RU2705930C1 - Microwave interferometer - Google Patents

Microwave interferometer Download PDF

Info

Publication number
RU2705930C1
RU2705930C1 RU2019111477A RU2019111477A RU2705930C1 RU 2705930 C1 RU2705930 C1 RU 2705930C1 RU 2019111477 A RU2019111477 A RU 2019111477A RU 2019111477 A RU2019111477 A RU 2019111477A RU 2705930 C1 RU2705930 C1 RU 2705930C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transmitting
receiving
antenna
units
input
Prior art date
Application number
RU2019111477A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Анатольевич Канаков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "АФС 52"
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 Общество с ограниченной ответственностью "АФС 52" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "АФС 52"
Priority to RU2019111477A priority Critical patent/RU2705930C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2705930C1 publication Critical patent/RU2705930C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to means of measuring movement using radio waves using a phase method. Microwave interferometer comprises two receiving-transmitting units, identical in structure, operating at different frequencies of probing radiation and each consisting of continuous harmonic oscillation generator connected to input of transmitting antenna operating on definite polarization, receiving antenna operating on orthogonal polarization and connected by its output to mixer input, heterodyne of which is a generator in the same receiving-transmitting unit and connected by its output to the input of an intermediate frequency amplifier, equal to the difference of frequencies of probing radiation of generators of continuous harmonic oscillations in said units, as well as a phase detector connected by its inputs to outputs of intermediate frequency amplifiers in said units and its output through an analogue-to-digital converter with the input of the microcontroller to form a discrete time dependence of movement of the reflecting surface of the monitored object. At that, both receiving-transmitting units are located on the same base fixed relative to each other, all antennae in the device are directed to the reflecting surface of the monitored object, and working polarization of transmitting antenna of one receiving-transmitting unit and receiving antenna of other receiving-transmitting unit are matched in pairs. Generators of continuous harmonic oscillations in the receiving-transmitting units can operate in SHF or EHF radiation range with frequency difference within HF or VHF range. Functions of analog-to-digital conversion, phase detection, generation and transmission of discrete time dependence of measured movement can be implemented in microcontroller. Microcontroller can be connected through a local network to the central processor of the monitoring system of controlled object movements.
EFFECT: high accuracy of measuring movement of a reflecting surface of a monitored object using a microwave interferometer based on unified receiving-transmitting units, due to elimination of interfering signals emitted by transmitters in each receiving-transmitting unit, reflected from moving object and received by receivers in the same receiving-transmitting unit.
4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области средств измерения перемещения с использованием радиоволн фазовым методом. Микроволновый интерферометр, установленный на неподвижном основании, может быть использован для непрерывных бесконтактных измерений перемещения любого объекта, отражающего микроволновое излучение интерферометра, относительно этого неподвижного основания. Например, может быть измерено перемещение материального тела, движущегося в радиопрозрачной среде, смещение элементов конструкции сооружения или механизма относительно точки размещения интерферометра, вызванное деформациями под внешними статическими или динамическими нагрузками, вибрациями или ударным воздействием, перемещение поверхности тела живого объекта, связанное с его дыханием и/или сердцебиением, перемещение отражающего микроволновое излучение фронта газодинамического процесса, развивающегося в радиопрозрачной среде, и т.п. Высокая точность, непрерывность и бесконтактный характер измерения перемещения определяют преимущества интерферометра по сравнению другими средствами измерения перемещения. Рекордные точности измерения линейных перемещений реализуются лазерными (оптическими) интерферометрами, например, [www.zygo.com, www.lavision.de, www.limess.com]. Однако, эти приборы весьма дороги, сложны в эксплуатации и настройке, чувствительны к воздействию внешних неблагоприятных факторов и, фактически, не пригодны для оперативного контроля и массового применения. Обеспечивая максимально достижимую в настоящее время точность измерения, лазерные (оптические) системы имеют ряд серьезных ограничений на применение в полевых и промышленных условиях эксплуатации. К таким ограничениям относятся измерения в оптически непрозрачных средах, за препятствием, в условиях повышенной задымлённости, запылённости, высокой турбулентности газовой среды, в присутствии гидрометеоров, при быстрой деградации оптических элементов в агрессивной среде, при загрязнении или при сильной вибрации, значительных температурных вариациях, изменении влажности воздуха. Альтернативой лазерным интерферометрам являются интерферометры микроволнового диапазона. Так как длина волны зондирующего излучения микроволновых интерферометров в тысячи раз больше длины волны зондирующего излучения оптических интерферометров, требования к условиям эксплуатации микроволновых систем соответственно в тысячи раз мягче, чем для аналогичных оптических систем.The invention relates to the field of displacement measuring instruments using radio waves by the phase method. A microwave interferometer mounted on a fixed base can be used for continuous non-contact measurements of the movement of any object that reflects the microwave radiation of the interferometer relative to this fixed base. For example, the displacement of a material body moving in a radio-transparent medium, the displacement of structural elements of a structure or mechanism relative to the location of the interferometer, caused by deformations under external static or dynamic loads, vibration or shock, can be measured, the displacement of the body surface of a living object associated with its breathing and can be measured / or heartbeat, movement of a microwave-reflecting front of a gas-dynamic process developing in a radio-transparent medium, and n. The high accuracy, continuity and non-contact nature of displacement measurements determine the advantages of the interferometer compared to other displacement measuring instruments. Record accuracy in measuring linear displacements is realized by laser (optical) interferometers, for example, [www.zygo.com, www.lavision.de, www.limess.com]. However, these devices are very expensive, difficult to operate and configure, sensitive to external adverse factors and, in fact, not suitable for operational control and mass application. Providing the currently most achievable measurement accuracy, laser (optical) systems have a number of serious limitations on field and industrial use. Such limitations include measurements in optically opaque media, behind an obstacle, in conditions of high smoke, dust, high turbulence of the gaseous medium, in the presence of hydrometeors, with rapid degradation of optical elements in an aggressive environment, with pollution or with strong vibration, significant temperature variations, changes humidity of air. An alternative to laser interferometers are microwave interferometers. Since the wavelength of the probing radiation of microwave interferometers is thousands of times greater than the wavelength of the probing radiation of optical interferometers, the requirements for the operating conditions of microwave systems are correspondingly thousands of times softer than for similar optical systems.

