RU32287U1 - Радиолокационный дальномер - Google Patents

Description

где /г - измеряемая дальность;

1 о м/с - скорость света; Г- период модулирующего сигнала; FQ - частота биений;

4/- величина девиации частоты зондирующего сигнала.

Таким образом, усовершенствования радиолокационных дальномеров с ЧМ зондирующим сигналом в известных устройствах сводится к повышению точности измерения частоты биений и стабилизации девиации частоты зондирующего сигнала. соединенные генератор пилообразного напряжения, модулированный генератор СВЧ с

линейной ЧМ (ЛЧМ), смеситель, СВЧ фильтр, усилитель, второй смеситель, антенну, генератор фиксированной частоты, эталонную линию задержки, третий смеситель и контроллер. Рассматриваемый уровнемер также обладает малой точностью, т.к. повышение точности в данном устройстве достигается увеличением девиации частоты зондирующего сигнала (согласно 1 погрешность дискретности равна A/7 C/4Af). Поскольку увеличение девиации приводит к существенному росту нелинейности перестройки частоты, данное техническое решение направлено на линеаризацию процесса перестройки контрольным сигналом, полз енным с помощью эталонной линии задержки на поверхностных акустических волнах ( ПАВ). Таким образом, в данном устройстве ошибка дискретности уменьшается пропорционально увеличению девиации частоты (всего в несколько раз), а погрешность, обусловленная нестабильностью девиации частоты зондирующего сигнала, хотя и з Ееньшается, но зависит от стабильности и дисперсионности линии задержки. Дисперсионные свойства линии задержки тем больше, чем больше девиация частоты.

Известна также радиолокационная станция с частотной модуляцией 3, содержащая последовательно соединенные генератор сигнала треугольной или пилообразной формы, модулятор, генератор СВЧ, вентиль, циркулятор, антенну, а также смеситель, усилитель сигнала частоты биений, детектор (формирователь), регистрирующий в сигнале биений заранее заданные точки (нули, минимумы, максимумы), частотомер и устройство сглаживания дискретной ошибки.

Рассматриваемое устройство 3 также обладает недостаточной точностью, так как несмотря на существенное улучшение оценки разностной частоты, в нем не приняты меры для уменьшения погрешности за счет нестабильности девиации частоты зондирующего сигнала.

2 принятым за прототип, является радиолокационный дальномер согласно 4, содержащий

последовательно соединенные схему управления, генератор пилообразного напряжения, аналоговый умножитель, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель и антенну, а также формирователь частотных меток, подключенный ко второму выходу направленного ответвителя, выходы которого соединены со входами схемы управления и дискриминатора интервалов времени, а выход последнего через интегратор подключен ко второму входу аналогового умножителя. При этом второй выход приемно-передающего модуля через усилитель разностной частоты соединен со входами частотомера и схемы выделения экстремумов, выход которой подключен к третьему входу схемы управления.

В рассматриваемом устройстве 4 приняты меры для существенного уменьшения погрешности измерения дальности. С помошью формирователя частотных меток, схемы управления и дискриминатора интервалов времени стабилизируется крутизна изменения частоты зондирующего сигнала и тем самым уменьшается ошибка за счет нестабильности девиации частоты. Дискриминатор интервалов времени, интегратор и аналоговый умножитель устраняют скачки фазы в сигнале разностной частоты, что позволяет осуществить измерения частоты разностного сигнала не за один, а за несколько циклов изменения частоты зондирующего сигнала, и тем самым уменьшить ошибку дискретности.

Однако рассмотренное устройство-прототип 4 не лишено недостатков. Повышение точности обеспеченоприменением системы автоматического

регулирования, для осуществления которой потребовалось введение нескольких дополнительных устройств, что усложнило дальномер. Кроме того, он не обладает достаточной точностью по следующим причинам: является источником информации для ее работы. Кроме того, нестабильность

аналоговых устройств (интегратор и аналоговый умножитель) в цени автоматического регулирования дополнительно отрицательно сказывается на точности стабилизации как крутизны ЧМ сигнала, так и периода модуляции;

б)в рассматриваемом устройстве применен формирователь частотных меток, в котором фильтры работают на высокой частоте (частоте зондирующего сигнала), поэтому они имеют широкую полосу пропускания. А ширина полосы пропускания их пропорционально влияет на точность формирования частотных меток, т.е. на точность стабилизации девиации частоты, а, следовательно, на точность измерения дальности;

в)указанные фильтры, даже выполненные на ПАВ, обладают недостаточной стабильностью, поскольку на точность измерения дальности влияет не относительная стабильность, а абсолютная согласно (1). И даже тот факт, что при изменении температуры и других дестабилизирующих факторов частота настройки обоих фильтров изменяется в одну и ту же сторону, не избавляет дальномер от ошибки, связанной с нестабильностью девиации частоты, т.к. частота фильтра, настроенного на более высокую частоту, изменяется больше, чем частота фильтра, настроенного на нижнюю частоту (на величину Af-6f, где « относительная нестабильность фильтров);

г)имеется постоянная тенденция к повышению рабочей частоты радиолокационных дальномеров 2 с целью улучшения массогабаритных характеристик, а на частотах выше нескольких гигагерц фильтров со стабильными частотными характеристиками просто нет.

