SE456867B - Saett att uppmaeta avstaand och/eller hastighet mellan tvaa foeremaal - Google Patents

Description

u.- 456 867 z position enkelt beräknas ur trigonometriska samband. Noggrannheten i positions- bestämningen är direkt proportionell mot noggrannheten i avståndsbestämningen.

Enligt föreliggande uppfinning elimineras helt de ovan angivna problemen, och sättet enl. uppfinningen medger en avståndsbestämning med mycket hög noggrann- ä het även under dynamiska förhållanden där såväl avstånd som momentan hastighet 'föremålen emellan kan bestämmas.

Föreliggande uppfinning hänför sig således till ett sätt att uppmäta avstånd och/eller hastighet mellan två föremål, vilka föremål innefattar en sändar- och mottagarenhet resp. en transponder eller reflektor, där en fasjämförelse utföres mellan en av sändar- och mottagarenheten utsänd signal och från trans- pondern eller reflektorn mottagen: signal, där sändar- och mottagarenheten brin- rgas att utsända signaler av mikrovågsfrekvens, företrädesvis omkring 2Ä50 MHz, så att en första signal med en första frekvens utsändes och så att därefter åt- minstone en andra signal utsändes med högre eller lägre frekvens och så att därefter en tredje signal utsändes med sama frekvens som förstnämnda signal, varvid för varje utsänd signal fasskillnaden q mellan utsänd och mottagen sig- nal bildas, vilka fasskillnader motsvarar avståndet mellan sändar- och mottagar- enheten och transpondern, och utmärkes av, att nämnda andra signal innefattar en första serie av signaler bildande en frekvensserie av successivt stigande fre- kvenser och en andra serie av signaler bildande en frekvensserie av successivt fallande frekvenser, vilka serier utsändes i följd, varvid en signalbehandling utförs, vilken motsvarar att bilda ett medelvärde av den resp. fasskillnadsänd- ring med frekvensen, som uppträder vid serien av stigande frekvenser resp. se- rien av fallande frekvenser, vilket medelvärde motsvarar nämnda avstånd.

Nedan beskrives uppfinningen närmare i samband med olika diagram på bifogade ritning, där - figur l, 3, Ä och 6 är diagram utvisande fasskillnad avsatt mot frekvens, - figur 2 är ett diagram utvisande frekvens avsatt mot tid, - figur 5 är ett diagram utvisande fasskillnad avsatt mot rådande frekvens vid olika mätningar (i).

Vid avståndsmätning med fasdifferensmätning blir fasskillnaden mellan utsänd och mottagen signal Q w] - ZR q=_¿- <1) där w1 är vinkelfrekvensen hos en signal med frekvensen Fl.

Avståndet blir då' c _ d (2) 456 867 Som ovan nämnts är det maximalt entydiga avståndet R = 2 .c (3) Förutsatt att man mäter vid en andra frekvens F2 kan avståndet beräknas ur sambandet c ' (1152 ' (P1) Rbï-'mrï-frr) W Det maximala entydiga avståndet blir då _ c Rmax _ 2 ' iF2 - Fil Mätning vid två frekvenser Fl och F2 illustreras i figur l där ett diagram av- seende fasskillnaden o som funktion av frekvensen F. Genom lutningen på en linje mellan de två mätpunkterna bestämmes således avståndet, såsom framgår av sam- bandet (Ä).

Det ovan sagda gäller dock endast under förutsättning att avståndet R är konstant.

Noggrannheten ökar med ökande frekvensskillnad. Emellertid minskar det entydiga avståndet.

Om föremålen rör sig relativt varandra blir felet i det uppmätta avståndet F2'V°t “fa = *rr-n- där v är relativhastïgheten mellan föremålen och t är tiden mellan mätningarna.

Enligt föreliggande uppfinning elimineras detta fel genom att ytterligare en fasmätning utöver de två nämnda genomföras där den ytterligare fasmätningen sker vid en lägre frekvens än den högsta frekvensen F2. Exempelvis antages att den tredje fagnätningen sker vid frekvensen Fl, och genomföres vid tiden Zt.

Således utsändes en första signal med frekvensen Fl, en andra signal med en frekvens FZ som skiljer sig från frekvensen Fl och en tredje signal med samma frekvens Fl som den första signalen. 456 867 Antag att avståndet R ändras likformigt med tiden enl. uttrycket R(t)=R°+v~t (6) där Ro är avståndet vid tiden t = o.

