results by the value of the measurement error. These new properties thereby increase the accuracy of measurements and, in addition, allow the measurement of the electrodynamic parameters of the probed material.
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".
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, изображенных на фиг.1-6.The invention is illustrated using the drawings shown in figures 1-6.
На фиг.1 показана антенна с диэлектрической крышкой и налипшими осадками.1 shows an antenna with a dielectric cap and adhering deposits.
На фиг.2 изображены градуировочные кривые для определения фазы коэффициента отражения от материала.Figure 2 shows the calibration curves for determining the phase of the coefficient of reflection from the material.
На фиг.3 изображены градуировочные кривые для определения величины поправки центральной частоты спектра информационной составляющей.Figure 3 shows the calibration curves for determining the correction value of the center frequency of the spectrum of the information component.
На фиг.4 изображена структурная схема устройства для измерения расстояния и электрофизических параметров зондируемого материала.Figure 4 shows a structural diagram of a device for measuring the distance and electrophysical parameters of the probed material.
На фиг.5 изображен первый вариант управляемого источника зондирующего сигнала.Figure 5 shows the first variant of a controlled source of the probing signal.
На фиг.6 изображен второй вариант управляемого источника зондирующего сигнала.Figure 6 shows a second variant of the controlled source of the probing signal.
Способ измерения расстояния и электрофизических параметров зондируемого материала осуществляют следующим образом.The method of measuring the distance and electrophysical parameters of the probed material is as follows.
После излучения сформированного зондирующего радиочастотного сигнала с периодической линейной частотной модуляцией (или с дискретной перестройкой частоты по линейному закону) осуществляют спустя время распространения прием сигнала uм, отраженного зондируемым материалом, и сигнала uа, отраженного неоднородностями в антенно-фидерном тракте. Затем смешивают их с частью излучаемого сигнала uг на смесительном элементе, вольт-амперная характеристика которого содержит множество составляющих, в том числе квадратичную составляющую iсм=Au
Для частотной модуляции ω (t)=ω 0+ω мод(t) с несущей частотой ω 0 и переменной частью ω мод(t) низкочастотные составляющие выражения (1) при условии, что время распространения зондирующего сигнала до материала и обратно τ м много меньше периода модуляции Тмод, имеют вид:For frequency modulation, ω (t) = ω 0 + ω modes (t) with a carrier frequency ω 0 and a variable part ω modes (t), the low-frequency components of expression (1) provided that the propagation time of the probe signal to the material and vice versa is τ m less than the modulation period T mod , have the form:
где Uг - амплитуда напряжения гетеродина;where U g is the amplitude of the local oscillator voltage;
Uм - амплитуда напряжения сигнала, отраженного зондируемым материалом;U m is the voltage amplitude of the signal reflected by the probed material;
φ м - фаза волны, отраженной от материала;φ m is the phase of the wave reflected from the material;
Ua - амплитуда напряжения сигнала, отраженного от антенны;U a is the voltage amplitude of the signal reflected from the antenna;
τ a - время распространения зондирующего сигнала до неоднородности в антенне и обратно (до диэлектрической крышки и обратно)τ a is the propagation time of the probe signal to the inhomogeneity in the antenna and back (to the dielectric cover and back)
φ a - фаза волны, отраженной от неоднородности в антенне.φ a is the phase of the wave reflected from the inhomogeneity in the antenna.
Низкочастотная составляющая uгм несет информацию о расстоянии до зондируемого материала и о фазе коэффициента отражения от зондируемого материала. Низкочастотные составляющие uгм и uам обычно невозможно разделить, т.к. τ а обычно меньше разрешающей способности дальномера. Эти составляющие выделяются в виде неразделяемой суммы (uгм+uам). При этом низкочастотная составляющая uам является "паразитной", соответствующей появлению "виртуальных" отражателей, расположенных рядом с зондируемым материалом, и искажающей информацию о расстоянии до зондируемого материала и о фазе коэффициента отражения. Эти искажения проявляются, например, при спектральной обработке сигнала в искажении формы спектра результирующей составляющей (uгм+uам). При этом спектр результирующей составляющей становится несимметричным. Асимметрия спектра приводит к смещению центральной частоты на величину Δ ω и соответствующей погрешности вычисления расстояния на величину Δ R.The low-frequency component u gm carries information about the distance to the probed material and about the phase of the reflection coefficient from the probed material. The low-frequency components u um and u am are usually impossible to separate, because τ and usually less than the resolution of the range finder. These components are allocated in the form of an indivisible sum (u gm + u am ). In this case, the low-frequency component u am is “spurious,” corresponding to the appearance of “virtual” reflectors located next to the probed material, and distorting information about the distance to the probed material and about the phase of the reflection coefficient. These distortions are manifested, for example, in the spectral processing of a signal in the distortion of the spectrum shape of the resulting component (u gm + u am ). In this case, the spectrum of the resulting component becomes asymmetric. The asymmetry of the spectrum leads to a shift in the center frequency by Δω and the corresponding error in calculating the distance by Δ R.