Микроволновый интерферометр может применяться как датчик перемещения для непрерывного и бесконтактного контроля состояния и правильного функционирования сложных сооружений, работающих механизмов, выполняющих ответственные функции операторов потенциально опасного оборудования с целью предупреждения аварийных ситуаций и техногенных катастроф.The microwave interferometer can be used as a displacement sensor for continuous and non-contact monitoring of the condition and proper functioning of complex structures, operating mechanisms that perform critical functions of operators of potentially dangerous equipment in order to prevent emergency situations and technological disasters.

В качестве аналогов заявляемого устройства можно привести устройство для дистанционного измерения перемещения и скорости фазовым методом, работающее в миллиметровом диапазоне длин волн и описанное в статье на англ. яз. Hongxing Zheng. «A displacement and velocity measurement technique using millimeter-wave sensor» - International journal of Infrared and millimeter waves. 2005. - V. 26. - № 9. P. 1277 – 1290, и приёмо-передающее устройство с диэлектрическим волноводным трактом для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн в соответствии с изобретением по патенту РФ2569936, G01S13/02, H01P1/02, 2015.As analogues of the claimed device, you can bring the device for remote measurement of displacement and speed by the phase method, operating in the millimeter wavelength range and described in the article in English. lang Hongxing Zheng. “A displacement and velocity measurement technique using millimeter-wave sensor” - International journal of Infrared and millimeter waves. 2005. - V. 26. - No. 9. P. 1277 - 1290, and a transceiver with a dielectric waveguide path for phase-measuring systems of the millimeter wavelength range in accordance with the invention according to the patent of the Russian Federation 2569936, G01S13 / 02, H01P1 / 02, 2015 .

Первый аналог состоит из генератора непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, двухканального приёмного устройства для измеряемого и опорного сигналов супергетеродинного типа с балансными смесителями и реализованными в виде цифрового устройства квадратурными фазовыми детекторами, рупорной приёмо-передающей антенны, волноводного тракта.The first analogue consists of a millimeter wave continuous-wave probe generator, a two-channel receiving device for the measured and reference superheterodyne type signals with balanced mixers and quadrature phase detectors implemented as a digital device, a horn transmit-receive antenna, and a waveguide path.

Второй аналог содержит генератор непрерывного зондирующего излучения, гетеродин, два смесителя, передающую и приёмную антенны и волноводный тракт.The second analogue contains a continuous probe radiation generator, a local oscillator, two mixers, a transmitting and receiving antenna, and a waveguide path.

Эти аналоги могут измерять перемещения объекта посредством сравнения фаз излучаемых устройством электромагнитных колебаний и принимаемых самим устройством электромагнитных колебаний, отражающихся от поверхности перемещаемого объекта. Однако, как будет показано ниже, конструкция микроволнового датчика перемещения может быть существенно упрощена за счет унификации элементов структурной схемы.These analogs can measure the movement of an object by comparing the phases of the electromagnetic waves emitted by the device and the electromagnetic waves received by the device itself, reflected from the surface of the moving object. However, as will be shown below, the design of the microwave displacement sensor can be significantly simplified by unifying the elements of the structural diagram.