Fasskillnaden dz härrörande från fasmätningen med frekvensen F2 vilken skedde vid tiden t kan på motsvarande sätt som uttrycket l tecknas - w - R 2 ' w ' v ' t Öz = Z 0 + 2 C C Pâ motsvarande sätt som uttrycket (7) kan da tecknas 2'W'R 2W1'V'2't ó3 = + (3) C C I figur 2 illustreras det ovan sagda genom att räta linjer dragits mellan ko- ordinaterna som utgöres av utsänd frekvèns.F vid tiden b, t och Zt.

I figur 3 illustreras de fasskillnader d som uppträder som funktion av utsänd 3 frekvens där räta linjer dragitsmellan mätpunkterna.

En linje Ll mellan fasskillnaderna som uppträder vid mätningen med frekvensen Fl vid tiden o och med frekvensen F2 vid tiden t har en lutning som avviker från den streckade linjens L2 lutning. Den streckade linjen L2 är lika den i figur 1 visade linjen. Skillnaden l lutning beror av relativhastigheten mellan föremålen. Linjen L3 sammanbínder de fasskillnader som uppträder vid mätningen med frekvensen FZ vid tiden t och med frekvensen Fl vid tiden 2t.

Ur lutningen hos den streckprickade linjen Lä kan avståndet bestämmas vid tiden t.

Härför bildas medelvärdet av dï och d3 kallat då 1' 1' ' 4>h=---2 +-_- _ (s) Avstårdet beräknas ur sambandet (Å) där dh insättes istället för dï. '_4se 867 V11 Genom att bilda dz - åk enl. 2(w2 - wl) -R 2 ' (wz - wl) ' v ' t l2 -é Ä ' c O + c (10) framgår att beräknade avståndet blir Rber = Ro + v't, dvs det verkliga avståndet vid tiden t.

Avståndet beräknas således medelst uttrycket -n -w +i>/2> R= m) vilket motsvarar lutningen på linjen LÅ.

Detta gäller under förutsättning att hastigheten är likformig samt att mät- ningarna sker med konstant tidsmellanrum.

Enligt uppfinningen kan även den momentana hastigheten bestämmas genom att bilda skillnaden mellan d3 och oï, 2 wl - v - 2 ' t 1=---;---- (12) v - (èg _ èl) . C (13) “Tñš-T Genom att utnyttja tre fasvinklar av vilka två uppträder vid samma frekvens kan avståndet enkelt bestämmas även om sändar- och mottagarenheten och trans- pondern rör sig relativt varandra. Företrädesvis har den första och den tredje signalen en frekvens av företrädesvis ZÄSO MHz och frekveasskillnaden mellan dessa signalers frekvens och nämnda andra signals frekvens Fl är väsenligt lägre företrädesvis 50 kHz till 50 MHz.

Enligt en föredragen utföringsform utsändes flera serier av nämnda första, andra och tredje frekvens i succesiv ordning, där frekvensskillnaderna mellan den andra signalen F2 och de övriga två signalerna F1,F1 stiger, vilket mot- svarar ett succesivt minskande entydigt avståndsïntervall.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är nämnda serier av nämnda första andra och tredje signal åtminstone tre till antalet där nämnda frekvensskill- ander stiger enl. en serie som är en jämn multipel av den lägsta frekvensen, företrädesvis serien 50 kHz, 500 kHz och 5 MHz, vilket exemplifieras nedan. 456 867 Genom att genomföra flera mätningar enligt ovan med succesivt minskande avstånd, dvs med en succesivt ökande skillnad mellan frekvenserna F2 och Fl, kan man er- hålla hög noggrannhet och stort entydigt avstånd.

Med en första serie av den första, den andra och den tredje signalen kan man t.ex. bestämma avståndet inom ett intervall på 300 meter om mätområdet är Û-300 meter. Härvid skall frekvensskiilnaden F2-Fl vara 50 kHz. Frekvensen Fl kan då vara exempelvis 2ü50 MHz. Med en andra serie kan man bestämma avståndet till ett intervall om 30 meter, varvid frekvensskillnaden F2-Fl skall vara S00 kHz. Med en tredje serie vid frekvensskillnaden 5 MHz bestämmas avståndet till ett 3 meters intervall, o.s.v. Den slutliga noggrannheten bestäms av nog- grannheten inom det minsta intervallet, t.ex. inom 3 meters intervallet, vilket motsvarar en frekvensskillnad av 50 MHz. I de tidigare mätningarna fordras endast en sådan noggrannhet att rätt intervall bestämmes.