При неизменном отражении от антенны Uа=const и φ a=const погрешность Δ R не зависит от расстояния и ее влияние можно исключить при калибровке измерителя расстояния. Однако при изменении температуры, налипании осадков на антенну и других внешних факторах меняются Ua и φ a, что приводит к появлению ошибки определения расстояния и невозможности определения фазы коэффициента отражения от материала.With constant reflection from the antenna, U a = const and φ a = const, the error Δ R is independent of the distance and its influence can be excluded when calibrating the distance meter. However, when the temperature changes, precipitation sticks to the antenna and other external factors, U a and φ a change, which leads to the appearance of an error in determining the distance and the inability to determine the phase of the reflection coefficient from the material.
Ошибка определения расстояния состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое появляется из-за указанной асимметрии спектра и непостоянства этой асимметрии. Второе слагаемое появляется из-за изменения электрической длины антенно-фидерного тракта за счет налипания осадков 1 на антенну 2, например на диэлектрическую крышку 3, как показано на фиг.1.The error in determining the distance consists of two terms. The first term appears due to the indicated asymmetry of the spectrum and the variability of this asymmetry. The second term appears due to a change in the electric length of the antenna-feeder path due to the buildup of
В обоих вариантах для компенсации влияния асимметрии спектра из-за паразитной составляющей uам из суммы постоянных и низкочастотных составляющих результирующего сигнала u выделяют постоянную составляющую составляющую uа, обусловленную отражением от антенны, измеряют ее амплитуду Uа и вычисляют отношение учитывая, что при Uм и Uа много меньше Uг. Затем вычисляют спектр нулевых составляющих Sa(ω j) на дискретных частотах ω j, применяя прямое дискретное преобразование Фурье к составляющей ua, находят его центральную частоту или эквивалентное ей τ a, фазу φ a и меру отличия спектра от эталонного Sэт(ω j). В качестве меры отличия спектров может использоваться любая математическая метрика, используемая для оценки различия двух функций. Например, Эвклидова метрика [12] ρ :In both cases, to compensate for the influence of spectrum asymmetry due to the parasitic component u am , a constant component is isolated from the sum of the constant and low-frequency components of the resulting signal u component u a , due to reflection from the antenna, measure its amplitude U a and calculate the ratio considering that when U m and U a are much less than U g . Then, the spectrum of zero components S a (ω j ) is calculated at discrete frequencies ω j , applying the direct discrete Fourier transform to the component u a , its center frequency or its equivalent τ a , phase φ a and the difference between the spectrum and the reference S et (ω j ). As a measure of the difference in spectra, any mathematical metric used to assess the difference between the two functions can be used. For example, the Euclidean metric [12] ρ:
где m - общее число дискретных частот в спектре.where m is the total number of discrete frequencies in the spectrum.
При превышении мерой отличия спектров контрольного уровня вычисляют величины возникших погрешностей.If the measure exceeds the differences in the spectra of the control level, the values of the errors that occur are calculated.
В первом варианте способа из суммы постоянных и низкочастотных составляющих результирующего сигнала выделяют также сумму составляющих (uгм+uам), вычисляют ее дискретный спектр его центральную частоту ω Σ и коэффициент асимметрии спектра β [10]:In the first variant of the method, from the sum of the constant and low-frequency components of the resulting signal, the sum of the components (u gm + u am ) is also extracted, its discrete spectrum is calculated its central frequency ω Σ and the spectrum asymmetry coefficient β [10]:
где - k-е центральные моменты спектра S(ω j).Where are the kth central moments of the spectrum S (ω j ).
По величине коэффициента асимметрии β вычисляют величину разности фаз (φ м-φ a)=(φ м-φ a)изм-(φ м-φ a)эт и величину поправки Δ ω =Δ ω изм-Δ ω эт, на которую отличается центральная частота спектра информационной составляющей uгм. Здесь (φ м-φ a)изм и Δ ω изм - значения разности фаз и смещения частоты, вычисленные по рассчитанному коэффициенту асимметрии; (φ м-φ a)эт и Δ ω эт - значения разности фаз и смещения частоты, вычисленные по эталонному спектру при калибровке. При этом величину разности фаз (φ м-φ a) определяют, используя набор градуировочных кривых в к оторых в функциональной зависимости отношение является параметром (фиг.2, кривые 4 и 5), а величину поправки Δ ω определяют, используя набор градуировочных кривых которые вычисляют для различных соотношений (фиг.3, кривые 6 и 7) и для различных значений разности фаз (φ м-φ a). Градуировочные кривые на фиг.3 приведены только для одного значения (φ м-φ a). Для исключения неоднозначности определения Δ ω изм вычисления величины асимметрии спектра выполняют в полном диапазоне перестройки частоты и в диапазоне перестройки, составляющем часть полного. В последнем случае (кривая 8 на фиг.3) одинаковым значениям Δ ω изм должны соответствовать меньшие значения коэффициента асимметрии: β изм,част<β изм,полн.The magnitude of the asymmetry coefficient β calculates the phase difference (φ m -φ a ) = (φ m -φ a ) ISM - (φ m -φ a ) et and the correction value