Способ измерения дальности и скорости

)5 6 06 К 11/О АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКО 11 У СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт теплофизики СО АН СССР (72) Э. К. Скворцов(56) Авторское свидетельство СССР В 1042047, кл. 6 06 К 11/06, 1981.Авторское свидетельство СССР М 1171821, кл, О 06 К 11/06, 1985.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ(57) Изобретение относится к измерительной технике, Цель изобретения - повышение точности и дальнодействия измерения дальности и скорости, Цель достигается путем повышения частот 1 и т 2 излучаемого сигнала до соблюдения условия узкополосности сигнала и большого затухания отраженных сигналов, формирование сигнала разностной частоты - путем вычитания из Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения координат, навигации и связи, в частности, с излучением ультразвуковых сигналов,Известен способ измерения дальности путем излучения одночастного пакета импульсов, например ультразвуковых сигналов, приема и усиления сигнала, прошедшего через среду формирования огибающей пакета импульсов и вычисления дальности по временной задержки фронта огибающей,При распространении ультразвуковых сигналов в газовой среде, например в воздухе, этот способ ограничен по точности иэза большого поглощения ультразвука в исходных частот 11 и 12 частоты о, Частота 1 о выбирается из условия 1 о 11, 1 оГ 2, Формируют сигнал Оо=эи во 11/э)п и)о. Из исходных частот вычитают частоту 1 о, что производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Оо, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующим отрицательным значениям сигнала Оо. Суммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного из них, поступал сигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот и формируют текущие коды дальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале раэностной частоты и скоростью изменения этой задержки, 1 ил. газах, которое растет пропорционально квадрату частоту сигнала. Положение огибающей может быть определено, как показывает практика, с точностью одной-двух длин волн сигнала, соответствующего излучаемому пакету импульсов, что делает ошибку порядка 5-10 мм при приемлемых частотах излучения около 30-70 кГц. Дальнейшее повышение частоты резко увеличивает трудности получения удовлетворительного отношения сигнал/шум, что, в свою очередь, ухудшает точность измерения,Известен способ измерения дальности и скорости объекта, реализованный в устройстве для считывания графической информации, .)утем излучения двухчастотного ультразвукового сигнала, приема и усиле 775726ния сигнала, прошедшего через газовую среду, и определения временной задержки границы раздела частот в принятом сигнале, пропорциональйой измеряемой дальности, путем отслеживания этой задержки за счет двойного интегрирования знака рассогласования между действительной задержкой и ее вычисленным значением в текущий момент, Этот способ позволяет определять дальность с точностью порядка 0,1-0,5 мм при измерениях в воздухе на расстояниях 0,5-2 м в процессе движения объекта и мгновенную скорость объекта, интеграл от которой соответствует дальности, Однако этот способ также ограничен по точности и дальнодействию из-за большого поглощения ультразвука в газах, так как при частотах порядка 200-500 кГц и расстоянии между излучателем и приемником более 1 м сигнал, прошедший, например, через воздух, оказывается настолько ослабленным, что известные способы его усиления и обработки не позволяет получить достаточное отношение сигнал-шум. С другой стороны, при использовании в прототипе частот излучения ультразвука порядка 40-60 кГц точность измерения дальности и скорости снижается из-за интерференции прямых и отраженных сигналов и других акустических помех,Целью способа является повышение точности и дальнодействия измерения дальности и скорости обьекта. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения, включающем излучение сигнала, например, ультразвукового, в виде пакета импульсов с частотами 11 и 12, приема и усиления сигнала, прошедшего через среду, непрерывного отслеживания временной задержки границы раздела частот в сигнале и формирования текущих кодов скорости и дальности по временной задержке сигнала, повышают частоты излучаемого сигнала б 1 и 1, до соблюдения условия узкополосности сигнала, т.е.