SU1525579A1 - Устройство дл обработки сигнала лазерного доплеровского анемометра - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  скорости и повышение степени автоматизации работы устройства. Устройство работает в двух режимах: "Поиск" (обзор спектра входного сигнала) и "Слежение". Радиосигнал лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) через входной фильтр 17 и блок 15 автоматической регулировки амплитуды поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, где перемножаетс  с выходным сигналом квадратурного генератора 3, управл емого напр жением (ГУН). С выхода смесител  через управл емые фильтры нижних частот (УФНЧ) 8, 9 сигналы поступают параллельно на амплитудный детектор 7 и формирователи 6, 10 импульсов. Импульсы, поступающие с формировател  10, подаютс  на входы многовходового логического узла 4 коммутации, состо щего из управл емых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управл ет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подаетс  через диапазонные компараторы 13, 14 на управл ющие входы логического узла 4. На другие управл ющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с выхода таймера 11 и компаратора 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управл ет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устройство работает в режиме "Поиск", при этом логический узел 4 вырабатывает сигналы "Сканирование" и "Сброс" дл  управлени  четырехканальным коммутатором 26,  вл ющимс  входным логическим звеном интегратора 5. При наличии доплеровского сигнала (режим "Слежение") информационные импульсы с выхода узла 4 управл ют добавлением порций (квантов) положительного или отрицательного зар да, поступающих из бипол рного источника 27, вход щего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимаетс  с выхода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Description

ел to

ел ел

со

, а входы многовходового логического узла 4 коммутации, состо щего из уп- равп ечых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управл ет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подаетс  через диапазонные компараторы 13, 14 на управл ющие входы логического узла 4. На другие управл ющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с вы- хода таймера 11 и компарато 1а 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управл ет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устройство работает в режиме Поиск, при этом логический узел 4 вырабаты-вает сигналы Сканирование и Сброс дл  управле1ш  четьфехканальным коммутатором 26,  вл ющимс  входным логическим звеном интегратора 5. При на-, личии доплеровского сигнала (режим-. Слежение) информационные импульсы с выхода узла 4 управл ют добавлением порщ1й (квантов) положительного или отрицательного зар да, поступающих из бипол рного источника 27, вход щего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимаетс  с вькода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относитс  к измеритель ной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии дл  измерени  скорости движени  светорассеивающих поверхностей, жидкостей и газов.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  скорости и повышение степени автоматизации работы устройства .

На чертеже представлена блок-схе- ма устройства.

Устройство содержит двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, квадратурный генератор 3, управл емый напр жением (ГУН), узел 4 коммутации, ий- тегратор 5, первый формирователь 6 импульсов , мгновенный амплитудный детектор 7, двухканальный управл емый фильтр 8,9 низких частот, второй формирователь 10 коротких импульсов, таймер. 11, первый компаратор 12 с управл емым порогом второй и третий компараторы 13 и 14 с управл емым порогом , блок 15 автоматической регулировки усилени , частотно-аналоговый преобразователь 16 напр жени , входной фильтр 17. Узел 4 коммутации выполнен в виде многовходового логического узла, а интегратор 5 вьшолнен коммутируемым аналоговым.

Логический узел 4 содержит два логических двухвходовых элемента 18 и 19, КЗ-триггер 20, три двухканапь- ных логических коммутатора 21, 22

5 0

5

5

и 23 и инвертор 24. Коммутируемый аналоговый интегратор 5 содержит аналоговый интегратор 25, четьфехканаль- ный коммутатор 26, и бипол рный источник 27 опорного напр жени , при этом коммутатор содержит канал 28 сброса, канал 29 положительного кванта зар да, канал 30 сканировани  и канал 31 отрицательного кпанта зар да.

Устройство работает следующим образом .

