RU2774404C1

RU2774404C1 - Способ измерения скорости движения наземного транспортного средства

Info

Publication number: RU2774404C1
Application number: RU2021132813A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Дмитриевич Шайдуров; Владислав Яковлевич Носков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ДИДЖИТАЛЬФА"
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2022-06-21

Abstract

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности ближней радиолокации. Технический результат заключается в повышении точности и надёжности измерения скорости двигающегося наземного транспортного средства. Для этого сформированный квазигармонический электрический скоростемерный сигнал формируется с применением антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, вследствие излучения электромагнитной волны, характеризующейся формой амплитудно-фазового распределения, близкого к амплитудно-фазовому распределению плоской волны, в области падения на полотно дороги или иную подстилающую поверхность. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Предлагаемый способ относится к области радиоэлектроники, в частности ближней радиолокации, и может быть использован в системах предотвращения столкновений транспортных средств и контроля дорожного движения. Предлагаемый способ может быть использован в локомотивных устройствах безопасности, в частности, в устройствах регистрации параметров движения поезда и устройствах контроля скоростного режима ведения поезда, а также в устройствах контроля скорости иных наземных транспортных средств.

Известен способ и система для радиолокационного измерения скоростей и координат объектов (варианты) по патенту № RU 2255352. В данном патенте поставленная задача решается за счет того, что в способе радиолокационного измерения скоростей и координат объектов, включающем излучение периодически модулированного по частоте зондирующего сигнала, прием отраженных от объектов сигналов, перемножение излучаемого и принятых сигналов, усиление в заданной полосе частот полученного в результате перемножения гомодинного сигнала, согласно изобретению, из гомодинного сигнала формируют сигнал промежуточных частот в виде последовательности цифровых фрагментов заданной длительности, формируют двумерную матрицу базисных сигналов, номера столбцов которой соответствуют множеству средних ожидаемых значений дальности, а номера строк - множеству средних ожидаемых значений скорости, вычисляют последовательность матриц значений функций взаимной корреляции матрицы базисных сигналов и каждого из фрагментов сигнала промежуточных частот, обнаруживают объекты путем выявления элементов матрицы функций взаимной корреляции любого фрагмента, значения которых превышают заданный пороговый уровень, и определяют дальность и скорость обнаруженных объектов по номерам, соответственно, столбца и строки выявленных элементов. Поставленная задача решается также за счет того, что способе радиолокационного измерения скоростей и координат объектов, включающем излучение периодически модулированного по частоте зондирующего сигнала, прием отраженных от объектов сигналов, перемножение излучаемого и принятых сигналов, усиление в заданной полосе частот и анализ полученного в результате перемножения гомодинного сигнала, согласно изобретению, прием отраженного сигнала, его перемножение с излучаемым сигналом и усиление в заданной полосе частот осуществляют, по крайней мере, еще в одной позиции, пространственно отнесенной от первой, при этом в каждой позиции из гомодинного сигнала формируют сигнал промежуточных частот в виде последовательности цифровых фрагментов заданной длительности, формируют трех- или четырехмерную матрицу базисных сигналов, номера столбцов первого измерения которой соответствуют множеству средних ожидаемых значений дальности, номера столбцов второго и третьего измерений - множеству средних ожидаемых значений первой и второй угловых координат соответственно, а номера строк - множеству средних ожидаемых значений скорости, вычисляют в каждой позиции последовательность матриц значений функций взаимной корреляции матрицы базисных сигналов и каждого из фрагментов сигнала промежуточных частот, соответственно количеству фрагментов вычисляют последовательность суммарных матриц путем суммирования соответствующих столбцу и строке значений функций взаимной корреляции, полученных во всех позициях, обнаруживают объекты путем выявления элементов любой суммарной матрицы функций взаимной корреляции, значения которых превышают заданный пороговый уровень, и определяют в случае использования трехмерной матрицы дальность, первую угловую координату и скорость, а в случае использования четырехмерной матрицы - дальность, первую и вторую угловые координаты и скорость обнаруженных объектов по номерам, соответственно, столбцов и строки выявленных элементов.