Δ ω = Δ ω ism -Δ ω et , for which the central frequency of the spectrum of the information component u um differs. Here (φ m -φ a ) ISM and Δ ω ISM are the values of the phase difference and frequency displacement, calculated from the calculated asymmetry coefficient; (φ m -φ a ) et and Δ ω et are the phase difference and frequency offsets calculated from the reference spectrum during calibration. The magnitude of the phase difference (φ m -φ a ) is determined using a set of calibration curves in to in functional dependence the attitude is a parameter (figure 2, curves 4 and 5), and the correction value Δ ω is determined using a set of calibration curves which are calculated for various ratios (figure 3, curves 6 and 7) and for different values of the phase difference (φ m -φ a ). The calibration curves in figure 3 are shown for only one value (φ m -φ a ). To eliminate the ambiguity of determining Δω from the calculation of the asymmetry of the spectrum, they are performed in the full range of frequency tuning and in the tuning range, which is part of the full. In the latter case (
Уточненное значение частоты ω р сигнала разностной частоты для составляющей, соответствующей дальности R до зондируемого материала, определяют как сумму - ω р=ω ∑ +Δ ω , а по вычисленной частоте сигнала разностной частоты, известным диапазону перестройки частоты, периоду модуляции и скорости распространения радиоволн вычисляют уточненное расстояние.The adjusted value of the frequency ω p of the difference frequency signal for the component corresponding to the range R to the probed material is determined as the sum - ω p = ω ∑ + Δ ω, and from the calculated frequency of the difference frequency signal, known to the frequency tuning range, the modulation period and the propagation speed of radio waves calculate the specified distance.
Фазу коэффициента отражения от зондируемого материала определяют путем суммирования измеренного значения фазы φ а составляющей ua и определенной по градуировочным кривым разности фаз (φ м-φ a):The phase of the reflection coefficient from the probed material is determined by summing the measured phase value φ a of the component u a and the phase difference determined by the calibration curves (φ m -φ a ):
φ м=φ а+(φ м-φ а).φ m = φ a + (φ m -φ a ).
Во втором варианте осуществления способа из низкочастотных составляющих результирующего сигнала также выделяют сумму составляющих (uгм+uам), которая является информационной, но искаженной слагаемым uам, вычисляют спектр указанной суммы и его центральную частоту ω Σ .In the second embodiment of the method, the sum of the components (u gm + u am ), which is informational but distorted by the term u am , is also extracted from the low-frequency components of the resulting signal, and the spectrum of the indicated sum is calculated and its center frequency ω Σ.
Учитывая полученное значение амплитуды Uг, отношение амплитуд и задавая амплитуду неискаженной составляющей результирующего сигнала Uм, с помощью прямого преобразования Фурье вычисляют сумму спектров первое слагаемое которой образовано сформированной неискаженной низкочастотной составляющейGiven the obtained amplitude value U g , the ratio of amplitudes and setting the amplitude of the undistorted component of the resulting signal U m , using the direct Fourier transform calculate the sum of the spectra whose first term formed by the formed undistorted low-frequency component
с амплитудой, равной AUгUмф, фазой φ мф=0 и задержкой определяемой через центральную частоту ω ∑ спектра выделенной информационной составляющей (uгм+uам), период модуляции Тмод и диапазон перестройки частоты Δ ω мод, а второе слагаемое образовано спектром составляющей uамф, вычисленной по измеренным значениям τ а, φ а, Uа и заданным τ мф, φ мф и Uмф:with an amplitude equal to AU g U mf , phase φ mf = 0 and delay defined through the center frequency ω ∑ of the spectrum of the extracted information component (u gm + u am ), the modulation period T modes and the frequency tuning range Δ ω modes , and the second term is formed by the spectrum component u amph calculated from the measured values of τ a , φ a , U a and given τ mf , φ mf and U mf :
Амплитудный спектр сформированной суммы сравнивают с амплитудным спектром выделенной искаженной информационной составляющей изменяют величину τ мф, фазу φ мф и амплитуду Uмф до наилучшего совпадения этих спектров, т.е. до достижения минимума указанной ранее меры отличия ρ между ними. За центральную частоту спектра сигнала, соответствующую дальности до зондируемого материала, фазу этого сигнала φ м и амплитуду Uм принимают частоту, фазу и амплитуду слагаемого и uгмф при наилучшем совпадении спектра информационной составляющей и спектра сформированной суммы по которым определяют искомое расстояние, модуль и фазу коэффициента отражения.Amplitude spectrum of the generated sum compared with the amplitude spectrum of the selected distorted information component change the value of τ MF , phase φ MF and amplitude U mF to the best match of these spectra, i.e. until the minimum of the measure of ρ difference between them is reached. For the central frequency of the signal spectrum corresponding to the range to the probed material, the phase of this signal φ m and the amplitude U m take the frequency, phase and amplitude of the term and u GMP with the best coincidence of the spectrum of the information component and the spectrum of the generated amount which determine the desired distance, modulus and phase of the reflection coefficient.