Наиболее близким к заявляемому устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство для дистанционного измерения взаимных смещений элементов конструкции зданий и сооружений (Патент РФ2621473, G01S13/36, 2017), представляющее собой микроволновый активный интерферометр и содержащее два приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, подключённого к входу Y-циркулятора, который своим выходом с малыми потерями соединён с приёмо-передающей антенной и своим выходом с большими потерями с входом квадратичного смесителя, подсоединённого своим выходом к входу усилителя промежуточной частоты, равной разнице частот зондирующего излучения генераторов непрерывных гармонических колебаний в составе указанных блоков, и фазовый детектор, соединённый своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости взаимного смещения двух элементов конструкции здания или сооружения. При этом упомянутые приёмо-передающие блоки жёстко закреплены по одному на двух взаимно смещаемых элементах здания или сооружения, а приёмо-передающие антенны указанных блоков направлены друг на друга.Closest to the claimed device, selected as a prototype, is a device for remote measurement of mutual displacements of structural elements of buildings and structures (Patent RF2621473, G01S13 / 36, 2017), which is a microwave active interferometer and containing two transmitting and receiving units operating on different frequencies of the probe radiation and each consisting of a generator of continuous harmonic oscillations connected to the input of the Y-circulator, which is connected to the receiving-transmitting output with a small loss a large antenna and its output with large losses with the input of a quadratic mixer connected to the input of an intermediate frequency amplifier equal to the frequency difference of the probing radiation of continuous harmonic oscillators as part of these units, and a phase detector connected by its inputs to the outputs of intermediate frequency amplifiers as of these blocks and its output through an analog-to-digital converter with the input of the microcontroller to form a discrete time dependence of the mutual about the displacement of two structural elements of a building or structure. Moreover, the said transmit-receive blocks are rigidly fixed one at a time to two mutually shifting elements of a building or structure, and the transmit-receive antennas of said blocks are directed at each other.

Данное устройство способно измерять взаимное перемещение двух объектов, на которых жёстко закреплены входящие в состав устройства приёмо-передающие блоки, посредством сравнения фаз излучаемых и принимаемых этими приёмо-передающими блоками электромагнитных колебаний. Конструкция прототипа упрощена по сравнению с конструкцией аналогов за счёт унификации входящих в его состав блоков. Однако, если разместить оба приёмо-передающих блока прототипа на одной позиции и направить входящие в его состав антенны на отражающую поверхность, измерить перемещение отражающей поверхности относительно позиции прототипа не представляется возможным, т.к. каждый приёмо-передающий блок будет принимать не только отражённый от поверхности сигнал, излучённый другим приёмо-передающим блоком, но и отражённый от поверхности сигнал, излучённый им самим. При этом перемещение отражающей поверхности будет сопровождаться непропорциональным изменением разности фаз регистрируемых сигналов.This device is capable of measuring the mutual displacement of two objects on which the receiving and transmitting units included in the device are rigidly fixed by comparing the phases of electromagnetic waves emitted and received by these transmit and receive units. The design of the prototype is simplified compared to the design of analogues due to the unification of its constituent blocks. However, if you place both the transmitting and receiving units of the prototype at the same position and direct the antennas included in its composition to the reflecting surface, it is not possible to measure the movement of the reflecting surface relative to the position of the prototype, because each transceiver unit will receive not only a signal reflected from the surface emitted by another transceiver block, but also a signal reflected from the surface emitted by it itself. In this case, the movement of the reflecting surface will be accompanied by a disproportionate change in the phase difference of the recorded signals.

Технологическая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, – создание микроволнового интерферометра на базе унифицированных приёмо-передающих блоков, выполненного по интегральной технологии, обладающего минимальными массогабаритными характеристиками и минимальной стоимостью, пригодного для массового производства и широкого внедрения в качестве датчика перемещения в системах непрерывного и бесконтактного контроля состояния и правильного функционирования сложных динамических объектов различной природы.The technological problem solved by the present invention is the creation of a microwave interferometer based on standardized transmitting and receiving units, made using integrated technology, having minimum weight and size characteristics and minimum cost, suitable for mass production and widely used as a motion sensor in continuous and non-contact state monitoring systems and the proper functioning of complex dynamic objects of various nature.

Технический результат от использования заявляемого изобретения – повышение точности измерения перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта с помощью микроволнового интерферометра, выполненного на базе унифицированных приёмо-передающих блоков, за счёт устранения мешающих сигналов, излучённых передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённых от движущегося объекта и принятых приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока.The technical result from the use of the claimed invention is to increase the accuracy of measuring the movement of the reflecting surface of the controlled object using a microwave interferometer, made on the basis of standardized transmitting and receiving units, by eliminating the interfering signals emitted by transmitters in each transmitting and transmitting unit reflected from a moving object and received by receivers as part of the same transmit-receive unit.