Недостатком данного способа является то, что применение частотной модуляции излучения и корреляционного анализа принятого сигнала значительно усложняет структурную схему за счёт введения коррелометра, формирующего матрицы базисных сигналов и вычисляющего скорости и координаты объектов, и приводит к повышению стоимости технической реализации предложенного способа. Помимо этого, из описания способа следует его предназначение для измерения дальности, скорости и угловых координат точечных радиолокационных целей, при этом способ не предназначен для измерения скоростей движения пространственно-распределённых целей.

Также известно устройство, работающее по принципу Доплера, для определения расстояния, пройденного транспортным средством, по патенту № US 4920345. Цели изобретения достигаются путем создания устройства одометра по принципу Доплера, включающего полосовой фильтр с переменной частотой, имеющий нижний предел частоты, определяемый обнаруженным разностным доплеровским сигналом, а также компаратор, реагирующий на разностный сигнал доплеровского радара для обеспечения синхронизирующего сигнала для контура фазовой автоподстройки частоты, который выдает импульсные сигналы, представляющие скорость транспортного средства, тем самым данное изобретение реализует способ определения скорости наземного транспортного средства. Счетчик реагирует на импульсы от контура фазовой автоподстройки частоты, чтобы обеспечить выходной сигнал, представляющий расстояние, пройденное транспортным средством. Таким образом, изобретение преимущественно использует импульсные сигналы, доставляемые обычным контуром фазовой автоподстройки частоты, для генерации сигнала, представляющего расстояние, пройденное в течение временного интервала, путем интегрирования импульсных сигналов, которые соответствуют единым приращениям пути. Следовательно, одометр, выполненный в соответствии с изобретением, предлагает преимущество передачи сигнала не только о пройденном расстоянии, но также и о мгновенной скорости движения. Возможный источник ошибки в таком устройстве возникает из-за изменения дифференциальной доплеровской частоты в зависимости от угла, под которым испускаемые лучи пересекают поверхность, которая в случае дорожного транспортного средства является проезжей частью. Эта ошибка может быть усреднена простым способом в соответствии с изобретением, используя две антенны в устройстве Януса. Устройство согласно изобретению позволяет с достаточной точностью измерять пройденное расстояние. Если для излучаемых лучей используется частота 24,125 ГГц и если излучающая антенна устроена так, что луч излучается под углом наклона 45°, в результате будет получено высокое разрешение 8,8 мм на импульс. Этого показателя вполне достаточно для измерения расстояний, пройденных транспортными средствами. Полосовой фильтр, который управляется настраивающим генератором, так что его нижний предел частоты уступает доплеровской дифференциальной частоте, служит для устранения низкочастотных помех. Нижняя граница частоты всего диапазона передачи сигнала, а именно, как полосового фильтра, так и каскадов усилителя с емкостной связью, является как можно более низкой, чтобы при эксплуатации транспортного средства на очень низких скоростях, например, во время пуска и остановки, дифференциальная частота падала только на короткое время или, предпочтительно не падала вообще. При соответствующем подключении счетчик также будет указывать направление движения в заданное время с помощью алгебраического знака, таким образом, вычитая расстояние, пройденное задним ходом, из расстояния, пройденного на передней передаче. При этом в данном устройстве имеется недостаток, который влияет на точность измерения, как расстояния, так и скорости наземного транспортного средства. Таким недостатком является использование узконаправленного антенно-фидерного устройства в виде одной узконаправленной антенны (п. 1 формулы изобретения) либо двух узконаправленных антенн, ориентированных под углом друг к другу (схема «Двуликий Янус», п. 2 формулы изобретения), что приводит к формированию малого по площади пятна облучения на подстилающей поверхности дорожного полотна. Из уровня техники, из Источника 1 (см. Приложение), известно, что в ряде случаев при применении такого способа для измерения скорости движения наземных транспортных средств происходит значительное ухудшение точности измерений вплоть до полного сбоя процесса измерения.