Если длина антенно-фидерного тракта такова, что нулевая составляющая имеет более полутора периодов биений и амплитуда волны, отраженной от антенны, более чем в десять раз превышает амплитуды волн, отраженных другими элементами фидерного тракта, то без изменения сущности заявленного способа можно определять амплитудные значения напряжений uгм и uам следующим образом. По выделенной информационной составляющей измеряют ее максимальное (uгм+uам)max и минимальное (uгм+uам)min значения, которые соответственно равны сумме Uгм+Uам и разности Uгм-Uам амплитудных значений этих напряжений. Полусумма этих значений даст амплитуду слагаемого uгм, а полуразность - амплитуду слагаемого uам.If the length of the antenna-feeder path is such that the zero component has more than one and a half beat periods and the amplitude of the wave reflected from the antenna is more than ten times the amplitude of the waves reflected by other elements of the feeder path, then without changing the essence of the claimed method, it is possible to determine the amplitude values of voltages u um and u am as follows. Using the extracted information component, its maximum (u gm + u am ) max and minimum (u gm + u am ) min values are measured, which are respectively equal to the sum of U gm + U am and the difference U gm- U am of the amplitude values of these voltages. The half-sum of these values will give the amplitude of the term u um , and the half-difference will give the amplitude of the term u am .
В обоих вариантах осуществления способа измерения расстояния до поверхности зондируемого материала и его электрофизических параметров слагаемое погрешности Δ lэл из-за изменения электрической длины антенно-фидерного тракта за счет налипания слоя осадков dос с относительной диэлектрической проницаемостью ε 0 определяется одинаково.In both variants of the method for measuring the distance to the surface of the probed material and its electrophysical parameters, the error term Δ l el due to a change in the electric length of the antenna-feeder path due to the adherence of the precipitation layer d os with relative dielectric constant ε 0 is determined identically.
В случае размещения диэлектрической защитной крышки в апертуре антенны (фиг.1) это слагаемое будет:In the case of placing a dielectric protective cover in the aperture of the antenna (figure 1), this term will be:
В этом выражении doc и ε 0 в общем случае неизвестны.In this expression, d oc and ε 0 are generally unknown.
Коэффициент отражения V от крышки со слоем осадков можно записать в виде [11, с. 57]:The reflection coefficient V from the cover with a layer of precipitation can be written in the form [11, p. 57]:
где Where
- импеданс свободного пространства (воздуха); - impedance of free space (air);
- импеданс крышки; - impedance of the cap;
- импеданс газовой среды над зондируемым материалом; - impedance of the gaseous medium above the sensed material;
- импеданс осадков на крышке; - impedance of precipitation on the cover;
i - мнимая единица;i is the imaginary unit;
μ возд, ε возд - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости воздуха;μ air , ε air - respectively, the magnetic and dielectric constant of air;
μ кр, ε кр - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости материала крышки;μ cr , ε cr - respectively, the magnetic and dielectric constant of the cover material;
μ газ, ε газ - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости газовой среды над зондируемым материалом;μ gas , ε gas , respectively, the magnetic and dielectric permittivities of the gaseous medium above the probed material;
μ ос, ε ос - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости слоя осадков.μ OS , ε OS - respectively, the magnetic and dielectric constant of the sediment layer.
Уравнение (2) содержит две неизвестные величины ε ос и dос. Выделением модуля коэффициента отражения и его фазы φ V в этом выражении получают систему двух уравнений с двумя неизвестными, в которых должны быть известны измеренные значения модуля и фазы коэффициента отражения от крышки антенны, а также параметры крышки. В общем случае система двух уравнений решается графически или численно. Однако в частном случае, который обычно и используют на практике, решение записывается в явном виде.Equation (2) contains two unknown quantities ε OS and d OS . Isolation of the reflection coefficient module and its phases φ V in this expression, a system of two equations with two unknowns is obtained, in which the measured values of the modulus and phase of the reflection coefficient from the antenna cover, as well as the parameters of the cover, should be known. In the general case, the system of two equations is solved graphically or numerically. However, in the particular case, which is usually used in practice, the decision is written in explicit form.
Антенну обычно выполняют таким образом, чтобы в нормальных условиях она была согласована наилучшим образом. Такие результаты можно получить, если толщина крышки равна половине длины волны сигнала в материале крышки. При этом крышка не оказывает никакого воздействия на падающую волну [11, с. 48].The antenna is usually designed so that, under normal conditions, it is best aligned. Such results can be obtained if the cap thickness is equal to half the wavelength of the signal in the cap material. In this case, the lid has no effect on the incident wave [11, p. 48].
Очевидно, что герметизирующая вставка, размещенная в горловине рупора и согласованная наилучшим образом, также не оказывает никакого действия на падающую волну.It is obvious that the sealing insert located in the mouth of the horn and coordinated in the best way also does not have any effect on the incident wave.