Указанный технический результат достигается тем, что в микроволновом интерферометре, предназначенном для измерения перемещений, содержащем два идентичных приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, антенн, смесителя, для которого гетеродином является генератор того же приёмо-передающего блока, и усилителя промежуточной частоты, которая равна разности частот зондирующего излучения генераторов в составе указанных блоков, а также фазовый детектор, соединенный своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости измеряемого перемещения, оба приёмо-передающих блока расположены на одном основании неподвижно относительно друг друга, каждый генератор в составе приёмо-передающего блока подключён к передающей антенне того же блока, рабочие поляризации передающих антенн двух приёмо-передающих блоков ортогональны друг другу, каждая приёмная антенна в составе приёмо-передающего блока подключена к входу смесителя того же блока, рабочая поляризация приёмной антенны ортогональна рабочей поляризации передающей антенны того же блока и согласована с рабочей поляризацией передающей антенны другого приёмо-передающего блока, причём, все четыре антенны направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта.The indicated technical result is achieved in that in a microwave interferometer designed for measuring displacements, containing two identical transmitting and receiving units operating at different frequencies of the probe radiation and consisting of each of a generator of continuous harmonic oscillations, antennas, a mixer, for which the oscillator is the same oscillator transmitter-receiver unit, and an intermediate frequency amplifier, which is equal to the frequency difference of the probe radiation of the generators in the composition of these blocks, and e phase detector connected by its inputs to the outputs of the amplifiers of intermediate frequency as a part of the indicated blocks and its output through an analog-to-digital converter with the input of the microcontroller to form a discrete time dependence of the measured displacement, both transceiver blocks are located on the same base motionless relative to each other, each the generator as part of the transmitting and receiving unit is connected to the transmitting antenna of the same unit, the working polarization of the transmitting antennas of the two transmitting and transmitting units are orthogonal to each other, each receiving antenna as part of the transmitting and receiving unit is connected to the input of the mixer of the same unit, the working polarization of the receiving antenna is orthogonal to the working polarization of the transmitting antenna of the same unit and is consistent with the working polarization of the transmitting antenna of the other receiving and transmitting unit, all four antennas are aimed at the reflective surface of the controlled object.

Генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приёмо-передающих блоков могут работать в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона.The generators of continuous harmonic oscillations in the composition of the transmit-receive units can operate in the microwave or EHF range of radiation with a frequency difference within the HF or VHF range.

Функции аналого-цифрового преобразования, фазового детектирования, формирования и передачи дискретной временной зависимости измеряемого перемещения могут быть реализованы в микроконтроллере.The functions of analog-to-digital conversion, phase detection, formation and transmission of a discrete time dependence of the measured movement can be implemented in the microcontroller.

Микроконтроллер может быть подключён через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга перемещений контролируемого объекта.The microcontroller can be connected via a local network to the central processor of the system for monitoring the movements of the controlled object.

Известная микроволновая сенсорная система (см. JP2015036666, G01S13/32, G01S13/50, 2015), предназначенная для выполнения иной задачи – обнаружения и измерения горизонтальных перемещений цели и состоящая из двух сантиметровых приёмопередатчиков, работающих на различных частотах зондирующего излучения и использующих каждый зондирующее и отражённое от движущейся мишени излучения, не противоречит изобретательскому уровню заявляемого устройства, т.к. указанная система использует отраженные от мишени электромагнитные колебания для надёжного измерения углового смещения обнаруженной мишени за счёт углового взаимного расположения указанных приёмопередатчиков и двух сравнений фаз сигналов промежуточной частоты с последующим компьютерным учётом угловой ошибки измерения.A well-known microwave sensor system (see JP2015036666, G01S13 / 32, G01S13 / 50, 2015), designed to perform a different task - to detect and measure horizontal movements of the target and consisting of two centimeter transceivers operating at different frequencies of the probe radiation and using each probe and reflected from a moving target radiation does not contradict the inventive step of the claimed device, because the indicated system uses electromagnetic waves reflected from the target to reliably measure the angular displacement of the detected target due to the angular relative position of the indicated transceivers and two comparisons of the phases of the intermediate frequency signals with subsequent computer-aided measurement of the angular measurement error.

Заявляемый микроволновый интерферометр поясняется структурной схемой, изображенной на чертеже.The inventive microwave interferometer is illustrated by the structural diagram shown in the drawing.