Доплеровский радиосигнал поступает на входной фильтр 17, вход которого  вл етс  Входом устройства. Фильтр подавл ет помехи в доплеровском радиосигнале , спектр которых не перекрываетс  со спектром доплеровского сигнала . Блок 15 автоматической регулиров- 1СИ усилени  (АРУ) уменьшает разброс амплитуды доплеровского сигнала при измерении скорости объектов со значительно отличающимис  светорассеиваю- щими свойствами, что повышает помехоустойчивость измерений. Далее сигнал поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1,2, например, ключевого типа, где перемножаетс  с выходным сигналом квадратурного ГУ11 3. Выходные сигналы смесителей, содержащие наборы комбинационных частот, подвергаютс  фильтрации двум  упрлвллемыми каналами фильтра 8,9 низ1шх частот. Сигналы на выходе каналов фильтра представл ют собой квадратурные компоненты разности частот ГУН и доплеровск (5го сиг иала. Напр жение на выходе мгиоиепиого амплитудного детектора 7 пропорционально сумме квадратов амплитуд кыадратурн.1х компонент, т.е. квадрату амп.читуды огибаюшс доплеровско- го сигпапа. Это напр жение подаетс  па вход компаратора 12, Kiyropiifi срав- пипает его с известным уропнем, уста- паллппаемым по опорному иходу. Импульсы с выхода KOMnajiaTOpa подаютс  на вход логического узла А, а также запускают таймер 11, длительность выходных импульсоп которого устанавливают равной выбранной величине. Выходной сигнал таймера подаетс  на первый управл юши нход логического уз.ча. Сигпа.41.1 с выходов каналоп {})пльт- ра 8, 9 Tjic)i:e поступав г па иходы форьшровател  6 импульсом. Если па одном ич вхидои (bopMUpoiia I ел  6 сиг- пал по фазе (шережасгг ctiritaji нл другом иходс, то на первом В1.1ходе по вл ютс  иьп1у;пзС1.1, если отстает, то пмпу. п.сп по пл ютс  ил ii 1 ором В1лходе. HifCJio пыходпь/х импул1 сс1В, соответствующее одному полному периоду входного квадратурного сигнала разностной частоты , должно быть не менее четырех.

Гилходнь H i:iy.4bCL )1-ги С 1 :1телл 6 порми)уютс)1 lio ;ип1те;1ьн(1сти ф(4)мпрова- телем 1U коротких импульсов п поступают па информа1;по1П1ые входы логического узла 4. Сигнал, определ ютций члстотм .)пкп ГУН п управл емого ФНЧ, поступает также на входы диапазонных компараторов 13 и 1) с пзвест- , cooтт cтcтвyюlци п максимальной и мшшмальпой частотам, nopora№i срабатывани , устанавливлсмы -.п по соот- DeTCTByiriiJiHM опорным входам. Компараторы срабатывают при В1;1ходе управл ющего папр жепп  ГУ и ФПЧ -за задапные минимальный и максималыпш уровпи,

СООТВеТСТВУЮТШе f И

Спгпалы с выходов компараторов подаютс  па трети чет1-.сртый управл ю щпе Бходь логического угзла 4 . Сигнал управлени  частотой ГУН и ФНЧ 8, 9  вл етс  нькодпым сигналом коммутирув мого аналогового интегратора 5, содер жащего каналы 28-31, коммутируемые выходными сигналами логического узла 4. При отсутствии этих сигналов ключи всех капалов разомкнуты и интегратор 25 играет роль элемента апалоговой пам ти, фиксирующего частоту ГУН на заданном уровне.