Таким образом, коэффициент отражения от крышки со слоем осадков будет равен коэффициенту отражения от слоя осадков. Кроме того, обычно Zгаз≈ Zвозд. В таком случае выражение (2) приводится к видуThus, the reflection coefficient from the cover with the precipitation layer will be equal to the reflection coefficient from the precipitation layer. In addition, usually Z gas ≈ Z air . In this case, expression (2) is reduced to
Решение этого уравнения дает значения ε ос и dос:The solution of this equation gives the values of ε OS and d OS :
Величины φ V и V вычисляют по выделенным и измеренным значениям и :The values of φ V and V are calculated from the selected and measured values and :
используя соотношение , известное из конструктивных особенностей. Здесь using the ratio known for design features. Here
Постоянную разность фаз φ K между сигналами в канале гетеродина и в канале зондирующего сигнала учитывают при калибровке измерителя дальности, поэтому она не влияет на погрешность измерений.The constant phase difference φ K between the signals in the local oscillator channel and in the channel of the probing signal is taken into account when calibrating the range meter; therefore, it does not affect the measurement error.
Отсюда:From here:
С учетом погрешности измерений из-за изменения электрической длины антенно-фидерного тракта расстояние до зондируемого материала:Given the measurement error due to changes in the electrical length of the antenna-feeder path, the distance to the probed material:
Вычисление дополнительной задержки радиоволн при распространении в антенне, вызванной осадками на антенне по измерениям модуля и фазы низкочастотной составляющей разностного сигнала не менее чем на двух частотах диапазона перестройки частоты, позволяет исключить неоднозначность определения dос, кратную половине длины волны в материале осадков.The calculation of the additional delay of radio waves during propagation in the antenna caused by precipitation on the antenna from measurements of the module and phase of the low-frequency component of the difference signal at at least two frequencies of the frequency tuning range allows eliminating the ambiguity in determining d oc multiple of half the wavelength in the precipitation material.
Без изменения сущности способа возможно широко используемое в измерительной технике измерение модуля и фазы коэффициента отражения от антенны с выделением падающих и отраженных волн циркуляторами или направленными ответвителями.Without changing the essence of the method, it is possible to widely measure the modulus and phase of the reflection coefficient from the antenna widely used in measurement technology with highlighting incident and reflected waves circulators or directional couplers.
Также без изменения сущности способа возможно вычисление дополнительной задержки радиоволн при распространении в антенне с использованием экспериментально измеренных зависимостей от толщины и диэлектрической проницаемости слоя осадков модуля и фазы коэффициента отражения от герметизирующей крышки или вставки.Also, without changing the essence of the method, it is possible to calculate the additional delay of radio waves propagating in the antenna using the experimentally measured dependences on the thickness and dielectric constant of the sediment layer of the module and the phase of the reflection coefficient from the sealing cover or insert.
Дополнительное уменьшение погрешности измерений, которая обусловлена изменением параметров антенно-фидерного тракта, достигают проведением дополнительных измерений, например, в стендовых условиях при калибровке измерителя дальности. Сущность дополнительных измерений заключается в моделировании изменения параметров антенно-фидерного тракта и исключении влияния на погрешность измерения указанных изменений. Калибровка измерителя расстояния заключается в подборе и запоминании уточненных значений τ а и φ а при отражении сигнала от антенны с эталонным отражателем.An additional decrease in the measurement error, which is caused by a change in the parameters of the antenna-feeder path, is achieved by performing additional measurements, for example, in bench conditions during calibration of the range meter. The essence of additional measurements is to simulate changes in the parameters of the antenna-feeder path and eliminate the influence on the measurement error of these changes. Calibration of the distance meter consists in selecting and storing the specified values of τ a and φ a when the signal is reflected from the antenna with a reference reflector.
Устройство для измерения расстояния и анализа электрофизических параметров зондируемого материала (фиг.4) содержит антенну 9, управляемый источник зондирующего сигнала (УИЗС) 10, вход которого соединен с первым выходом процессора 11, а выход соединен с последовательно соединенными делителем мощности (ДМ) 12 и направленным ответвителем (НО) 13, первый выход которого соединен с антенной 9, смеситель (См) 14, входы которого соединены соответственно со вторым выходом ДМ 12 и со вторым выходом НО 13, а выход смесителя соединен с двумя последовательно соединенными управляемыми фильтрами (УФ1) 15 и (УФ2) 16, каждый из которых имеет два входа и один выход, причем выход УФ2 16 соединен со входом схемы предварительной аналоговой обработки (СПАО) 17, выход которой через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18 подсоединен ко входу процессора 11, второй выход процессора 11 соединен со входом схемы управления 19, первый и второй выходы которой соединены с управляющими входами соответствующих управляемых фильтров УФ1 15 и УФ2 16, причем первый УФ1 15 выполнен в виде дифференцирующего фильтра, второй УФ2 16 выполнен в виде фильтра нижних частот (ФНЧ), а схема управления 19 выполнена в виде коммутатора, управляющего фильтрами УФ1 15 и УФ2 16, третий выход процессора 11 является информационным выходом устройства.A device for measuring distance and analysis of the electrophysical parameters of the sensed material (Fig. 4) contains an antenna 9, a controlled source of a sounding signal (UISS) 10, the input of which is connected to the first output of the processor 11, and the output is connected to a series-connected power divider (DM) 12 and a directional coupler (HO) 13, the first output of which is connected to the antenna 9, a mixer (Cm) 14, the inputs of which are connected respectively to the second output of the DM 12 and the second output of the HO 13, and the output of the mixer is connected to two in series remote controlled filters (UV1) 15 and (UV2) 16, each of which has two inputs and one output, and the output of UV2 16 is connected to the input of the preliminary analog processing circuit (SPAO) 17, the output of which is through an analog-to-digital converter (ADC) 18 connected to the input of the processor 11, the second output of the processor 11 is connected to the input of the control circuit 19, the first and second outputs of which are connected to the control inputs of the respective controlled filters UV1 15 and UV2 16, the first UV1 15 made in the form of a differentiating filter, the second UV2 16 made in the form of a low-pass filter (LPF), and the control circuit 19 is made in the form of a switch that controls the filters UV1 15 and UV2 16, the third output of the processor 11 is the information output of the device.