Микроволновый интерферометр (микроволновый датчик перемещения) в настоящем примере выполнения состоит из двух расположенных на одном основании неподвижно относительно друг друга приёмо-передающих блоков (ППБ I и II), которые подключены к фазовому детектору (1), и последовательно соединенным с ним аналого-цифровому преобразователю (2) и микроконтроллеру (3), подключенному через локальную сеть к центральному процессору (4) системы мониторинга перемещений контролируемого объекта. Приёмо-передающий блок ППБ I состоит из: генератора (5) непрерывных гармонических колебаний СВЧ или КВЧ диапазонов, работающего на частоте ω1, и подключённого к передающей антенне (6); передающая антенна (6) имеет определённую рабочую поляризацию; приёмной антенны (7), рабочая поляризация которой ортогональна рабочей поляризации передающей антенны (6) и согласована с рабочей поляризацией антенны (8) в составе второго приёмо-передающего блока (ППБ II); приёмная антенна (7) подключёна к смесителю (9), для которого гетеродином является генератор (5); выход смесителя (9) подключён к входу усилителя промежуточной частоты (10), причём, промежуточная частота равна разности частот ω1 и ω2. Приёмо-передающий блок ППБ II состоит из: генератора (11) непрерывных гармонических колебаний СВЧ или КВЧ диапазонов, работающего на частоте ω2, и подключённого к передающей антенне (8); рабочая поляризация передающей антенны (8) ортогональна рабочей поляризации антенны (6); приёмной антенны (12), рабочая поляризация которой согласована с рабочей поляризациями передающей антенны (6) и ортогональна рабочей поляризации антенны (8); приёмная антенна (12) подключёна к смесителю (13), для которого гетеродином является генератор (11); выход смесителя(13) подключён к усилителю промежуточной частоты (14), причём, промежуточная частота равна разности частот ω1 и ω2. Все четыре антенны (6, 7, 8 и 12) направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта (15).The microwave interferometer (microwave displacement sensor) in the present exemplary embodiment consists of two receiving and transmitting blocks (PPB I and II) located on the same base and fixed to each other, which are connected to a phase detector (1), and an analog-digital is connected in series with it a converter (2) and a microcontroller (3) connected via a local network to the central processor (4) of the monitoring system for the movements of the controlled object. The transmitting and receiving unit PPB I consists of: a generator (5) of continuous harmonic oscillations of the microwave or EHF ranges, operating at a frequency of ω 1 , and connected to the transmitting antenna (6); transmitting antenna (6) has a certain working polarization; a receiving antenna (7), the working polarization of which is orthogonal to the working polarization of the transmitting antenna (6) and is consistent with the working polarization of the antenna (8) as part of the second receiving-transmitting unit (PPB II); the receiving antenna (7) is connected to the mixer (9), for which the generator (5) is the local oscillator; the output of the mixer (9) is connected to the input of the intermediate frequency amplifier (10), and the intermediate frequency is equal to the frequency difference ω 1 and ω 2 . The transmitter-receiver unit PPB II consists of: a generator (11) of continuous harmonic oscillations of the microwave or EHF ranges, operating at a frequency of ω 2 , and connected to the transmitting antenna (8); the working polarization of the transmitting antenna (8) is orthogonal to the working polarization of the antenna (6); a receiving antenna (12), the working polarization of which is consistent with the working polarization of the transmitting antenna (6) and orthogonal to the working polarization of the antenna (8); the receiving antenna (12) is connected to the mixer (13), for which the generator (11) is the local oscillator; the output of the mixer (13) is connected to an intermediate frequency amplifier (14), and the intermediate frequency is equal to the frequency difference ω 1 and ω 2 . All four antennas (6, 7, 8, and 12) are directed to the reflective surface of the controlled object (15).

Предлагаемый микроволновый интерферометр реализуем на доступной микроволновой электронной элементной базе. Благодаря тому, что СВЧ (КВЧ) часть микроволнового интерферометра реализована в виде двух идентичных ППБ с незначительной отстройкой рабочих частот, микроволновый интерферометр может быть конструктивно реализован на основе двух интегральных микросборок доплеровских датчиков скорости с выполненными по печатной технологии и интегрированными в состав сборки передающей и приёмной антеннами, например, НВ100 (http://roboparts.ru/products/hb100-doplerovskiy-radar) и микроконтроллера, содержащего не менее двух параллельных каналов аналого-цифрового преобразования, цифровой фазовый детектор и порт ввода/вывода цифровых данных, например, ADuC812BSZ (https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/aduc812.pdf).The proposed microwave interferometer is sold on an affordable microwave electronic element base. Due to the fact that the microwave (EHF) part of the microwave interferometer is implemented in the form of two identical PPB with a slight detuning of the operating frequencies, the microwave interferometer can be structurally implemented on the basis of two integrated microassemblies of Doppler speed sensors with printed technology and integrated into the assembly of the transmitting and receiving antennas, for example, HB100 (http://roboparts.ru/products/hb100-doplerovskiy-radar) and a microcontroller containing at least two parallel channels of analog-to-digital conversion, digital phase detector and digital input / output port, for example, ADuC812BSZ (https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/aduc812.pdf).

Микроволновый интерферометр работает следующим образом.Microwave interferometer works as follows.

Генератор (5) вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω1 и передает их через передающую антенну (6) на отражающую поверхность контролируемого объекта (15), отражённые от поверхности объекта колебания поступают через приёмную антенну (12) на вход смесителя (13). В качестве сигнала гетеродина на смеситель (13) поступает сигнал от генератора (11). Точно также работает генератор (11): он вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω2 и передает их через передающую антенну (8) на отражающую поверхность контролируемого объекта (15), отражённые от поверхности объекта колебания поступают через приёмную антенну (7) на вход смесителя (9). В качестве сигнала гетеродина на смеситель (9) поступает сигнал от генератора (5).The generator (5) generates continuous harmonic oscillations of the microwave or EHF ranges with a frequency of ω 1 and transmits them through the transmitting antenna (6) to the reflecting surface of the controlled object (15), the vibrations reflected from the surface of the object are transmitted through the receiving antenna (12) to the input of the mixer ( thirteen). The signal from the generator (11) is supplied to the mixer (13) as a local oscillator signal. The generator (11) also works in the same way: it generates continuous harmonic oscillations of the microwave or EHF ranges with a frequency of ω 2 and transmits them through the transmitting antenna (8) to the reflective surface of the controlled object (15), the oscillations reflected from the surface of the object are transmitted through the receiving antenna (7 ) to the input of the mixer (9). The signal from the generator (5) is supplied to the mixer (9) as a local oscillator signal.