Анализируя приведенные соображения, можно показать, что трудно достигнуть с помощью рассматриваемого радиолокационного дальномера точности измерения лучше чем ± 1 см, однако достаточно сослаться на результат, полученный авторами патентапрототипа. Уровнемер, построенный по данному техническому решению, имел основную погрешность ±5 мм 5. Очевидно, что дополнительная погрешность, вызванная

Ш)

4

различными дестабилизирующими факторами (изменение температуры, влажности, давления, нестабильности источников питания, старение элементов), будет иметь не меньшую величину. Если такая погрешность может быть достаточной для высотомеров, то для таких устройств, как уровнемеры она совершенно недостаточна. Действительно, при типовых размерах резервуаров для хранения нефтепродуктов (, ) ошибка измерения уровня в 10 мм приводит к ошибке в определении объема в 3,15 м или массы около 3т.

Целью настоящего технического решения является повышение точности измерения дальности (уровня) и упрощение устройства.

Указанная цель достигается тем, что в радиолокационный дальномер, содержащий контроллер (схему управления), соединенный выходом со входом генератора пилообразного напряжения, приемно-передающий модуль, вход которого соединен с выходом модулятора, выход - со входом усилителя-формирователя сигнала разностной частоты, а вход-выход - с первым входом-выходом направленного ответвителя, второй вход-выход которого подключен к антенне, а выход - через формирователь частотных меток к первому входу контроллера, введен высокостабильный генератор, первый выход которого соединен со вторым входом контроллера, второй выход - со вторым входом формирователя частотных меток, выход генератора пилообразного напряжения подключен ко входу модулятора, выход усилителя-формирователя сигнала разностной частоты - к третьему входу контроллера. При этом вход формирователя частотных меток соединен с первым входом смесителя, второй вход через последовательно соединенные генератор гармоник и фильтр гармоник соединен со вторым входом смесителя, выход которого через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор является выходом формирователя частотных меток.

l(/)obm(f

программируемого контроллера и формирователя частотных меток в виде преобразователя частоты с высокостабильным сигналом в качестве гетеродина, позволяет за счет более точного измерения частоты (периода) биений прямого и отраженного сигнала уменьшить погрешность дискретности, а за счет точного измерения (не стабилизации) крутизны изменения частоты зондируюшего сигнала отказаться от системы автоматического регулирования (стабилизации) крутизны, что приводит к уменьшению общей погрешности измерения дальности (уровня) и упрощает устройство.

Предлагаемый радиолокационный дальномер иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема радиолокационного дальномера, на фиг.2 - схема формирователя частотных меток и на фиг.З - эпюры, поясняющие работу радиолокационного дальномера.

Радиолокационный дальномер на фиг. 1 содержит: высокостабильный генератор 1, контроллер 2, генератор пилообразного напряжения 3, модулятор 4, приемнопередающий модуль 5, направленный ответвитель 6, антенну 7, усилитель-формирователь сигнала разностной частоты 8, формирователь частотных меток 9.

Выход контроллера 2 подключен через последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения 3 и модулятор 4 ко входу приемно-передающего модуля 5, выход которого через усилитель-формирователь сигнала разностной частоты 8 соединен с третьим входом контроллера 2, а вход-выход - со входом-выходом направленного ответвителя 6, второй вход- выход которого подключен к антенне 7, а выход через формирователь частотных меток 9 к первому входу контроллера 2, причем первый выход высокостабильного генератора 1 соединен со вторым входом контроллера 2, второй выход - со вторым входом формирователя частотных меток 9.

Формирователь частотных меток 9 на фиг.2 содержит: генератор гармоник 10, фильтр гармоник 11, смеситель 12, узкополосный фильтр 13, амплитудный детектор 14.

mi{f/9 второй вход через последовательно соединенные генератор гармоник 10 и фильтр

гармоник 11 соединен со вторым входом смесителя 12, выход которого через последовательно соединенные узкополосный фильтр 13 и амплитудный детектор 14 является выходом формирователя частотных меток 9.