Istället för att först utsända en frekvens F1 följt av en högre frekvens F2 som i sin tur följs av den först utsända frekvensen Fi, kan den andra utsända frek- vensen F2 vara lägre än Fl.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utnyttjas en modifierad fonn av den ovan angivna metoden, vilken utmärkas av att nämnda andra signal inne- fattar en första serie av signaler bildande en frekvensserie av succesivt stig- ande frekvenser och en andra serie av signaler bildande en frekvensserie av succesivt fallande frekvenser, vilka serier utsändes i följd.

Enligt en föredragen utföringsform är skillnaden mellan två närbelägna frek- venser konstant i båda frekvensserierna, företrädesvis omkring 50 kHz.

Denna utföringsform beskrives nedan.

Fasskillnaden m mellan utsänd och mottagen signal som funktion av den utsända frekvensen F kan tecknas z-ff-F-z-R c m) MF) = Om man deriverar ®(F) med avseende på F erhålles dâFir) :L- Z - R H5) 456 867 Analogt med vad som ovan beskrivits beträffande sambandet (H) kan således av~ ståndet R bestämmas ur funktionens ç(F) lutningskoefficient, nämligen R = k - fl- ~ (16) Genom att utnyttja endast tvâ punkter på en kurva, såsom tidigare beskrivits, går mätning och beräkning snabbt.

Emellertid, genom att utnyttja flera punkter på en kurva kan lutningskoefficien- ten k bestämmas med högre noggrannhet på grund av möjligheten till medelvärdes- bildning.

Vissa typer av störningar, såsom störningar på grund av reflexer mot föremål i naturen, d.v.s. störningar av den s.k. multiple~path typen, undertrycks_på detta sätt. Lutningskoefficienten bestäms nämligen huvudsakligen av avståndet för den starkaste signalen, vilken i allmänhet är den direkta signalen.

Fasbidragen från signaler förutom de direkta signalerna adderas.till de direkta signalerna. De övriga signalerna kommer att visa sig som svävningar i den upp- mätta fasfunktionen. I figur Ä visas en fasfunktion med en heldragen linje L5. lndifekta signaler som är närvarande uppträder som svävningar, ex.vis som den streckade kurvan L6 visar.

Förutom att utnyttjandet av flera punkter för att bestämma faskurvan medför att fel på grund av svävningar minskar inses att ju större frekvensområde som ut- nyttjas, desto större undertryckning av de indirekta signalerna erhålles. Även vid denna utförinsform fås ett fel i avståndsmätningen om föremålen rör sig relativt varandra om endast exempelvis en stigande serie av frekvenser utsänds.

Enligt uppfinningen utnyttjas därför två frekvensserier, nämligen dels en serie av stigande frekvenser, dels en serie av fallande frekvenser.

Exempelvis kan den stigande frekvensserien vara Fil) = Fo + i dF, där i = O,N (17) och fallande frekvensserien vara F(i) = ro + N - dr + (N-1)dF, där i = N + 1,2N (18) 456 867 Den sammanlagda serien går således från frekvensen Fo upp till frekvensen Fo + Ndf och sedan ned till Fo, och omfattar totalt 2N + 1 mätningar.

Antag att fasmätningen genomföres med tidsmellanrummet ti och att avståndet mellan föremålen är en linjär funktion av tiden enl. sambandet (6).

Den uppmätta fasen kan för frekvensserien (17) då uttryckas h . . 4,i(F)=-Él*- (FO+|aF)(RO+|-t1-v) (19) vilket ger MF) =%' -(F0-R°+i-d|=-R°+i-Fo-q-vi-i-i-dr-q-v) (20) På motsvarande sätt kan den uppmätta fasen för frekvensserienl(i8) uttryckas Q MFF? -(Fo-R°+(2N-i)dF-RO+i-F°-:1-v+(2N-i)-i-dF-cï-v) (21) De olika faserna @í(F) enl. uttrycket (20) motsvarar linjenL15 i figur 6 och de olika faserna çi(F) enl. uttrycket (21) motsvarar linjen L16 i figur 6.