На вход смесителя (9) поступает сигнал на частоте ω2, излученный антенной (8), с временной задержкой (2х/с), где х – контролируемое расстояние до объекта, а с – скорость света, и фазовым сдвигом (4πх/λ2), где λ2 - длина волны второго генератора (11). The input of the mixer (9) receives a signal at a frequency ω 2 emitted by the antenna (8) with a time delay (2x / s), where x is the controlled distance to the object, and c is the speed of light, and a phase shift (4πx / λ 2 ), where λ 2 is the wavelength of the second generator (11).

Точно также, на вход смесителя (13) поступает сигнал на частоте ω1, излученный антенной (6), с такой же временной задержкой и фазовым сдвигом 4πх/λ1), где λ1 - длина волны первого генератора (5).Similarly, the input of the mixer (13) receives a signal at a frequency ω 1 emitted by the antenna (6) with the same time delay and a phase shift of 4πх / λ 1 ), where λ 1 is the wavelength of the first generator (5).

На выходе смесителя (9) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением:At the output of the mixer (9), an intermediate frequency signal is formed, the current phase of which is described by the ratio:

Figure 00000001
.
Figure 00000001
 .

На выходе смесителя (13) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением:At the output of the mixer (13), an intermediate frequency signal is formed, the current phase of which is described by the ratio:

Figure 00000002
.
Figure 00000002
 .

Здесь t – текущее время, ϕ1(t) и ϕ2(t) – медленно меняющиеся случайные начальные фазы (низкочастотные фазовые шумы) колебаний, вырабатываемых генераторами (5) и (11) соответственно.Here t is the current time, ϕ 1 (t) and ϕ 2 (t) are slowly changing random initial phases (low-frequency phase noise) of oscillations generated by generators (5) and (11), respectively.

Сигналы с выходов смесителей (9) и (13) усиливаются усилителями промежуточной частоты (10) и (14) соответственно и передаются на входы фазового детектора (1).The signals from the outputs of the mixers (9) and (13) are amplified by the intermediate frequency amplifiers (10) and (14), respectively, and transmitted to the inputs of the phase detector (1).

На выходе фазового детектора формируется сигнал, пропорциональный разности фаз входных сигналов {Ф1(t) – Ф2(t)}. С учетом того, что ϕ1(t) и ϕ2(t) – это медленные функции времени и их изменением за малое, порядка долей микросекунды, время задержки (2х/с) можно пренебречь, выходной сигнал фазового детектора (1) пропорционален 8π х/λ, где λ - среднее значение двух длин волн λ1 и λ2.A signal is generated at the output of the phase detector, which is proportional to the phase difference of the input signals {Ф 1 (t) - Ф 2 (t)}. Given that φ 1 (t) and φ 2 (t) - is slow functions of time and change in a small, of the order of fractions of a microsecond delay time (2 / s) can be neglected, the output signal of the phase detector (1) is proportional to 8π x / λ, where λ is the average of two wavelengths λ 1 and λ 2 .

Этот сигнал преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (2), а в микроконтроллере (3) умножается на коэффициент (λ/8π). Выходной сигнал микроконтроллера является дискретным представлением зависимости смещения (Δх) от времени и по локальной сети передается на центральный процессор (4) системы мониторинга перемещений контролируемого объекта для последующей обработки.This signal is converted into digital form by an analog-to-digital converter (2), and in the microcontroller (3) it is multiplied by a coefficient (λ / 8π). The output signal of the microcontroller is a discrete representation of the dependence of the displacement (Δx) on time and is transmitted over the local network to the central processor (4) of the monitoring system for the movements of the controlled object for subsequent processing.

Благодаря тому, что в состав каждого приёмо-передающего блока входят приёмная и передающая антенны, работающие на ортогональных поляризациях, устраняются сигналы, излученные передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённые от движущегося объекта и принятые приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока. При этом рабочие поляризации приёмной и передающей антенн различных приёмо-передающих блоков оказываются согласованными, и каждый приёмо-передающий блок принимает сигналы, излучённые другим блоком.Due to the fact that the structure of each transmitting and transmitting unit includes a receiving and transmitting antenna operating on orthogonal polarizations, the signals emitted by the transmitters in each transmitting and transmitting unit, reflected from a moving object and received by the receivers as part of the same transmitting and receiving unit, are eliminated block. In this case, the working polarizations of the receiving and transmitting antennas of the various transmitting and receiving units are consistent, and each receiving and transmitting unit receives signals emitted by another unit.