(т 1-12) /11 р) 0,1 и большого затухания отраженных сигналов, выбирают третью частоту 1 так, чтобы было 1 о 11, 10 12 для получения сигнала Оо=залаэпв,где в 0 = 2 10, который используют для вычитания третьей частоты 1 о иэ исходных частот 11 и 12, что производят путем интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Оо, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значениям сигнала О 0, причем суммируют результаты двух интегрирований с иэменением знака на противоположный у одногоиз них, получая таким образом сигнал раэкостной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот, причем5 синхронизируют сигнал О 0 относительнограницы раздела частот в сигнале раэностной частоты и формируют текущие кодыдальности и скорости в соответствии с задержкой границы раздела частот в сигнале10 разностной частоты и скоростью измененияэтой задержки.Сопоставительный анализ заявленногорешения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного15 тем, что вначале повышают частоту излучаемого сигнала, до большого затухания отраженных сигналов и соблюдения условияузкополосности, затем получают сигналраэностной частоты путем вычитания иэ ча 20 стот т 1 и 12 принимаемого сигнала третьейчастоты 10, меньшей 11 и 12, Причем формирование сигнала раэностной частоты производят путем интегрирования принятогосигнала в интервалах времени, соответству 25 ющих положительным значениям сигнала счастотой 10, а также интегрирования принятого сигнала в интервалах времени, соответствующих отрицательным значениямсигнала с частотой 1 о, суммирования резуль 30 татов двух интегрирований с изменениемзнака на противоположный у.одного иэ них,В сигнале разностной частоты непрерывноотслеживают границу раздела частот т 1-то и1-10 относительной которой синхронизиру 35 ют сигнал с частотой 1 Текущие коды дальности и скорости формируют в соответствиис задержкой границы раздела частот в сигнале разностной частоты и скоростью изменения этой задержки,40 Таким образом, заявленный способ соответствует критерию изобретения "новизна",На чертеже показана одна из возможных структурных схем устройства. иллюст 45 рирующая предлагаемый способ.Устройство содержит блок управления 1,подключенный к нему излучатель сигнала 2(например, электроакустический преобразователь), последовательно включенные50 приемник сигнала 3 (электроакустическийпреобразователь), усилитель 4 высокочастотного сигнала, преобразователь 5 частоты, усилитель 6 низкочастотного сигнала, компаратор 7, дискриминатор 8 границы раздела частот, интегратор 9 скорости, интегратор 10 дальности. Другие выходы блока управления соединены с соответствующими входами дискриминатора и интеграторов, второй вход преобразователя частоты подключен кпромежуточному выходу интегратора 10, а третий вход дискриминатора - к выходу переполнения интегратора 10 дальности, подключенного также в блоку 8.Предлагаемый способ измерения дальности и скорости реализован следующим образом, С помощью блока управления формируют пакет импульсов с частотной манипуляцией внутри пакета; например, в первой части пакета импульс с частотой 11, во второй - с частотой 12, причем 1211. Этот сигнал непосредственно (или после усиления) подают на излучатель, Прошедший через среду сигнал обнаруживают с помощь приемника сигнала,Поскольку частоты излучаемого сигнала выбиГэют в относительно узкой полосе, т.е. с учетом условия(11-1)/11 р) 0,1, причятый высокочастотный сигнал усиливают с помощью резонансного усилителя 4, позволяющего получить малые искажения принятого сигнала и удовлетворительное отношение сигнал/шум. Уэкополостность излучаемого сигнала позволяет также использовать резонансные свойства излучателя и приемника для повышения эффективности приема сигнала,Принятый и усиленный высокочастотный сигнал преобразуют по частоте с помощью преобразователя 5, Процесс преобразования заключается в формировании сигнала с разностными частотами Е 1=11-1 о и Р=12-1 о путем интегрирования высокочастотного сигнала в интервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Оо=эп вот/эп вот, где шо =2 7 Г 1 о, 1 о 1 1, 1 о 1 2 а также отрицательным значением сигнала Оо и суммирования результатов двух интегрирований с изменением знака на противоположный у одного иэ них.Таким образом, в результате указанных операций на выходе преобразователя частоты получают сигнал в виде радиоимпульса с частотной манипуляцией. Частоты внутри пакета будут ниже излучаемых на частоту 1 о, но разность между двумя частотами сохранится, Например, если излучают сигнал с частотами 153 и 143 кГц (при этом соблюдают условия узкополостности сигнала (153- 143/153=10/153 0,1), а вычитают частоту 1=113 кГц, то получают после преобразования частоты.Г 1=153-113=40 к ГцЕЛА=143-113=30 к цЭтот пример иллюстрирует главное преимущество предлагаемого способа: для излучения используют удобный узкополосный сигнал, из которого, после преобраэо 5 10 20 25 укаэанным образом принятого сигнала и 55 30 35 40 45 50 вания, получают широкополосный сигнал низкой частоты также удобный для дальнейшей обработки, в частности, для надежного различения границы раздела частот. Повышение частот излучения вчетверо, по сравнению с прототипом, позволяет ослабить акустические помехи - отраженные сигналы, примерно, в 16 раз, При таком преобразовании фаза преобразованного сигнала будет зависеть как от фазы принятого сигнала с частотой 11(12), так и от фазы сигнала с частотой 1 о.