Устройство работает в двух основных режимах: Поиск (обзор спектра)

15

20

25

30

35

40

45

50

и Слежение. . Режим Поиск имеет место при отсутствии доплеровского сигнала. В эт(зм случае в спектре вы- ходпого сигнала отсутств тот сосредо- точен1п.1е спектральные компоненты. При этом напр жение на выходе мгновенного амплитудного детектора 7 мало , компаратор 12 и таймер 11 выклю- )1. Си1Ч1алы с выходов Tai iMepa и компаратора объедин ютс  в двухвходовом логическом элементе 18. Когда оба сигнала па входе элемента 18 отсутствуют, напр жение на его выходе также отсутствует и двухканальный логический коммутатор 23 выключен. Коммутатор 21 п то же врем   ключен сигналом ип- 24. Череп Г(тот i-oNf 1утатор уп- 1.-,1ПЛ ющие входы канллоп сканировани  30 и сброса /8 KoMvtyTi: iycMr i o аналогового интегратора 5 подключены к выходам триггера 20 логического узла 4. К PV- и S-пходам триггера подключены сигпа.пы дпапазонных ко гмутаторов 13 п 14.

Когда на Q-выходе триггера установлена лог. 1, коммутатор 21 включен и лог. 1 подаетс  на уп)авл юир й Bxo/t канала 30 сканиропанил. Ключ 4 этого канала открыт п ир1тегратор 25 зар жаетс  от источника 27 опорного папр жсгги , подключенного к входу ключа. Напр жение па выходе иптегра- тора уменьшаетс , перестраива  ГУБ и дпухкапальпый управл емый ФНЧ. Как только это напр жение достигнет уров- п , соответствующего иnn faльнoмy заданпому значеп1по, включитс  компаратор 14, триггер 20 изменит состо ние II откроет канал 28 сброса. Интегратор начнет перезар жатьс  опорньм напр жением противоположной пол рности п напр жение на его выходе станет увеличиватьс . При достижении максимального заданного значени  сработает компаратор 13, триггер 20 вновь переключитс , и цикл работы устрой- стра повторитс . Посто нные времени ,сканировани  и сброса определ ютс  резисторами соответствуюищх каналов 28 и 30 и выбираютс  из услови 

г сканировани  77

сброса (1)

Устройство переходит в режим Сле- 55 жение, если во входном сигнале по вл етс  сосредоточенна  спектральна  компонента (догшеровский сигнал). Когда разностна  частота доплеровского сигнала и ГУН попадет в полосу

10

15

20

25

ропускани  ФПЧ 8, 9, на выходе мгноенного аьтлитудиого детектора по пит-   напр жение. Сработает компаратор 12, выключа  коммутатор 21 логического узла 4 через инвертор 24. Режим Поиск выключаетс , интегратор 25 запоминает напр жение, соответстную- щее частоте ГУН, при которой обнаруен сигнал. Одновременно включаетс  коммутатор 23 и таймер 11, дополнительно блокиру  через логический элемент 18 режим Поиск. Система переходит в режим частотного автосопровождени  максимума спектрального пика входного сигнала. Импульсы, соответствующие напр жению разностной частоты провод т через открытые коммутаторы 23 и 22 и попадают на управ ющие входы каналов положителтлюго кванта зар да 29 или отрицатольпого кванта зар да 31. Каждый импульс нормирован по длительности форм рог ате- лем 10 коротких импульсов и иь тывает замыкание ключа канала интегрлторл на нормированное врем .За врем  действи  каждого импульса на интегратор передаетс  нормированна  полозкиталь}1а  или отрицательна  порци  (квант) зар да от бипол рного источника 27 опорного напр жени  через резисторы, вход щие в состав каналов 29 и 31 коммутируемого аналогового интегратора 5. Если частота ГУН меньше частоты доплеров- ского сигнала, импульсы включают канал 31 отрицательного кванта, на интегратор поступают отрицательные кванты и его выходное напр жение увеличиваетс , а частота ГУН повышаетс  до тех пор, пока не сравн етс  с чггс- тотой доплеровского сигнала. Если 40 частота ГУН меньше доплеровской, импульсы включают канал 29 положительного кванта зар да, что приводит к увеличению частоты ГУН. В установившемс  режиме частота ГУН равна допле- 45 ровской. Элементы 19 и 22 служат дл  блокировани  работы петли слежени . При выходе частоты ГУН на заданные границы сработает один из коьтарато- ров 13, 14, напр жение на выходе логического элемента 19 пропадает, выключив коммутатор 22 и разорвав, таким образом, петлю слежени .