Кроме того, известно доплеровское радарное устройство со схемой для определения относительного направления движения относительно целевого объекта по п. 2 формулы патента № DE 2714365, которое имеет два смесителя, доплеровские частоты которых используются для определения относительного движения станции относительно цели. При помощи данного устройства также можно реализовать способ определения скорости наземного транспортного средства. Но при определении скорости наземного транспортного средства будут выявляться следующие недостатки. Обработка доплеровского сигнала осуществляется путём автодинного преобразования и детектирования в блоке 10 и измерения скорости движения по автодинному отклику блока 10, а также детектирования сигнала на несущей частоте в блоке 12, и последующего сравнения продетектированных сигналов в фазовом компараторе с определением направления движения на выходе фазового компаратора, для чего, согласно формуле изобретения № DE 2714365, требуется подбирать длину щелевой антенны в виде прямоугольного волновода таким образом, чтобы разность фаз продетектированных сигналов составляла строго 0° или 90°. Из-за этого ограничивается возможность применения иных типов антенн, включая фазированные антенные решётки, позволяющие анализировать тонкую фазовую структуру сигналов. Из-за необходимости обработки электрических сигналов, имеющихся на двух противоположных концах волноводно-щелевой антенны, усложняется конструкция прототипа и не достигается технический результат повышения точности и надёжности измерения скорости двигающегося наземного транспортного средства.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ, реализуемый в патенте № DE 2714365, принятый автором за прототип.

Техническая проблема настоящего изобретения направлена на обеспечение безопасности дорожного движения наземных транспортных средств.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении точности и надёжности измерения скорости двигающегося наземного транспортного средства, причём повышение точности достигается за счёт непосредственного формирования скоростемерного сигнала всей апертурой антенной решётки и за счёт повышения квазигармоничности скоростемерного сигнала благодаря суммированию парциальных электромагнитных волн, отражённых подстилающей поверхностью. Тогда как в аналогах не достигается высокая точность измерения. В аналогах при реализации способов измерения скорости наземных транспортных средств накапливается определённая выборка и проводится корреляционный анализ (в аналоге № RU 2255352) либо спектральный анализ (аналог № US 4920345), что заведомо приводит также к накоплению ошибок. А повышение надёжности измерений скорости наземного транспортного средства в предлагаемом изобретении достигается за счёт учёта пространственно-распределённого характера отражённой электромагнитной волны путём использования антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели и, соответственно, за счёт формирования скоростемерного сигнала всей апертурой антенно-фидерного устройства, формирующего соответствующее пятно облучения на подстилающей поверхности. Тогда как в аналоге № US 4920345 в качестве приёмной антенны используется узконаправленная антенна, создающая методическую ошибку вследствие расширения ширины спектра доплеровского сигнала при наклонном облучении поверхности, а в прототипе № DE 2714365, несмотря на применение в п. 2 формулы изобретения волноводно-щелевой антенны, утрачивается возможность применения разных типов антенн и анализа амплитудно-фазовых соотношений парциальных (отдельных, самостоятельных) отражённых волн, принятых отдельными элементами антенны.

Решение технического результата в настоящем изобретении достигается тем, что описанный электрический скоростемерный сигнал формируется в антенно-фидерном устройстве, предназначенном для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, вследствие излучения электромагнитной волны, характеризующейся формой амплитудно-фазового распределения, близкого к амплитудно-фазовому распределению плоской волны в области падения на полотно дороги или иную подстилающую поверхность. Благодаря тому, что суммарная длина L апертуры антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, составляет величину не менее десяти средних длин электромагнитных волн, излучаемых на центральной частоте электромагнитного колебания, где λ – средняя длина волны электромагнитного колебания, излучаемого антенно-фидерным устройством, последним одновременно принимаются электромагнитные волны, отражённые от ряда элементарных отражающих площадок, находящихся под разными углами визирования относительно апертуры антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели. Согласно же закону Ламберта, диффузное отражение рассеивает энергию падающей электромагнитной волны пропорционально косинусу угла визирования cos(ϕ), при этом характер шероховатости и статистическое распределение фаз элементарных отражающих площадок не влияет на способ формирования принимаемого электрического скоростемерного сигнала. Поэтому в случае отсутствия некоторых элементарных отражающих площадок подстилающей поверхности (например, просветы между шпалами на железнодорожном мосту) не произойдёт исчезновения скоростемерного сигнала, приводящего к частичному или полному сбою процесса измерения скорости движения наземного транспортного средства и вынуждающего прибегать к любым иным способам измерения скорости, включая одометрический и спутниковый. Благодаря этому и достигается технический результат.