Управляемый источник зондирующего сигнала может быть выполнен, например, в соответствии со схемами, представленными на фиг.5 и 6.A controlled source of the probing signal can be performed, for example, in accordance with the schemes presented in figure 5 and 6.
УИЗС, показанный на фиг.6, содержит: процессор 20, первый вход которого является входом УИЗС, первый выход соединен с последовательно включенными цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 21, усилителем 22, генератором, управляемым напряжением (ГУН) 23, НО 24, первый выход которого является выходом УИЗС, второй выход которого соединен с первым входом смесителя 25, второй вход которого соединен с опорньм генератором 26, фильтрующий усилитель 27, вход которого соединен с выходом смесителя 25, управляемый делитель частоты 28, первый вход которого соединен с выходом фильтрующего усилителя 27, второй вход соединен со вторым выходом процессора 20, а выход соединен с первым входом частотного детектора 29, второй вход которого соединен с выходом кварцевого генератора 30, а выход соединен со вторым входом процессора 20.The UIZS shown in Fig.6 contains: a
Эта схема работает в двух режимах. В первом режиме производится калибровка УИЗС, когда форма модулирующего напряжения подбирается таким образом, чтобы частота сформированного сигнала изменялась по ступенчатому линейному закону. Для этого процессор 20 при калибровке последовательно выдает на управляемый делитель 28 коды формируемой частоты и на ЦАП 21 - коды напряжения модуляции. Для каждого кода формируемой частоты в соответствии с кодом напряжения модуляции ЦАП 21 формирует модулирующее напряжение, которое через усилитель 22 воздействует на ГУН 23. Часть выходного сигнала с ГУН 23 через НО 24 поступает на смеситель 25, где преобразуется в промежуточную частоту с использованием сигнала опорного генератора 26. Сигнал промежуточной частоты через фильтрующий усилитель 27 и управляемый делитель частоты 28 поступает на частотный детектор 29, на второй вход которого поступает сигнал кварцевого генератора 30. Если частоты этих сигналов не совпадают, процессор 20 изменяет код напряжения модуляции до тех пор, пока не произойдет совпадение частот. Признаком этого события будет появление сигнала логической единицы на выходе частотного детектора 29 и, значит, на втором входе процессора 20. При этом процессор запоминает полученный код напряжения модуляции и повторяет всю процедуру для нового значения частоты формируемого сигнала. Калибровка заканчивается, когда данная процедура выполнена для всех частот заданного диапазона перестройки частоты. Во втором режиме работы УИЗС производится периодическое формирование кода модулирующего напряжения на первом выходе процессора 20 в соответствии с кодом частоты, поступающим на его первый вход.This circuit operates in two modes. In the first mode, the UISS is calibrated when the shape of the modulating voltage is selected so that the frequency of the generated signal changes according to a stepwise linear law. To do this, the
УИЗС, выполненный по схеме фиг.6, содержит: цифровой синтезатор отсчетов сигнала (DDS синтезатор) 31 (например, серийно выпускаемый фирмой Peregrine), первый вход которого является входом УИЗС, а второй вход которого соединен с выходом опорного кварцевого генератора 32, делитель частоты 33, вход которого соединен с выходом DDS синтезатора 31, фазовый детектор 34 с двумя входами, первый из которых соединен с выходом делителя частоты 33, а второй соединен с делителем частоты 35, интегратор 36, соединенный своим входом с выходом фазового детектора 34, а выходом - со входом ГУН 37, НО 38, соединенный своим входом с выходом ГУН 37, первым выходом - со входом умножителя частоты 39, выход которого является выходом УИЗС, а вторым выходом - со входом делителя частоты 35.UIZS, performed according to the scheme of Fig.6, contains: a digital signal sample synthesizer (DDS synthesizer) 31 (for example, commercially available from Peregrine), the first input of which is the UISS input, and the second input of which is connected to the output of the
Данная схема основана на стандартном синтезаторе частоты на основе контура ФАПЧ, включающем в себя фазовый детектор 34, интегратор 36, ГУН 37, НО 38 и делитель частоты 35. Управление частотой производится изменением частоты опорного сигнала, который поступает на вход фазового детектора 34 с DDS синтезатора 31 через делитель частоты 33. Код, управляющий синтезируемой частотой, поступает на вход DDS синтезатора 31, который формирует синусоидальный сигнал стабильной частоты на основе сигнала опорного кварцевого генератора 32. Выходной сигнал фазового детектора 34, пропорциональный разности фаз опорного сигнала и сигнала, поступившего с ГУН 37 через НО 38 и делитель частоты 35, управляет через интегратор 36 частотой ГУН 37 до наступления баланса фаз. Сигнал с ГУН 37 через направленный ответвитель 38 и умножитель частоты 39 поступает на выход УИЗС.This circuit is based on a standard frequency synthesizer based on a PLL loop, which includes a