Применение фазового метода измерения перемещения позволяет добиваться погрешности измерения в сотые доли длины волны зондирующего излучения. При работе устройства в КВЧ диапазоне погрешность может не превышать десятки микрометров. При вычислении разности фаз двух сигналов промежуточной частоты происходит практически полная компенсация взаимных фазовых шумов двух генераторов.The use of the phase method of measuring displacement makes it possible to achieve a measurement error in hundredths of the wavelength of the probe radiation. When the device is operating in the EHF range, the error may not exceed tens of micrometers. When calculating the phase difference of two signals of intermediate frequency, almost complete compensation of the mutual phase noise of the two generators occurs.

Это позволяет обеспечить сочетание широкополосности и долговременной стабильности измерительного устройства и максимально широкий диапазон частот измеряемых перемещений отражающей поверхности контролируемого объекта. Верхняя граница частотного диапазона измеряемой зависимости Δх(t) может составлять до 10% от выбранного значения промежуточной частоты, например, при промежуточной частоте более 10 МГц она будет составлять единицы мегагерц. Нижняя граница частотного диапазона будет ограничиваться только процессами старения активных элементов электрической схемы с характерным масштабом времени в несколько сотен часов, что соответствует частоте, измеряемой в микрогерцах. This allows a combination of broadband and long-term stability of the measuring device and the widest possible frequency range of the measured movements of the reflecting surface of the controlled object. The upper limit of the frequency range of the measured dependence Δх (t) can be up to 10% of the selected value of the intermediate frequency, for example, at an intermediate frequency of more than 10 MHz it will be units of megahertz. The lower limit of the frequency range will be limited only by the aging processes of the active elements of the electrical circuit with a characteristic time scale of several hundred hours, which corresponds to the frequency measured in microhertz.

Таким образом, предлагаемый микроволновый интерферометр обеспечивает повышение точности измерения перемещения отражающей поверхности контролируемого объекта за счёт устранения мешающих сигналов, излученных передатчиками в составе каждого приёмо-передающего блока, отражённых от движущегося объекта и принятых приёмниками в составе того же самого приёмо-передающего блока. Микроволновый интерферометр выполнен на базе унифицированных приёмо-передающих блоков.Thus, the proposed microwave interferometer provides an increase in the accuracy of measuring the movement of the reflecting surface of the controlled object by eliminating the interfering signals emitted by the transmitters in each transmitting and transmitting unit, reflected from the moving object and received by the receivers as part of the same receiving and transmitting unit. The microwave interferometer is made on the basis of standardized transmit-receive units.

Claims (4)

1. Микроволновый интерферометр, предназначенный для измерения перемещений, содержащий два идентичных приёмо-передающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, антенн, смесителя, для которого гетеродином является генератор того же приёмо-передающего блока, и усилителя промежуточной частоты, которая равна разности частот зондирующего излучения генераторов в составе указанных блоков, а также фазовый детектор, соединенный своими входами с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости измеряемого перемещения, отличающийся тем, что оба приёмо-передающих блока расположены на одном основании неподвижно относительно друг друга, каждый генератор в составе приёмо-передающего блока подключён к передающей антенне того же блока, рабочие поляризации передающих антенн двух приёмо-передающих блоков ортогональны друг другу, каждая приёмная антенна в составе приёмо-передающего блока подключена к входу смесителя того же блока, рабочая поляризация приёмной антенны ортогональна рабочей поляризации передающей антенны того же блока и согласована с рабочей поляризацией передающей антенны другого приёмо-передающего блока, причём все четыре антенны направлены на отражающую поверхность контролируемого объекта.1. A microwave interferometer designed to measure displacements, comprising two identical transceiver units operating at different frequencies of the probing radiation and each consisting of a generator of continuous harmonic oscillations, antennas, a mixer, for which the local oscillator is a generator of the same transceiver unit, and an intermediate frequency amplifier, which is equal to the frequency difference of the probing radiation of the generators in the composition of these blocks, as well as a phase detector connected to its outputs by an input Amplifiers of intermediate frequency amplifiers as a part of these blocks and their output through an analog-to-digital converter with an input of a microcontroller to form a discrete time dependence of the measured displacement, characterized in that both transceiver blocks are located on the same base motionless relative to each other, each generator in the receiver -the transmitting unit is connected to the transmitting antenna of the same unit, the working polarizations of the transmitting antennas of the two transmitting and receiving units are orthogonal to each other, each the receiving antenna as part of the transmitting and receiving unit is connected to the input of the mixer of the same unit, the working polarization of the receiving antenna is orthogonal to the working polarization of the transmitting antenna of the same unit and is aligned with the working polarization of the transmitting antenna of another receiving and transmitting unit, and all four antennas are directed to the reflective surface of the monitored object. 2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приёмо-передающих блоков работают в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона.2. The interferometer according to claim 1, characterized in that the generators of continuous harmonic oscillations in the composition of the transmitting and receiving units operate in the microwave or EHF range of radiation with a frequency difference within the HF or VHF range. 3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что функции аналого-цифрового преобразования, фазового детектирования, формирования и передачи дискретной временной зависимости измеряемого перемещения реализованы в микроконтроллере.3. The interferometer according to claim 1, characterized in that the functions of analog-to-digital conversion, phase detection, formation and transmission of a discrete time dependence of the measured movement are implemented in the microcontroller. 4. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что микроконтроллер подключён через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга перемещений контролируемого объекта.4. The interferometer according to claim 1, characterized in that the microcontroller is connected via a local network to the central processor of the system for monitoring the movements of the controlled object.
RU2019111477A 2019-04-17 2019-04-17 Microwave interferometer RU2705930C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019111477A RU2705930C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Microwave interferometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019111477A RU2705930C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Microwave interferometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2705930C1 true RU2705930C1 (en) 2019-11-12