Радиолокационный дальномер работает следующим образом. Контроллер 2 из сигнала высокостабильного генератора 1 формирует прямоугольный импульс (фиг.За), определяюп1ий длительность цикла (Тц) перестройки ЧМ генератора СВЧ приемнопередающего модуля 5. Перестройка генератора осуществляется по пилообразному закону (фиг.Зб) с помощью генератора пилообразного напряжения 3 и модулятора 4.

С входа-выхода СВЧ приемно-передающего модуля 5 ЛЧМ сигнал поступает на направленный ответвитель 6, со второго входа-выхода которого основная часть мощности через антенну 7 излучается в направлении отражающей поверхности. С выхода направленного ответвителя 6 малая часть мощности ЛЧМ сигнала поступает на вход формирователя частотных меток 9. Принятый антенной 7 отраженный сигнал, текущая частота которого запаздывает относительно излучаемого (пунктир на фиг.Зб) поступает через направленный ответвитель 6 на СВЧ вход-выход приемно-передающего модуля 5. С выхода ( приемного) приемно-передающего модуля 5 сигнал разностной частоты (частоты биений Рб - фиг.Зв) через усилитель-формирователь сигнала разностной частоты 8 поступает на третий вход контроллера 2. Контроллер 2 осуществляет измерение периода разностной частоты (Тб) по следующему алгоритму. Первым импульсом разностной частоты (фиг.Зг) разрешается счет импульсов эталонной частоты (fi), второй импульс разностной частоты переписывает содержимое счетчика импульсов эталонной частоты в регистр памяти, третий и последующие импульсы разностной частоты осуществляют замену содержимого регистра-памяти на новое количество импульсов эталонной частоты из счетчика импульсов эталонной частоты. После окончания цикла перестройки в регистре-памяти будет храниться число

импульсов, соответствующее времени от первого до последнего импульса разностной частоты (фиг.Зд), т.е. длительности целого числа периодов разностной частоты.

Одновременно контроллер подсчитывает число (N) полных периодов разностной частоты, при этом длительность периода разностной частоты (биений) будет равна:

ЬМ9

где 1э у-период эталонной частоты;

HI - число импульсов в регистре памяти;

Л - число полных периодов разностной частоты, поступивших на вход 3 контроллера.

Очевидно, что максимальное отличие периода разностной частоты от истинного значения будет равно АТб r/JV - ошибка квантования. Таким образом, при описанном способе измерения периода биений ошибка измерения дальности может быть сделана исчезаюше малой. Ограничением являются только быстродействие и разрядность применяемых цифровых ИМС.

Для уменьшения ошибки измерения дальности за счет нестабильности крутизны ЧМ сигнала (или девиации частоты - Af) служит формирователь частотных меток 9.

Со второго выхода высокостабильного генератора 1 сигнал частотой , полученный умножением частоты опорного генератора (/}), поступает на вход генератора гармоник 10. Фильтр гармоник 11 выделяет две гармоники, частоты которых находятся в пределах диапазона перестройки ЧМ генератора и приближенно равны нижней и верхней границам девиации частоты (/ и на фиг. 36), которые поступают на второй вход смесителя 12. На первый вход смесителя 12 поступает ЧМ сигнал от направленного ответвителя 6. После преобразования, фильтрации в узкополосном фильтре 13 и детектирования амплитудным детектором 14 сформированные короткие импульсы

т - 1

,(2) (фиг.Зе), интервал времени между которыми соответствует времени перестройки ЧМ

сигнала на величину Л f (от: /н до Те), поступают на первый вход контроллера 2. Контроллер 2 осуидествляет измерение времени перестройки ЧМ сигнала от/, до fg (Т), подсчитывая число импульсов (п2) эталонной частоты в интервале между импульсами на входе 1 (фиг.Зж). Очевидно, что измеренное значение указанного интервала времени равно и будет отличаться от истинного значения не более чем на период эталонной частоты (Гэ). Величина у в (1) представляет собой крутизну перестройки частоты ЧМ сигнала. Под действием дестабилизирующих факторов крутизна не остается постоянной, что и является другим источником погрешности измерения дальности. В описываемом радиолокационном дальномере повышение точности достигается тем, что при определении дальности используется измеренное на каждом цикле перестройки значение крутизны (измеряется Т при высокой стабильности Af).

Заметим, что параметры устройств, входящих в формирователь частотных меток 9 (фильтр гармоник 11, узкополосный фильтр 13 и др.) практически не влияют на точность измерения, так как нестабильность параметров генератора гармоник 10 и фильтра гармоник 11 не может влиять на стабильность частот у и j, а нестабильность параметров узкополосного фильтра 13 может влиять только на положение интервала времени Т (фиг.Зе) на оси времени в пределах длительности цикла перестройки Тц и не влияет на его величину.