УИЗС выполнены с использованием типовых элементов по типовым схемам. Однако в первой схеме, показанной на фиг.5, скорость перестройки частоты в рабочем режиме определяется только динамикой перестройки ГУН 23. Поэтому она в этой схеме может быть максимально возможной, что выгодно с точки зрения уменьшения влияния фазовых шумов ГУН 23. Однако эта схема требует проведения периодических калибровок с прерыванием процесса измерения. В УИЗС, выполненный по схеме фиг.6, скорость перестройки частоты определяется динамикой перестройки контура ФАПЧ, поэтому она ниже, но при этом не требуется производить прерывание процесса измерения.UIZS made using standard elements according to standard schemes. However, in the first scheme shown in Fig. 5, the frequency tuning speed in the operating mode is determined only by the dynamics of tuning of the VCO 23. Therefore, it can be as high as possible in this scheme, which is beneficial from the point of view of reducing the influence of phase noise of the VCO 23. However, this scheme requires periodic calibrations with interruption of the measurement process. In UIZS, made according to the scheme of Fig.6, the speed of the frequency tuning is determined by the dynamics of the tuning of the PLL, therefore it is lower, but it is not necessary to interrupt the measurement process.
Устройство для измерения расстояния и электрофизических параметров зондируемого материала работает следующим образом. На управляющий вход УИЗС 10 поступают коды управления частотой зондирующего сигнала. С выхода УИЗС 10 основная часть мощности сформированного зондирующего частотно-модулированного сигнала через последовательно соединенные ДМ 12, НО 13 и антенну 9 излучается в направлении зондируемого материала. Принятый антенной 9 эхо-сигнал через второй выход НО 13 поступает на первый вход смесителя 14, на второй вход которого поступает часть мощности зондирующего частотно-модулированного сигнала со второго выхода ДМ 12. Сигнал разностной частоты через последовательно соединенные УФ 15, СПАО 16, АЦП 17 поступает на вход процессора 11. УФ 15 при соответствующей команде процессора 11 периодически выделяет либо информационную составляющую результирующего сигнала, соответствующую дальности до зондируемого материала, либо нулевые составляющие, обусловленные "паразитным" прохождением зондирующего сигнала в приемный тракт, отражением от неоднородностей антенно-фидерного тракта и слоя осадков на антенне. Для нулевой составляющей процессор 11 с помощью дискретного преобразования Фурье вычисляет спектр, сравнивает его с эталонным спектром, записанным при калибровке устройства, и вычисляет меру отличия этих спектров. Если мера отличия ниже контрольного уровня, процессор вычисляет расстояние и коэффициент отражения по измеренным спектрам информационной и нулевых составляющих. При превышении мерой отличия контрольного уровня процессор производит вычисления в соответствии с описанным способом измерения. При этом процессор вырабатывает команды управления на УИЗС 10 и УФ1 15 и УФ2 16.A device for measuring the distance and electrophysical parameters of the sensed material works as follows. The
УИЗС может быть выполнено в виде усилителя с калиброванным коэффициентом усиления.UIZS can be made in the form of an amplifier with a calibrated gain.
Проведенное моделирование и испытания макетного образца измерителя расстояния показали, что предложенные способ (варианты) и устройство для его осуществления обеспечивают уменьшение погрешности измерения, которые обусловлены изменением параметров антенно-фидерного тракта больше чем в 4 раза и обеспечивают расширение функциональных возможностей за счет измерения коэффициента отражения от зондируемого материала.The simulation and testing of the prototype distance meter showed that the proposed method (options) and device for its implementation provide a reduction in measurement error due to a change in the parameters of the antenna-feeder path more than 4 times and provide enhanced functionality by measuring the reflection coefficient from probed material.
Источники информацииSources of information
1. А.С. СССР №1642250, МКИ G 01 F 23/28, опубл. 15.04.91 г., Б.И. №14.1. A.S. USSR No. 1642250, MKI G 01 F 23/28, publ. 04/15/91, B.I.
2. Патент США №4665403 от 12.05.87 г.2. US patent No. 4665403 from 05/12/87.
3. А.С. СССР №1700379, МКИ G 01 F 23/28, опубл. 23.12.91 г., Б.И №47.3. A.S. USSR No. 1700379, MKI G 01 F 23/28, publ. 12/23/91, B.I. No. 47.
4. Патент США №5365178 от 15.11.94 г.4. US Patent No. 5365178 of 11/15/94.