На сегодняшний день антенна является важнейшим элементом любой радиолокационной системы, так как она улавливает электромагнитную волну и преобразует её в электрический сигнал. Таким образом, получение полезной информации об объекте локации с помощью радиоволн происходит благодаря совместной работе как электрических цепей радиоприёмного устройства, воспринимающих и обрабатывающих электрический сигнал, так и антенны, улавливающей электромагнитную волну с учётом направления её прихода и поляризации. В связи с этим, для описания приёма радиолокационной системой сигнала необходимо использовать две характеристики воздействия отражённых от цели ЭМВ на антенну приёмника: пространственную и фазовую (она же временная). В связи с этим, предлагается следующий способ измерения скорости движения наземного транспортного средства при использовании плоского фронта излучаемой ЭМВ.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что излучаются электромагнитные волны (колебания) с помощью антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели. Антенно-фидерное устройство установлено на двигающемся наземном транспортном средстве и ориентировано таким образом, чтобы конструктивно предусмотренный максимум излучения электромагнитных волн был направлен в сторону дорожного полотна или иной подстилающей поверхности. В результате исследований и опытным путем установлено, что для достижения технического результата необходимо, чтобы суммарная длина L апертуры антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели (устройство ориентировано вдоль направления движения наземного транспортного средства), представляющая собой расстояние между крайними точками апертуры антенно-фидерного устройства, должна составлять величину не менее десяти средних длин электромагнитных волн, излучаемых на центральной частоте электромагнитного колебания. То есть L≥10λ, где λ – средняя длина волны электромагнитного колебания, излучаемого антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели. Если же L<10λ, то фазовое распределение излучаемой электромагнитной волны начинает отличаться от плоского, что приводит к изменению формы скоростемерного сигнала в сторону меньшей квазигармоничности. Отличие формы сигнала от квазигармонической формы ухудшает точность измерения скорости наземного транспортного средства вследствие расширения и размытия спектра скоростемерного сигнала, основная гармоника которого несет информацию о скорости движения.

Одной из реализаций антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, является линейная периодическая структура в виде линейной антенной решётки, каждый i-й элемент которой характеризуется приведённым ко входу комплексным коэффициентом передачи

, где

-модуль комплексного коэффициента передачи i-го элемента и

-фаза комплексного коэффициента передачи i-го элемента, j – мнимая единица.

В направлении подстилающей поверхности дорожного полотна излучается электромагнитная волна, амплитудно-фазовое распределение которой в области отражения от подстилающей поверхности является преимущественно плоским в сечении по направлению движения. U ₀ – это электрический сигнал, который соответствует излучаемой волне.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рис. 1, на котором изображен пример возможной реализации распределения фазы электрического поля плоской в сечении по направлению движения электромагнитной волны, излучаемой антенно-фидерным устройством поз. 1, длина которого обозначена поз. 4, установленным на высоте, которая обозначена поз. 5. Подстилающая поверхность обозначена поз. 2, а угол θ (поз. 3) – это угол ориентации фронта плоской излучаемой электромагнитной волны относительно полотна дороги или иной подстилающей поверхности.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется также на рис. 2, на котором изображен пример возможной реализации антенно-фидерного устройства 1, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, содержащего N антенных элементов (поз. 5). На рисунке антенные элементы обозначены поз. 6, поз. 7 и поз. 8.