При пропадании входного догшеров- ского сигнала компаратор 12 выключаетс , но система остаетс  в Слежение, пока не. выключитс  таймер 11. Это необходимо дл  предотвращени  сбоев автоподстройки при крГ Т30

35

50

55

0

5

0

5

0 5

0

5

0

5

579

lUiBpt -Menriiifx npOHauaiiisHx икодппго доплеропского сигнала , )ак i i..ix дл  ЛДА.

При слсанирооании полосы частот спектра в режиме Поиск ГУН измен ет свою частоту от максиг-иинзной до пи пмaльнoй, что позвол ет г.римеиить в устройстве смеситejni 1 и 2 KJIIC-IC- вого тина, построенные, например, на цифровых дискретных элементах.

Захват системой паразитных гармоник входного доплеровс -;ого сигнала в режиме Поиск при зь-лючепиом канале сброса не происходит благодар  условию (1). Так как врем  сброса много Meiibme времени сканировани , мощность узкополоспых сигналов, попадающа  в полосу пропускани  перестраи1заю цей- с  систем,, в режиме сброса мчюго меньше аналогичной мощности в сканировани . Позтому блокировка включени  режима Сложение во иремл работы канала сброса не требуетс .

Динамический диапазон у .т)ойстиа по доплеровской частоте соответствует динамическому диапазо1 у птрокополос- ного ГУ1. Известные шгшокополоспые ГУН обладают удоплетворитслыгой лп- iieiiHocTbio (пор дка 10%) в рабочем диапазоне перестройки, что приводит к значите-льпой (до 10%) нелинеГшой завр симости напр жени , управл ющего ГУН 3 и ФПЧ 8, 9 от измер емой доплеровской частоты входного гигиала. В то же врем  рассогласование мел.ду частотой входного доплеровского сигнала и частотой выходного сиглала ГУН пренебрелсимо мало по поем дилаьп - ческом даапазоче. Псптому дл  получени  аналогового напр жени , точно соответствующего измер емой частоте входного доплеровского сигнала, в устройство введен частотно-аналоговый преобразователь напр жени  с лилейной передаточной характеристикой, который может быть В1;шолнен диапазонным,

Полоса пропускан 1  упрапл еь ого двухканального ФНЧ рыбираетс  равной частоте доплеровского сппкита, деленной на известное ЧРЮЛО Kurt рферешцюнНЫХ полос в ПрОСТр;1ЧСТВеН 1О1 СТ1)уКТуре зондирующего опт:-; чес кого пол  ЛЛД. TaKoii выбор полосы П1)опу :кани  обеспечивает более качес 1-Бпнну1Г) филт.тра- цию сигнала.

Логический узел может Оыть реализован такж а в лпде iiiioriJaMMj pyeMoi i логической матрицы. Матрица програм- Т Шруетс  таким обрл ом, чтобы логические состо ни  ее входов и выходов соответстновали логическим состо ни м входов и выходов описанного логического узла 4.

Таким образом, обеспечиваетс  пол- ностью автоматический процесс измерений при повышенной точности и надеж ности. Электронна  схема устройства имеет низкий шум дискретности за счет применени  коммутируемого аналогового интегратора.

Claims (3)

1. Устройство дл  обработки сигна- 5 ла лазерного догшеровского анемометра, содержащее двухканальный квадратурный смеситель, квадратурный управл емый генератор, узел коммуташш, интегратор , а также первый формирователь