Genom att bilda en serie medelvärden av punkterna çí(F) motsvarande linjerna L7 och L8 bildas värden motsvarande den streckprickade linjen L9.

Nämnda serie kan tecknas (sun: = 'ii * 'i2N-1 där i = o,N (22) 2 . . Éambandet (22) kan även tecknas utskrivet u . .

(Sung CJ '(F0-Ro+|dF-R°+N~Fo-t1-v+«-N-dF-tï-v) (23) där i = 0,N lutningskoefficienten k blir enl. sambandet (15) än c-dF k = - (dF-RJN-dF-ti-v) (214) Det beräknade avståndet blir enl. sambandet (16) dr- Roni-dr-t, ~v “ber r __~dT-“_ = Rawia-V (25) vilket motsvarar det verkliga avståndet vid tidpunkten t_= N'ti. 456 867 Således påverkas inte avståndet av hastigheten.

Således kan fasskillnaderna d(F) enl. sambandet dSUHi ovan utnyttjas för att via en beräkning av lutningskoefficienten för en rät linje på vilken värdena $SUMi ligger utnyttjas för att beräkna avståndet R.

Hedelvärdet för lutningskoefficienten k bestäms genom linjär regression enl. minsta kvadratfelsmetoden på känt sätt eller genom någon annaikänd medelvärdes- bildningsmetod.

Den sålunda erhållna lutningskoefficienten k insättes i sambandet (26) ovan, varvid avståndet beräknas. .

Vid mätning enl. frekvensserierna (17) och (18) erhålles en mängd fasskillnader.

De sålunda uppmätta fasskillnaderna kan exempelvis ge fasskillnader d såsom visas i figur 5, där d visas som funktion av i, d.v.s. den frekvens som utsändes vid den i:te sändningen. Anledningen till sågtandskurvan är att fasskillnaden maximalt kan bli Zfl. Därför måste fashoppen uträtas vid varje passage av Zn .

Detta kan ske enl. följande algoritm.

Om di+l ~ di < dv så skall $i+1 âsättas värdet di+1 = dig, + Zu där i = 0,N-l.

Om d¿+1 - di > dv så skall ®í+1 åsättas värdet di+1 = di+1 - Zn där i = N,2N-l.

Vinkeln dv ligger inom intervallet 0-Zn och är lämpligen omkring 0 vid statiska mätningar och väljs större med ökande hastighet v.

Företrädesvis kan vv väljas enl. sambandet LÜf.F°t-|.V l>=-------. m.) V C Grafiskt motsvarar nämnda algoritm att de heldragna kurvavsnitten LIO-Llü i figur 5 uträtas till den streckprickade kurvan Ll5,Llß.

Figur 6 motsvarar, som framgår ovan, principiellt figur 3. Lutningskoefficíenten för den streckprickade kurvan L9 motsvarar, som sagts, avståndet.

Det är även möjligt att, såsom ovan angivits i anslutning till sambandet (13), beräkna den momentana hastigheten till ($i=zN * wise) '° V = zN-t]-za -F (277 0 456 867 10 m» Det är således uppenbart att föreliggande andra utföringsform ger ett mycket nwgmmtræuhfl.

Emellertid är det enl. en ytterligare utföringsform av uppfinningen föredraget att kombinera en mätning enl. den första nämnda utföringsformen för att därvid bestämma inom vilket avståndsintervall transpondern befinner sig relativt sändar- och mottagarenheten och därefter utnyttja den sistnämnda utföringsformen för att med hög noggrannhet bestänma var inom det fastslagna intervallet som transpondern befinner sig. Härigenom behöver först endast ett fåtal frekvenser utsändas för att bestämma exempelvis ett intervall om 3 meter, varefter en stigande och en fallande frekvensserie bestående av ett mindre antal frekvenser utsändes.

Denna kombinerade utföringsform medför således att antalet utsända frekvenser reduceras samtidigt som noggrannheten blir hög. Vidare uppnås att den totala tiden för en mätning reduceras, vilket är en avsevärd fördel när hastigheten v i systemet är hög.

