RU2693032C1 - Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом - Google Patents

Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом Download PDF

Info

Publication number
RU2693032C1
RU2693032C1 RU2018127034A RU2018127034A RU2693032C1 RU 2693032 C1 RU2693032 C1 RU 2693032C1 RU 2018127034 A RU2018127034 A RU 2018127034A RU 2018127034 A RU2018127034 A RU 2018127034A RU 2693032 C1 RU2693032 C1 RU 2693032C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
waveguide
calculated
virtual
Prior art date
Application number
RU2018127034A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Иванович Бакулин
Александр Анатольевич Смирнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2018127034A priority Critical patent/RU2693032C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2693032C1 publication Critical patent/RU2693032C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/32—Shaping echo pulse signals; Deriving non-pulse signals from echo pulse signals

Abstract

Изобретение относится к технике промышленных уровнемеров, реализующих излучение в волновод ЛЧМ сигнала, модулированного по симметричному треугольному закону, получение сигнала разностной частоты путем преобразования в смесителе отраженного и излученного сигналов. Путем обработки сигнала разностной частоты во временной области рассчитывается искомая дальность. Вводится в рассмотрение виртуальный сигнал, отличающийся от реального тем, что скорость его распространения равна νгр. По рассчитанной дальности для реального сигнала рассчитывается сигнал разностной частоты для виртуального сигнала и на его основе рассчитывается дальность во временной области. Виртуальный сигнал, как и реальный, свободен от волноводной дисперсии. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расчет дальности по виртуальному сигналу, что позволяет снизить девиацию частоты на сотни МГц, не увеличивая ошибку измерения. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области промышленных уровнемеров, использующих локационный принцип измерения расстояния до контролируемой среды на основе частотно-модулируемого по симметричному треугольному закону сигнала. По необходимости волноводный уровнемер работает только с жидкими средами.
Локационный принцип измерения расстояния основывается на однозначной связи между скоростью распространения сигнала и временем распространения до контролируемого объекта. При ЛЧМ сигнале эта связь преобразуется в разностную частоту между излученным и отраженным сигналами - сигнал разностной частоты (СРЧ). Если измерение происходит в свободном пространстве связь между измеряемым расстоянием R и разностной частотой линейна. В волноводном уровнемере из-за зависимости скорости распространения электромагнитной волны от частоты ƒ (волноводная дисперсия) эта зависимость нелинейна, что вызывает необходимость противодействовать дисперсии, чтобы уменьшить ошибку измерения [1]. С учетом поставленной задачи снижения девиации частоты излучаемого сигнала при сохранении точности измерения R, введем, наряду с физически реализуемым в волноводе сигналом, виртуальный сигнал, скорость распространения которого
Figure 00000001
где с - скорость света в вакууме, ƒкр - критическая частота волновода. В реальности такой сигнал существует только как математический объект.
Расчет расстояния R до контролируемой среды для реального сигнала производится в соответствии с [2]:
Figure 00000002
где n - число нулей СРЧ на полупериоде модуляции, ƒn, ƒ1 - частоты, соответствующие n-му и первому нулям СРЧ, ƒ0 - начальная несущая частота.
Соотношение (1) свободно от дисперсии, а изобретение [2] является прототипом.
Рассмотрим выражение, аналогичное (1), для виртуального сигнала.
Частота разностного сигнала определяется по формуле:
Figure 00000003
где ΔF - девиация частоты,
Figure 00000004
 - период модуляции, а
Figure 00000005
- время задержки виртуального сигнала.
Величина τЗВ определяется в (2) при известном значении R, которое может быть найдено только из реального (физически реализуемого) сигнала.