Высокая стабильность современных опорных генераторов позволяет пренебречь погрешностью измерения дальности за счет нестабильности частот // и 2 высокостабильного генератора 1. Действительно, опорные генераторы, например, типа «Сонет, «Соната, «Гладиолус 6 имеют кратковременную нестабильность частоты порядка 10 и долговременную (годовую) - 10, в диапазоне рабочих температур от минус 50 °С до 70 °С, что на несколько порядков превышает стабильность частоты, требуемую для получения разумной точности измерения дальности. После окончания

цикла перестройки (Тц) контролер 2 вычисляет дальность до поверхности согласно (1) с учетом измеренных значений Т и Те.

h j K K-,(3)

„ с где 2 - постоянный коэффициент, зависящий от параметров конкретного

дальномера (zJ/).

Учитывая, что погрешности, обусловленные неточностью измерения частоты биений и нестабильностью крутизны ЧМ сигнала независимы (первая вызвана некратностью периода биений и длительности цикла перестройки и зависит в конечном итоге от измеряемой дальности, а вторая - от нестабильности крутизны ЧМ), максимально возможное значение среднеквадратической погрешности измерения можно

определить какг

Ah KN -L,+а относительную величину погрешности как

eh (4+4f5)

Если, например, в радиолокационном дальномере использовать 16-разрядный контроллер и допустить заполнение счетчика и регистра-памяти на две трети ( «2 4-10), то можно получить относительную погрешность дальномера 5h «3-10

В качестве высокостабильного генератора 1 в радиолокационном дальномере, как указано выше, могут быть применены опорные генераторы типа «Гладиолус и др. 6 с умножителем для получения сигнала частотой 2 или генераторы, описанные в 7 с выходной частотой снабженные цифровым делителем для получения сигнала

гТт Nn-,

h / ,(4)

л/ hj

частотой//.

Контроллер 2 с описанными функциями может быть реализован всего на одной нрограммируемой микросхеме (ПЛИС) или, если нет ограничений относительно массогабаритных характеристик, на элементах жесткой логики различной степени интеграции.

Можно на конкретном примере показать, что нестабильность элементов дальномера практически не влияют на величину погрешности измерения. Допустим дальномер имеет следующие параметры:

Af f2 300МГц; у 1,5-10 Гц/с; т ; .1-lO- c;

(); t,--L - 0,5л.. Положим для примера, что измеряемая дальность равна /г-20,11 м, и рассчитаем

согласно описанному показанию дальномера.

Tf- 49,7265 мкс; 2yh NT,

20885,2 20885;

п

Здесь квадратные скобки означают целую часть

h 0,5 20885 Допустим далее, что относительное

ПОД действием дестабилизирующих факторов составляет 10, тогда ,575-70 Гц/си соответственно параметры, зависящие от у, изменяются следующим образом: Т 1,9802 мс; ,2342 мкс;

20,1101м. изменение скорости перестройки сигнала ЧМ Заметим, что изменение отсчета дальности при разных скоростях перестройки ЧМ

сигнала в данном случае объясняется только влиянием ее на соотношение величин Тц, Т и 4, а малая величина ошибки измерения - удачным соотношением этих величин при данной конкретной дальности. Однако во всех случаях относительная ошибка измерения дальномером с такими параметрами не будет превышать

й J- + s5-10 h hi

М KNSh м мм.

Приведенный пример наглядно подтверждает, что технический результат от использования предлагаемого радиолокационного дальномера заключается в уменьшении общей погрешности измерения дальности или уровня жидкости в резервуарах большой емкости, что, в свою очередь, повысит точность определения массы продукта, находящегося в резервуаре.

Кроме того, исключение устройств прототипа, осуществляющих стабилизацию крутизны ЧМ сигнала (интегратора, дискриминатора интервалов времени, аналогового умножителя и измерителя частоты), существенно упрощает радиолокационный дальномер.