Istället för att utsända en första frekvensserie med stigande frekvenser följt .à av en andra frekvensserie med fallande frekvenser, kan en första frekvensserie av fallande frekvenser följt av en andra frekvensserie av stigande frekvenser utsändas.

Det är uppenbart av det ovan sagda att föreliggande uppfinning eliminerar samt- liga de inledningsvis nämnda problemen och utgör ett stort framsteg för mät- tekniken.

Föreliggande uppfinning skall inte anses begränsad till de ovan angivna ut~ föringsformerna utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram. av:

Claims (7)

1. 456 867 ll Patentkrav l. Sätt att uppmäta avstånd och/eller hastighet mellan två föremål, vil- ka föremål innefattar en sändar- och mottagarenhet resp. en transponder eller reflektor, där en fasjämförelse utföres mellan en av sändar- och mottagarenhe- ten utsänd signal och från transpondern eller reflektorn mottagen signal, där sändar- och mottagarenheten bringas att utsända signaler av mikrovâgsfrekvens, företrädesvis omkring 2450 MHz, så att en första signal med en första frekvens utsändes och så att därefter åtminstone en andra signal utsändes med högre el- ler lägre frekvens och så att därefter en tredje signal utsändes med samma frekvens som förstnämnda signal, varvid för varje utsänd signal fasskillnaden ö mellan utsänd och mottagen signal bildas, vilka fasskillnader motsvarar av- ståndet mellan sändar- och mottagarenheten och transpondern, k ä n n e t e c k - n a t a v, att nämnda andra signal innefattar en första serie av signaler bil- dande en frekvensserie av successivt stigande frekvenser och en andra serie av signaler bildande en frekvensserie av successivt fallande frekvenser, vilka se- rier utsändes i följd, varvid en signalbehandling utförs, vilken motsvarar att bilda ett medelvärde av den resp. fasskillnadsändring med frekvensen, som upp- träder vid serien av stigande frekvenser resp. serien av fallande frekvenser, vilket medelvärde motsvarar nämnda avstånd.
2. 2. Sätt enl. krav l, k ä n n e t e c k n a t a v; att den första och den tredje signalen har en frekvens, företrädesvis av ZÅSO MHz och att frekvens- skillntden mellan dessa signalers frekvens och nämnda andra signalers frekvens är väsentligt lägre, företrädesvis 50 kHz till 50 MHz.
3. 3. Sätt enl. krav 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att skillnaden mellan två närbelägna frekvenser är konstant i båda frekvensserierna, företrädesvis om- kring 50 kHz. Å.
4. Sätt enl. krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a t a v, att flera serier av nämnda första, andra och tredje signal utsändes i successiv ordning, där frekvensskillnande mellan den andra signalen och de övriga två signalerna stiger, vilket motsvarar ett successivt minskande entydigt avståndsintervall mellan föremålen.
5. 5. Sätt enl. krav l, 2, 3 eller H, k ä n n e t e c k n a t a v, att i ett första steg flera serier av nämnda första, andra och tredje signal utsändes i successiv ordning, där frekvensskillnanden mellan den andra signalen och de två övriga signalerna stiger, vilket motsvarar successivt minskande entydigt av- ståndsintervall mellan föremålen och av, att i ett andra steg nämnda två frek- 456 867 12 vensserier av successivt stigande resp. Fallande frekvenser utsändes, varvid av- ståndet inom det entydiga avståndsintervallet bestämmas. fi'
6. 6. Sätt enl. krav ä eller 5, k ä'n n e t e c k n a t a v, att nämnda se- rier av nämnda första, andra øch tredje signal är åtminstone tre till antalet och att nämnda frekvensskíllnader företrädesvis stiger enl. en serie, som är en jämn multipel av den lägsta frekvensskillnaden, företrädesvis serien 50 kHz, 500 kHz och 5 MHz.
7. 7. Sätt enl. krav 1, 2, 3, Å, S eller 6, k ä n n e t e c k n a t a v, att skillnaden mellan den uppträdande fasskillnaden vid utsändandet av den först ut- sända frekvensen och den uppträdande fasskillnaden vid den sist utsända frekven- sen, vilken är lika med den först utsända frekvensen, bildas, vilken skillnad motsvarar den momentana hastigheten relativt föremålen. li