5. Патент США №5387918 от 7.02.95 г.5. US patent No. 5387918 from 02/07/95
6. Патент США №5504490 от 4.04.96 г.6. US patent No. 5504490 dated 04/04/96.
7. Патент США №5546088 от 13.08.96 г.7. US patent No. 5546088 from 08.13.96.
8. Патент США №6107957 от 22.08.2000 г.8. US patent No. 6107957 from 08/22/2000
9. Лобач В.Г. Радиолокационные измерения параметров слоистой среды. Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 2002 г., №3.9. Lobach V.G. Radar measurements of layered medium parameters. Izv. Universities. Radio Electronics, 2002, No. 3.
10. Атаянц Б.А., Паршин В.С Распознавание случайных сигналов по спектральным моментам. Изв. Вузов. Радиоэлектроника, 1983 г., №12.10. Atayants B. A., Parshin V. S. Recognition of random signals from spectral moments. Izv. Universities. Radio Electronics, 1983, No. 12.
11. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. Издательство Академии наук СССР, Москва. 1957 г.11. Brekhovskikh L.M. Waves in layered media. Publishing House of the USSR Academy of Sciences, Moscow. 1957
12. Горелик А.Л, Скрипкин В.А. Методы распознавания. Уч. пособие для ВУЗов.: М. Высш. Школа., 1977 г., 208 с.12. Gorelik A.L., Skripkin V.A. Recognition methods. Uch. manual for universities: M. Higher. School., 1977, 208 p.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003101694/09A RU2234688C1 (en) | 2003-01-23 | 2003-01-23 | Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003101694/09A RU2234688C1 (en) | 2003-01-23 | 2003-01-23 | Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003101694A RU2003101694A (en) | 2004-07-27 |
RU2234688C1 true RU2234688C1 (en) | 2004-08-20 |
Family
ID=33413826
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003101694/09A RU2234688C1 (en) | 2003-01-23 | 2003-01-23 | Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2234688C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451948C1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method of calibrating mobile shortwave direction finder with multielement antenna array |
RU2556866C1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-07-20 | Открытое акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (ОАО "ВНИИ "Вега") | Method of radio channel control in network of movable radio communication in specified service zone of subscriber radio stations group |
RU2611333C1 (en) * | 2015-10-12 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
RU2661488C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-17 | Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" | Method of the distance measurement |
-
2003
- 2003-01-23 RU RU2003101694/09A patent/RU2234688C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451948C1 (en) * | 2011-01-12 | 2012-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Method of calibrating mobile shortwave direction finder with multielement antenna array |
RU2556866C1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-07-20 | Открытое акционерное общество "Воронежский научно-исследовательский институт "Вега" (ОАО "ВНИИ "Вега") | Method of radio channel control in network of movable radio communication in specified service zone of subscriber radio stations group |
RU2611333C1 (en) * | 2015-10-12 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
RU2661488C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-07-17 | Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" | Method of the distance measurement |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8098193B2 (en) | Digitally controlled UWB millimeter wave radar | |
US5546088A (en) | High-precision radar range finder | |
US20110181458A1 (en) | Calibration of a radar unit with device-specific correction curves | |
CN109932338B (en) | Method and device for measuring complex refractive index of sample based on terahertz frequency band | |
US7813886B2 (en) | Calibration of frequency monitors having dual etalon signals in quadrature | |
EP0138940A1 (en) | Method and apparatus for measuring the distance to an object. | |
US5381694A (en) | Ice thickness measurement reflectometer | |
US20120169529A1 (en) | Method for Detecting a Distance, a Radar System and a Computer Program Product | |
US5172064A (en) | Calibration system for determining the accuracy of phase modulation and amplitude modulation noise measurement apparatus | |
RU2234688C1 (en) | Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device | |
RU2571301C2 (en) | Method to measure physical parameters of material | |
EA005504B1 (en) | Level-measuring device which functions with microwaves | |
RU2434242C1 (en) | Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
Golubiatnikov et al. | Precision sub-Doppler millimeter and submillimeter Lamb-dip spectrometer | |
Krupnov et al. | Commercial frequency synthesizer of 118 GHz-178 GHz range | |
RU2423723C1 (en) | Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
RU2504740C1 (en) | Method of measurement of fluid level in container | |
RU2431155C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves | |
Klapper et al. | Sub-Doppler measurements and terahertz rotational spectrum of 12C18O | |
RU2244268C2 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
RU2347235C2 (en) | Method of formation coherent frequency modulated signal for radar stations with periodic fm modulation and device for its realisation | |
RU2003101694A (en) | METHOD FOR MEASURING ELECTROPHYSICAL PARAMETERS OF THE SOUNDED MATERIAL AND DISTANCE TO IT (OPTIONS), DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION AND METHOD FOR CALIBRATING THIS DEVICE | |
JP3078305B2 (en) | Harmonic order determination method | |
Eggers | Ultrasonic resonator energy loss determination (chemical kinetics study) | |
Oya et al. | A new altimeter for Mars land shape observations utilizing the ionospheric sounder system onboard the Planet-B spacecraft |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050124 |