Фаза сигнала СРЧ
ϕ=ϕСРЧτЗВt, 0≤t≤
Figure 00000004
.
Обозначим через tj моменты времени, в которых СРЧ обращается в ноль, т.е.
Figure 00000006
Figure 00000007
где k - максимальное число нулей СРЧ виртуального сигнала, α - случайная фаза.
Ввиду линейности модуляционной характеристики (восходящая ветвь)
Figure 00000008
где ƒj - текущая частота.
С учетом (2) и (4) из (3) получаем
Figure 00000009
Последовательно полагая в (5) j=k, j=1 и вычитая полученные результаты, находим
Figure 00000010
где ƒВk, ƒВ1 - частоты, соответствующие k-му и первому нулям СРЧ виртуального сигнала.
Расчеты измеряемого расстояния R в соответствии с (1) и (6) проводились по следующим моделям СРЧ:
- для реального сигнала
Figure 00000011
где U0 - амплитуда, которая определяется приемным трактом измерителя, n(t) - аддитивный белый гауссовский шум;
- для виртуального сигнала
Figure 00000012
где U0B - амплитуда, не имеющая шумовой составляющей, β - произвольная фаза.
При расчете СРЧ в соответствии с (7), (8) принимались следующие дискретные значения параметров:
Figure 00000013
Figure 00000014
Расчеты проводились методом статистических испытаний при следующих параметрах зондирующего сигнала: число отсчетов СРЧ на интервале анализа
Figure 00000015
N=2000; 4000,
Figure 00000004
=16 мс, несущая частота ƒ0=7900 МГц, критическая частота ƒкр=7032 МГц, девиация частоты ΔF=300; 500; 800 МГц, случайные фазы варьировались в пределах [0÷π), усреднение в точках осуществлялось по 106 значениям.
Результаты расчетов представлены на Фиг. 1-Фиг. 4. На этих зависимостях по оси ординат откладываются относительные ошибки измерения расстояния
Figure 00000016
где
Figure 00000017
- измеренное расстояние, рассчитываемое по реальному сигналу, распространяющемуся со скоростью νф, и
Figure 00000018
где
Figure 00000019
- уточненная оценка измеряемого расстояния R, рассчитываемая на основе
Figure 00000020
по виртуальному сигналу, распространяющемуся со скоростью νгр.
Результаты расчетов при отсутствии шума (Фиг. 1 и Фиг. 2) свидетельствуют о меньшей ошибке при виртуальном сигнале (νгр), чем при реальном (νф) практически во всех точках расчета R для различных N.
При наличии шума (Фиг. 3 и Фиг. 4) наблюдается устойчивое преимущество виртуального сигнала (νгр) для рассмотренных отношений сигнал/шум в зависимости от ΔF для различных R.
Таким образом, предложенный способ может обеспечить уменьшение девиации частоты ΔF на величину (300÷500) МГц при сохранении требуемого уровня ошибки ER.
Предлагаемый способ уменьшения девиации частоты без изменения точности измерения расстояния до контролируемой среды не известен для способов и устройств, из чего следует соответствие его критерию «новизна».
Изобретательский уровень предлагаемого способа определяется преимуществами построения уровнемера по предлагаемой схеме - упрощается построение передающего и приемного трактов измерителя, а следовательно, их стоимость. Уменьшение девиации частоты также обеспечивает при сохранении требуемого уровня точности возможность более тщательно согласовать антенно-волноводный тракт, уменьшая мешающие отражения.
На основании сказанного можно утверждать, что заявляемый способ отвечает критерию «изобретательский уровень».
Возможная структурная схема реализации предполагаемого способа приведена на Фиг. 5. Обозначенные блоки выполняют следующие функции: 1 - волновод; 2 - циркулятор; 3 - приемо-передающий СВЧ модуль; 4 - цифровой синтезатор частот; 5 - задающий генератор; 6 - микропроцессор; 7 - блок аналоговой обработки СРЧ (усиление, фильтрация, ограничение); 8 - блок выходной.
Библиографические данные
1. Б.А. Атаянц, В.М. Давыдочкин, В.В. Езерский. Точность измерения уровня волноводным частотно-модулированным уровнемером. // Радиотехника. 2015. №5, С. 73-78.
2. Бакулин А.И., Смирнов А.А. Способ измерения расстояния до контролируемой среды с помощью волноводного ЛЧМ локатора. Заявка на ИЗ №2017123428. Получено решение о выдаче патента 27.03.2018 г.