В результате взаимодействия излучаемой электромагнитной волны с подстилающей поверхности возникает отражённая электромагнитная волна, в процессе распространения достигающая антенно-фидерного устройства. Причём вследствие шероховатости подстилающей поверхности происходит преимущественно диффузное отражение. Отражённой электромагнитной волне, воспринимаемой антенно-фидерным устройством, соответствует электрический сигнал U ₁.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется также рис. 3, на котором показан прием электромагнитных волн, диффузно отражённых от подстилающей поверхности. На рис. 3 показано диффузное отражение, рассеивающее энергию падающей электромагнитной волны, описываемое законом Ламберта, где поз. 9 – отражающая поверхность, поз. 10 – падающая волна I(0), поз. 11 – рассеянная волна I(ϕ), поз. 12 – угол ϕ между падающей и рассеянной волной. Из уровня техники, из Источника 2 (см. Приложение), известно, что, согласно закону Ламберта, диффузное отражение электромагнитной волны (рассеянной) пропорционально косинусу угла визирования cos(ϕ), причём при использовании закона Ламберта отражающая поверхность может быть представлена набором элементарных отражающих площадок, каждая из которых является источником вторичной (переизлучённой) электромагнитной волны:

(1)

где

– наблюдаемая под углом ϕ интенсивность рассеянной волны, I(0) – падающая по нормали к поверхности волна,

– косинус угла наблюдения.

Вследствие преимущественно диффузного отражения каждой элементарной отражающей площадкой на подстилающей поверхности в пределах формируемого падающей волной пятна облучения возникающие волны, отражённые каждой такой элементарной площадкой, при своём распространении достигают нескольких антенных элементов антенно-фидерного устройства и улавливаются ими.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется также на рис. 4, на котором показано визирование одной элементарной отражающей площадки набором приёмных антенных элементов антенно-фидерного устройства. На рис. 4 изображен пример распространения волн с напряженностью

(поз. 13),

(поз. 14) и

(поз. 15), отражённых одной i-й элементарной отражающей площадкой dS _i (поз. 16) подстилающей поверхности, и воспринимаемых соответствующими (f-1)-м (поз. 17), f-м (поз. 18) и (f+1)-м (поз. 19) антенными элементами антенно-фидерного устройства под углами α _f _-1(поз. 20), α _f (поз. 21) и α _f ₊₁ (поз. 22), соответственно, с комплексными коэффициентами передачи

,

и

:

(2)

(3)

и

(4)

где

,

и

– модули комплексных коэффициентов передачи,

,

и

– фазы комплексных коэффициентов передачи, соответственно.

Тогда напряжённость электромагнитной волны E _F в произвольный фиксированный момент времени, воспринимаемой антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, представит собой сумму напряжённостей парциальных электромагнитных волн E _f, достигающих соответствующих f-х приёмных элементов антенно-фидерного устройства вследствие отражения излучаемой электромагнитной волны от произвольной i-й площадки dS _i :

где E _F - напряжённость электромагнитной волны в произвольный фиксированный момент времени, воспринимаемой антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, F – число воспринимающих электромагнитную волну элементов антенно-фидерного устройства,

– напряжённость поля падающей волны в положении f-го приёмного элемента,

– комплексный коэффициент передачи f-го приёмного элемента,

– угол падения волны с напряженностью

на f-й приёмный элемент.

В ходе взаимного движения происходит изменение взаимного положения любой рассматриваемой элементарной площадки, составляющей отражающую поверхность, и антенно-фидерного устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рис. 5, на котором показано визирование двигающейся площадки одним приёмным антенным элементом. На рис. 5 изображён пример распространения волн с напряженностью

(поз. 23),

(поз. 24) и

(поз. 25), отражённых i-й элементарной отражающей площадкой подстилающей поверхности dS _i по мере её движения через соответствующие точки пространства m-1 (поз. 26), m (поз. 27) и m+1 (поз. 28), и распространяющихся до произвольного f-го антенного элемента (поз. 29) антенно-фидерного устройства с комплексным коэффициентом передачи

и воспринимаемых им под углами α _m _-1(поз. 30), α _m (поз. 31) и α _m ₊₁(поз. 32) соответственно.