Предлагаемый радиолокационный дальномер легко реализуется на известных промышленно выпускаемых элементах и узлах, в частности:

высокостабильный генератор 1 - устройство, выпускаемое промышленностью и широко применяемое в технике связи, измерительной технике и др. 6,

контроллер 2 - может быть реализован на ПЛИС, фирмы ALTERA или элементах жесткой логики, например серий 133, 1533, 1534 и др. 8,

- приемно-передающий модуль 5 представляет собой широко известную высокочастотную радиолокационную головку, применяемую в различных радиолокационных устройствах, например, высотомерах, уровнемерах, автомобильных радарах и т.д., основными составляющими которой являются ЧМ генератор и балансный смеситель 1, 10, 15,;

- направленный ответвитель 6 и другие элементы СВЧ техники (генератор гармоник 10, фильтр гармоник 11, смеситель 12) в зависимости от выбранного диапазона частот могут быть выполнены в полосковом или волноводном исполнении по известным технологиям 11, 12, 15,;

антенна 7 представляет собой узконаправленную рупорную или типа обратной волны антенну, широко применяемую в радиолокационной дальнометрии. 10, 12,

низкочастотные устройства (усилитель-формирователь сигнала разностной частоты 8, модулятор 4, узкополосный фильтр 13, генератор пилообразного напряжения 3, амплитудный детектор 14 легко выполняется на аналоговых ИМС широкого применения, например, серий 198, 554 и др. 8, 14. Представленные чертежи и описание радиолокационного дальномера в целом и отдельных его составляющих, позволяют используя суш;ествующую элементную изготовить его промьппленным способом и использовать по своему прямому назначению, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости предлагаемой полезной модели.

Источники информации

1.Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства, М., «Сов.радио, 1975 г., стр.77.

2.Радиолокационный уровнемер диапазона 24 ГГц, «Новости СВЧ-техники №12, 2000 г.. Информационно-рекламный сборник. ГНПП «Исток.

3.Заявка Японии 30-1591, МКИ5 G01S 13/34. Способ измерения дальности при помош;и частотно-модулированного сигнала и радиолокационная станция с частотной модуляцией. Изобретения стран мира, 1985г № 115 стр.29.

9С, .,

13

4.Патент РФ № 2151408 , МПК6 GO IS 13/34. Радиолокационный дальномер . БИ

№ 17,2000г.

5.Езерский В.В., Болоний В.А., Баранов И.В. СВЧ-уровнемер с весовым сглаживанием дискретной ошибки. Доклад на Крымской конференции «Microwave &Telecommunication Technology, 9-13 Сентября 2002 г., Севастополь, Крым, Украина.

6.Изделия промышленности средств связи. Сер.2. Аппаратура радиосвязи, радиовещания и телевидения. Номенклатурный каталог на 1993 г., М., ЭКОС, 1992 г.

7.Джин Хофтман. Кварцевая индустрия. Новые технологии и разработки. Инженерная микроэлектроника, сентябрь 1999 г.

8.Номенклатура высокотехнологичных ИЭТ, рекомендуемых к применению в РЭА двойного назначения, М, Ассоциация «Фонд УНИЭТ, 2001 г.

9.Шило В.Л. Популярные микросхемы ТТЛ, М, «Аргус, 1993 г.

10.Справочник. Авиационная радионавигация, п/р А.А.Сосновского , М., «Транспорт, 1990 г., стр.212.

11.Лебедев К.В. Техника и приборы СВЧ, М., «Высшая школа, 1970 г.

12.Сазонов Д.М. Антенные устройства СВЧ, М., «Высшая школа, 1988 г.

13.Рудольф Кюн. Микроволновые антенны, М., «Судостроение, 1967 г.

14.Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные микросхемы, Минск, Беларусь, 1994г.

15.Новый радиолокационный приемопередатчик непрерывного режима с частотной модуляцией и моноимпульсной обработкой. «Новости СВЧ-техники №6, 2000 г., стр.20. Информационно-рекламный сборник ГНПП «Исток.

16 Галин А.С. Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ, М., «Связь, 1976 г., стр.168.

Claims (2)

1. Радиолокационный дальномер, содержащий контроллер, соединенный выходом со входом генератора пилообразного напряжения, приемно-передающий модуль, вход которого соединен с выходом модулятора, выход - со входом усилителя-формирователя сигнала разностной частоты, а вход-выход - с первым входом-выходом направленного ответвителя, второй вход-выход которого подключен к антенне, а выход через формирователь частотных меток - к первому входу контроллера, отличающийся тем, что в него введен высокостабильный генератор, первый выход которого соединен со вторым входом контроллера, второй выход - со вторым входом формирователя частотных меток, выход генератора пилообразного напряжения подключен ко входу модулятора, выход усилителя-формирователя сигнала разностной частоты - к третьему входу контроллера.

2. Радиолокационный дальномер по п.1, отличающийся тем, что вход формирователя частотных меток соединен с первым входом смесителя, второй вход через последовательно соединенные генератор гармоник и фильтр гармоник соединен со вторым входом смесителя, выход которого через последовательно соединенные узкополосный фильтр и амплитудный детектор является выходом формирователя частотных меток.