Claims (5)

  1. Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера, включающий излучение в полый волновод ЛЧМ сигнала, модулированного по симметричному треугольному закону, реализуемому цифровым синтезатором частот, прием отраженного от среды сигнала, получение сигнала разностной частоты преобразованием в смесителе отраженного и излученного сигналов, измерение числа нулевых значений n сигнала разностной частоты на каждом полупериоде модуляции, расчет частот ƒl, ƒn, соответствующих первому и n-му нулям СРЧ, отличающийся тем, что на первом этапе измеряемое расстояние определяется по формуле
  2. Figure 00000021
  3. На втором этапе используется виртуальный сигнал, отличающийся от реального скоростью распространения, которая равна νгр, и по полученному из (1) значению R рассчитывается СРЧ для виртуального сигнала, по которому определяются k - число нулей СРЧ, ƒBk, ƒВ1 - частоты, соответствующие k-му и первому нулям СРЧ виртуального сигнала, по найденным параметрам определяется измеряемое расстояние по формуле
  4. Figure 00000022
  5. где в (1) и (2) ƒкр - критическая частота волновода; ƒ0 - несущая частота; с - скорость света в вакууме.
RU2018127034A 2018-07-23 2018-07-23 Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом RU2693032C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127034A RU2693032C1 (ru) 2018-07-23 2018-07-23 Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127034A RU2693032C1 (ru) 2018-07-23 2018-07-23 Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693032C1 true RU2693032C1 (ru) 2019-07-01

Family

ID=67252001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018127034A RU2693032C1 (ru) 2018-07-23 2018-07-23 Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693032C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1095090A1 (ru) * 1982-12-28 1984-05-30 Предприятие П/Я Г-4149 Устройство дл измерени скорости изменени и девиации частоты сигнала с линейной частотной модул цией
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
WO2008057022A1 (en) * 2006-11-06 2008-05-15 Rosemount Tank Radar Ab Pulsed radar level gauging with relative phase detection
RU2611333C1 (ru) * 2015-10-12 2017-02-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2658558C1 (ru) * 2017-07-03 2018-06-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ измерения расстояния до контролируемой среды с помощью волноводного лчм локатора

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1095090A1 (ru) * 1982-12-28 1984-05-30 Предприятие П/Я Г-4149 Устройство дл измерени скорости изменени и девиации частоты сигнала с линейной частотной модул цией
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
WO2008057022A1 (en) * 2006-11-06 2008-05-15 Rosemount Tank Radar Ab Pulsed radar level gauging with relative phase detection
RU2611333C1 (ru) * 2015-10-12 2017-02-21 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2658558C1 (ru) * 2017-07-03 2018-06-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ измерения расстояния до контролируемой среды с помощью волноводного лчм локатора

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Статья: "ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ЛЧМ СИГНАЛОВ МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ АДАПТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ", Ж. Радиоэлектроника номер 3, получена 28 февраля 2012 г. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3447534B1 (en) Laser ranging system and method employing time domain waveform matching technique
JP2008516213A (ja) 非理想的チャープ形状の決定による電気光学的距離測定方法
US4661817A (en) Method and apparatus for measuring the distance to an object
CN102348998B (zh) 距离测量
JP2008516213A5 (ru)
CN113238246A (zh) 基于脉冲序列的距离速度同时测量方法及装置及存储介质
JP4999592B2 (ja) レーダ装置
CN110174676B (zh) 激光雷达的测距方法、系统和设备
EP3961257A1 (en) Lidar device using time delayed local oscillator light and operating method thereof
RU2693032C1 (ru) Способ уменьшения девиации частоты волноводного уровнемера с лчм сигналом
Illig et al. Enhanced hybrid lidar-radar ranging technique
RU2504739C1 (ru) Устройство для определения уровня жидкости в емкости
RU2486540C1 (ru) Имитатор ложной радиолокационной цели при зондировании сигналами с линейной частотной модуляцией
KR20000036154A (ko) 이동하는 두 물체간의 상대 속도를 결정하는 방법
RU2658558C1 (ru) Способ измерения расстояния до контролируемой среды с помощью волноводного лчм локатора
RU2434242C1 (ru) Способ измерения расстояния и радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн
RU2654215C1 (ru) Способ измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией
RU2446407C1 (ru) Способ определения места повреждения линий электропередачи и связи и устройство для его осуществления
CN110726995B (zh) 激光雷达高精度测距方法及系统
RU2655746C1 (ru) Способ измерения уровня и радиодальномер с частотной модуляцией
RU2676469C1 (ru) Имитатор радиолокационной цели
RU2661488C1 (ru) Способ измерения расстояния
CN109444870A (zh) 一种测距方法、装置及其系统
US20240004043A1 (en) Frequency-modulated coherent lidar
KR20240067185A (ko) Fmcw 레이더 신호 확장을 통한 거리 분해능 향상 기법

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200724