Family

ID=68579623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019111477A RU2705930C1 (en) 2019-04-17 2019-04-17 Microwave interferometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2705930C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211365U1 (en) * 2021-09-24 2022-06-01 Общество с ограниченной ответственностью «АФС 52» Microwave sensor for remote detection of signs of human life by registering movements of the surface of his body, including those associated with his breathing

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1600518A1 (en) * 1988-07-21 1995-02-27 Научно-производственное объединение "Сибцветметавтоматика" Radio signal phase measuring device
CN102323578A (en) * 2011-06-01 2012-01-18 重庆大学 Microwave distance measurement-based three-dimensional displacement monitoring device and method
JP2015036666A (en) * 2013-08-15 2015-02-23 独立行政法人国立高等専門学校機構 Microwave sensor system
RU2569581C2 (en) * 2013-11-27 2015-11-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Microwave single-channel radio interferometer with waveguide probing path
RU2621473C1 (en) * 2016-07-13 2017-06-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Device for remote measuring mutual element displacement of buildings and structures

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1600518A1 (en) * 1988-07-21 1995-02-27 Научно-производственное объединение "Сибцветметавтоматика" Radio signal phase measuring device
CN102323578A (en) * 2011-06-01 2012-01-18 重庆大学 Microwave distance measurement-based three-dimensional displacement monitoring device and method
JP2015036666A (en) * 2013-08-15 2015-02-23 独立行政法人国立高等専門学校機構 Microwave sensor system
RU2569581C2 (en) * 2013-11-27 2015-11-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Microwave single-channel radio interferometer with waveguide probing path
RU2621473C1 (en) * 2016-07-13 2017-06-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" Device for remote measuring mutual element displacement of buildings and structures

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU211365U1 (en) * 2021-09-24 2022-06-01 Общество с ограниченной ответственностью «АФС 52» Microwave sensor for remote detection of signs of human life by registering movements of the surface of his body, including those associated with his breathing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Farrar et al. Microwave interferometers for non-contact vibration measurements on large structures
Barbon et al. A six-port interferometer based micrometer-accuracy displacement and vibration measurement radar
FI78566B (en) FOERFARANDE OCH ANORDNING VID ANTENN- OCH MOTTAGNINGSSYSTEM AV EN RADIOTEODOLIT.
US10436569B2 (en) Interferometric distance measurement based on compression of chirped interferogram from cross-chirped interference
US7139446B2 (en) Compact fiber optic geometry for a counter-chirp FMCW coherent laser radar
US7848896B2 (en) Non-contact measurement system for accurate measurement of frequency and amplitude of mechanical vibration
US20100290063A1 (en) Millimeter wave sensor for far-field standoff vibrometry
KR20010015576A (en) Highly accurate three-dimensional surface digitizing system and methods
EP3308149B1 (en) Sensor for non-destructive characterization of objects
Moll et al. Mechanical vibration sensing for structural health monitoring using a millimeter-wave doppler radar sensor
CN115407351A (en) Interferometric time light detection and ranging system and method and device for determining object distance
Linz et al. A compact, versatile six-port radar module for industrial and medical applications
Liu et al. High ranging accuracy and wide detection range interferometry based on frequency-sweeping technique with vital sign sensing function
RU2705930C1 (en) Microwave interferometer
RU2621473C1 (en) Device for remote measuring mutual element displacement of buildings and structures
Assous et al. Short pulse multi-frequency phase-based time delay estimation
US10161768B2 (en) Methods and apparatus for interferometric interrogation of an optical sensor
Thansandote et al. Microwave interferometer for measurements of small displacements
Kaname et al. Investigation on 600-GHz-band FMCW photonic radar system for a flexible inspection distance
Kuznietsov et al. Providing the Required Accuracy of Measurements of Spatial Coordinates of Aerial Objects
JP3799524B2 (en) Microwave nondestructive evaluation system
CN214174613U (en) Absolute distance measuring device based on microwave frequency domain interference
CN109343068A (en) A kind of measuring device and measuring method of space length
Andreev et al. Three-probe microwave interferometry for measuring displacement of mechanical objects with account for antenna reflectivity
Chang et al. Development of an ultrasonic linear encoder