Тогда электромагнитная волна с напряженностью E _M, воспринимаемая антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, вследствие отражения излучаемой электромагнитной волны от произвольной i-й элементарной отражающей площадкой подстилающей поверхности dS _i по мере её продвижения относительно антенно-фидерного устройства через каждую m-ю точку пространства, где m=1…M, а M-общее число точек, представит собой сумму:

где E _M - напряженность электромагнитной волны, воспринимаемой антенно-фидерным устройством, вследствие отражения излучаемой электромагнитной волны от произвольной i-й элементарной отражающей площадкой подстилающей поверхности dS _i по мере её продвижения относительно антенно-фидерного устройства через каждую m-ю точку пространства,

– напряжённость поля падающей волны в положении f-го приёмного элемента при каждом m-м положении элементарной отражающей площадки, исчисляемая по формуле (5).

Соответственно, формулу (6) с учетом формулы (5) можно изложить в следующем виде:

где E _M - напряженность электромагнитной волны, F – число воспринимающих электромагнитную волну элементов антенно-фидерного устройства, M – число взаимных точечных положений отражающей точки и антенно-фидерного устройства,

(m) – напряжённость поля падающей волны в положении f-го приёмного элемента при m-м взаимном положении отражающей точки элементарной отражающей площадки и антенно-фидерного устройства,

– угол падения волны

на f-й приёмный элемент от m-ой точки пространства, при взаимном положении отражающей m-ой точки пространства и антенно-фидерного устройства.

Вследствие того, что полотно дороги или иная подстилающая поверхность представляется конечным числом элементарных отражающих площадок, диффузно рассеивающих электромагнитные волны согласно закону Ламберта, также обладает шероховатостью, выражающейся в различиях амплитуд и фаз отражаемых электромагнитных волн, в процессе электромагнитного облучения антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой) и приёма отражённых электромагнитных волн, суммарная электромагнитная волна представляет собой суперпозицию парциальных электромагнитных волн, соответствующих парциальным элементарным отражающим площадкам с индексом n, где n=1…N. Тогда формула суммарной напряжённости отражённой электромагнитной волны, воспринимаемой антенно-фидерным устройством при облучении полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой) и при приёме переотражённых электромагнитных волн, запишется так:

(8)

Где

суммарная напряжённость отражённой электромагнитной волны, воспринимаемой антенно-фидерным устройством при облучении полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой) и при приёме переотражённых электромагнитных волн,

– напряжённость парциальной принимаемый электромагнитной волны, соответствующий n-ой элементарной отражающей площадке согласно формуле предыдущего пункта.

Раскроем формулу (8), применяя формулу (7):

(9)

где

представляет напряжённость электромагнитной волны, отражённой элементарной отражающей площадкой с учётом фазы отражения ϕ, зависящей от шероховатости поверхности и конкретного положения элементарной отражающей площадки,

– угол падения волны

на f-й приёмный элемент в m-м взаимном положении отражающей точки и апертуры антенно-фидерного устройства.

При этом характер шероховатости и статистическое распределение фаз элементарных отражающих площадок не влияет на способ формирования принимаемого электрического скоростемерного сигнала, что позволяет применять настоящий способ определения скорости наземного транспортного средства для любых типов подстилающих поверхностей и полотен дорог.

При этом суммарной электромагнитной волне с напряжённостью E ₁, воспринимаемой антенно-фидерным устройством, предназначенным для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, соответствует суммарный электрический сигнал U ₁ _.