,

импульсов, амплитудный детектор и диухканальный фильтр нижних частот, при этом каждый из двух выходов квадратурного смесител  подключен парал- лсльи(5 к одному из двух входов ампли тудного детектора и формировател  импульсов через соответствующий канал фильтра нижних частот, выход интегратора соединен с. пходом квадратурного управл емого генератора, первый и второй выходы которого подключены к первым входам соответственно первого II второго каналов кнадратурного смесител , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измеренпй и степени автоматизации работы , в него введены птороп формирователь коротких импулы.:ов, таймер, три компаратора с управл емым порогом , блок автоматическо регулировки усилени , частотно-аналоговый преобрзователь напр жени , нхогиюй фильтр, причем двухканальиьп фильтр низкой частоты выполнен перестраиваемым по управл юиюму входу, узел ;ог4мутации выполнен в виде многопхол чюго логического уз:1;, ик rei iiaT;;|) штолнен коммуп. руемым аналоговым, при этом выходы первого компаратора и таймера соответственно подключо, к первому и второму управл ющие нхолам логического узла, первый и второй входы второго формировател  импульсов подключены к первому и второму выходам первого фop п poвaтeл  импульсов, а первый и второй выходы - к первому и второму иисЬормащ1оН(ым иходам логичекого узла, выходы второго и третьего компаратсфон гю;1к;почены к третьему и

5

5 ,

525579. 10

четвертому управл ющим входам логического узла, а входы - к выходу интегратора , первый и второй управл ю- още выходы логического узла подключены к первому и второму управл ющим входам И1гтегратора, а первый и второй информационные выходы логического узла подключены к первому и второму информационным входам интегратора, вход первого компаратора подсоединен к выходу амплитудного детектора, а выход - к входу таймера, при этом вход частот- но-аналогового преобразовател  напр жени  подключен к одному из выходов

10

5 ,

20

25

30

35

40 с45

50

55

квадратурного управл емого генератора , а выход  вл е гс  выходом устройства , блок автоматической регулировки усилени  включен между объединенным вторым входом квадратурного смесител  и выходом входного фильтра, вход которого  вл етс  входом устройства.

2. Устройство по п. 1, о т л и- чающеес  тем, что логический узел содержит два двухвходовых логических элемента, RS-триггер, три двух- канальных логических коммутатора и инвертор, причем выход первого двух- входового логического элемента подключен к управл ющему входу третьего двухканального логического коммутатора непосредственно, а к управл ющему входу первого двухканального логического коммутатора - через инвертор, выход второго двухвходового логического элемента соединен с управл ющим входом второго двухканального логического коммутатора, входы второго логического элемента подключены параллельно входам триггера, выходы триггера подключены к входам первого двухканальиого логического коммутатора , а выходы третьего flBiTCKanajibHoro логического коммутатора подключены соответственно к входам второго двухканального логического ком 1утатора, при этом первым и вторым управл ющими входами логического узла  вл ютс  входы первого двухвходового логического элемента, третьим и четвертым управл ющими входаьш логического узла  вл ютс  Входы триггера, входы третьего двухканального логического коммутатора  вл ютс  информационными входа. логического узла, управл ющими выходами логического узла  вл ютс  выходы первого двухканальыого логического коммутатора, а информационными выходами логического узла  вл ютс  выходы второго двухканального логического ко1 |мутатора.

3.Устройство по п. 1 отличающеес  тем, что логический узел выполнен в виде программируемой логической матрицы.

4,Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что коммутируемый аналоговый интегратор .содержит аналоговый интегратор, четырехканаль- ный коммутатор и бипол рный источник опорного напр жени , причем один из выходов бипол рного источника опорного напр жени  параллельно подключен к сигнальным входам канала сброса и канала положительного .кванта зар да,

а второй выход бипол рного источника

подсоединен к сигнальным входам канала скаш1ровани  и канала отрицательного кванта зар да к ммутируемого аналогового интегратора, выходы всех четырех каналов коммутатора объединены и соединены с входом аналогового интегратора, выход которого  вл етс  выходом коммутируемого аналогового интегратора , управл ющие входы канала сброса и канала сканировани  коммутатора  вл ютс  управл ющими входами коммутируемого аналогового интегратора , а информационными входами коммутируемого аналогового интегратора  вл ютс  управл ющие входы каналов положительного и отрицательного квантов зар да коммутатора.