Осуществляем «перемножение» электрического сигнала U ₀, соответствующего излучаемой электромагнитной волне,и суммарного электрического сигнала U ₁, соответствующего принимаемой электромагнитной волне, в результате чего формируется квазигармонический скоростемерный электрический сигнал U, характеризующийся частотой f _S, смысл которой заключается в частоте пересечения каждой элементарной отражающей площадкой dS _i (по мере их перемещения относительно апертуры антенно-фидерного устройства) линий фазового распределения излучаемой электромагнитной волны, амплитудно-фазовое распределение которой в области падения на подстилающую поверхность близко к амплитудно-фазовому распределению плоской электромагнитной волны, характеризующейся средней длиной волны λ и углом θ, обозначенным между плоским фронтом падающей волны и подстилающей поверхностью, и поэтому связанной со скоростью движения транспортного средства формулой:

(10)

где υ - искомая скорость движения наземного транспортного средства, f _S – частота квазигармонического скоростемерного электрического сигнала U, λ – центральная длина волны электромагнитного колебания, излучаемого антенно-фидерным устройством,

– косинус угла ориентации фронта плоской излучаемой электромагнитной волны относительно полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой).

Описанный квазигармонический электрический скоростемерный сигнал связан со скоростью движения транспортного средства вследствие того, что каждая элементарная отражающая площадка, являющаяся составной частью полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой), относительно которой осуществляется измерение скорости движения наземного транспортного средства, по мере своего движения периодически пересекает расположенные в пространстве линий равных фаз фазового распределения излучаемой плоской электромагнитной волны (согласно рис. 1, на котором изображена «гребёнка»), что приводит к соответствующему переизлучению отражённых электромагнитных волн, периодическое изменение фаз которых соответствует скорости пересечения каждой элементарной отражающей площадкой линий равных фаз фазового распределения излучаемой плоской электромагнитной волны. Если же учитывать, что антенно-фидерное устройство, предназначенное для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, размещено на транспортном средстве и движется одновременно с транспортным средством, то скорость пересечения каждой элементарной отражающей площадкой линий равных фаз фазового распределения поля и есть скорость движения каждой такой элементарной отражающей площадки относительно антенно-фидерного устройства, причём эта скорость равняется скорости движения наземного транспортного средства относительно полотна дороги или иной подстилающей поверхности (в том числе шероховатой).

В частных вариантах выполнения изобретения суммирование парциальных отражённых волн, принимаемых элементами антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели, осуществляют разными способами.

В частном варианте выполнения изобретения осуществляют суммирование парциальных отражённых волн, принимаемых элементами антенно-фидерного устройства, при помощи интерференции электромагнитных волн, распространяющихся в антенно-фидерном устройстве, предназначенном для обработки сигналов, отражённых от пространственно-распределённой цели. Например, используют волноводно-щелевую антенную решётку или дифракционную антенну вытекающей волны.

В частном варианте выполнения изобретения используют микрополосковую антенную решетку. Например, используют микрополосковую антенную решетку, состоящую из медных проводников, нанесённых на печатную плату. В частном варианте выполнения при использовании микрополосковой антенной решетки, состоящей из медных проводников, нанесённых на печатную плату, осуществляют аналоговое суммирование электрических сигналов, имеющихся на выходе каждого элемента микрополосковой антенной решётки. В частном варианте выполнения, используя микрополосковую антенную решетку, состоящую из медных проводников, нанесённых на печатную плату, и осуществляя аналоговое суммирование электрических сигналов, имеющихся на выходе каждого элемента микрополосковой антенной решётки, используют микрополосковый сумматор. Кроме того, в частном варианте выполнения, используя микрополосковую антенную решетку, осуществляют суммирование цифровых сигналов, полученных с выхода каждого элемента микрополосковой антенной решётки путём аналогово-цифрового преобразования парциальных электрических сигналов в аналогово-цифровых преобразователях.

Предлагаемый способ измерения скорости движения наземного транспортного средства в ближайшей перспективе позволит с высокой точностью и надёжностью производить измерение скорости движения автомобильного и железнодорожного транспорта.

Источники информации

1. Практическая применимость результатов обработки радиолокационных сигналов в автоматизации процессов, обеспечивающих безопасное функционирование железнодорожного транспорта / М. А. Гурулёва, В. С. Марюхненко. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 8 (112). — С. 204-210. — URL: https://moluch.ru/archive/112/28139/ (дата обращения: 07.10.2021).

2. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983. 272 с.

3. Патент «Способ и система для радиолокационного измерения скоростей и координат объектов (варианты)» № RU 2255352 (опубликован 27.06.2005).

4. Патент «Устройство, работающее по принципу Доплера, для определения расстояния, пройденного транспортным средством» № US 4920345 (дата регистрации 24.04.1990).

5. Патент «Доплеровское радарное устройство со схемой для определения относительного направления движения относительно целевого объекта» № DE 2714365 (дата регистрации 05.10.1978).

Claims

1. Способ измерения скорости движения наземного транспортного средства, включающий излучение электромагнитных волн с помощью антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отраженных от пространственно-распределенной цели, и установленного на наземном транспортном средстве таким образом, чтобы максимум излучения электромагнитных волн был направлен в сторону подстилающей поверхности, прием электромагнитных волн, диффузно отраженных от подстилающей поверхности, при этом диффузное отражение каждой электромагнитной волны пропорционально косинусу угла визирования cos(φ), а подстилающая поверхность представлена набором элементарных отражающих площадок, каждая из которых является источником переизлученной электромагнитной волны, достигающей антенный элемент антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отраженных от пространственно-распределенной цели, «перемножение» электрического сигнала, соответствующего излучаемой электромагнитной волне, и суммарного электрического сигнала, соответствующего принимаемой электромагнитной волне, в результате чего формируется квазигармонический скоростемерный электрический сигнал, характеризующийся частотой f_S, отличающийся тем, что прием квазигармонического скоростемерного электрического сигнала осуществляют посредством одновременного приема его отраженным от ряда элементарных отражающих площадок пространственно-распределенной цели, находящихся под разными углами визирования относительно апертуры антенно-фидерного устройства, для чего суммарная длина L апертуры антенно-фидерного устройства составляет не менее десяти длин электромагнитных волн, излучаемых на центральной частоте электромагнитного колебания таким образом, чтобы напряженность суммарной принимаемой электромагнитной волны соответствовала

где E₁ - напряженность суммарной принимаемой электромагнитной волны;

E_ƒ(m,φ) - напряженность электромагнитной волны, отраженной элементарной отражающей площадкой с учетом фазы отражения ƒ;

A_ƒ - комплексный коэффициент передачи f-го приемного элемента;

cos(α_ƒ(m)) - угол падения волны E_ƒ на f-й приемный элемент в m-м взаимном положении отражающей точки и апертуры антенно-фидерного устройства, предназначенного для обработки сигналов, отраженных от пространственно-распределенной цели, при этом

скорость движения наземного транспортного средства определяют по формуле

где υ - скорость движения наземного транспортного средства;

ƒ_s - частота квазигармонического скоростемерного электрического сигнала U;

λ - средняя длина волны электромагнитного колебания, излучаемого антенно-фидерным устройством;

cos(θ) - косинус угла ориентации фронта плоской излучаемой электромагнитной волны относительно подстилающей поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что суммирование парциальных отраженных волн, принимаемых элементами антенно-фидерного устройства, осуществляют при помощи интерференции электромагнитных волн, распространяющихся в антенно-фидерном устройстве, предназначенном для обработки сигналов, отраженных от пространственно-распределенной цели.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенно-фидерное устройство выполнено в виде волноводно-щелевой антенной решетки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенно-фидерное устройство выполнено в виде дифракционной антенны вытекающей волны.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что антенно-фидерное устройство выполнено в виде микрополосковой антенной решетки.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что микрополосковая антенная решетка состоит из медных проводников, нанесенных на печатную плату.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что на выходе каждого элемента микрополосковой антенной решетки осуществляют аналоговое суммирование электрических сигналов.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для аналогового суммирования электрических сигналов используют микрополосковый сумматор мощности.

9. Способ по п. 5, отличающийся тем, что с выхода каждого элемента микрополосковой антенной решетки парциальные электрические сигналы преобразуют в цифровые сигналы путем аналогово-цифрового преобразования и осуществляют суммирование цифровых сигналов.