Важным является условие, чтобы при изменении дальности в преобразованном сигнале-радиоимпульсе с частотами Г и Г скорости изменения задержек отдельных импульсов в радиоимпульсе были равны между собой и равны скорости изменения задержки огибающей радиоимпульса, Это условие позволяет выполнить предлагаемая в способе операция-синхронизация сигнала Оо относительно непрерывно отслеживаемой границы раздела частот Р 1 и Р 2 в сигнале, получаемом после интегрирования усиления результата интегрирования. Конкретно эту синхронизацию предлагается выполнять следующим образом: брать сигнал с промежуточного выхода интегратора дальности, выполненного в виде динамического двоичного счетчика, При этом не требуется дополнительный формирователь для сигнала Оо, поступающего по указанной на чертеже связи между блоками 10 и 5.Вместе с прео бразованием узкополосного сигнала в широкополосный этот метод получения сигнала Оо, необходимого для такого преобразования, с сохранением точной информации о дальности и скорости составляют главные особенности предлагаемого способа - неочевидные и полезные, Усилитель б производит усиление низкочастотного сигнала в полосе, содержащей частоты Е 1 и Р 2, а компаргтор 7 формирует из усиленного синусоидального сигнала двоичный сигнал с фронтами и срезами, соответствующими по времени моментам перехода синусоиды через нуль.Дискриминатор О, запускаемый импульсом переполнения интегратора 10, на выходе формирует сигнал, соответствующий "+1", если граница раздела частот Е 1 и Рг в низкочастотном сигнале имеет задержку больше величины, когда этой задержки в интеграторе 10 дальности, и соответствующий "-1", если граница частот имеет эадержку меньше величины кода задержки, Эти приращения "+1" и "-1" непрерывно дважды интегрируются с помощью интегратора 9 скорости и интегратора 10 дальности, явля 1775726ющихся динамическими счетчиками с периодами, равными периоду излучения пакетов импульсов, В результате такого интегрирования в интеграторе 9 оказывается код скорости, а в интеграторе 10 - код дальности (с точностью до постоянной величины) при изменении расстояния от излучателя до приемника.Таким образом, использование предлагаемого способа измерения дальности и скорости позволяет повысить точность и дальнодействие измерительной системы, поскольку при этом в значительной большей степени используются резонансные свойства излучателя и приемника сигнала и облегчается фильтрация сигнала, а также это дает возможность излучать сигнал на значительно более высоких частотах, что позволяет резко снизить влияние на точность отраженных сигналов и прочих акустических помех. Ранее, в известных способах было принято, что для повышения дальнодействия ультразвуковой измерительной системы следует понизить частоту получаемого сигнала, а это приводит неизбежно к снижению точности измерения. В заявленном же способе, напротив, для повышения дальнодействия предлагается повышать частоту излучаемого сигнала, что дает одновременно выигрыш и по точности, и по дальнодействию,Предлагаемый способ использован при разработке измерительной системы для контроля формы параболических антенн спутников связи в четырехканальной ультразвуковой системе для измерения пространственных координат. Функционирование этой системы подтверждает преимущество пред лагаемого способа перед известными по точности и дальнодействию,Формула изобретенияСпособ измерения дальности и скорости путем излучения сигнала в виде пакетовимпульсов с частотами т 1 и т 2, приема и5 усиления сигнала, прошедшего через среду,непрерывного отслеживания временной задержки границы раздела частот в сигнале иформирования текущих кодов скорости идальности по временной задержке сигнала,10 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерения дальностии скорости, повышают частоты излучаемого, сигнала 1 и 12 до соблюдения условия уэкополостности сигнала 1(%1-б 2)/11 р) 0,1 и боль 15 щего затухания отраженных сигналов,выбирают третью частоту так, чтобы было 1 о 51, 1 о 12 для получения сигнала1 эи аЪ гО - , где гоо = 2 ткано. которыйэпвот20 используют для вычитания третьей частотыто из исходных частот т 1 и т 2, что производятпутем интегрирования принятого сигнала винтервалах времени, соответствующих положительным значениям сигнала Оо, а так 25 же интегрирования принятого сигнала винтервалах времени, соответствующих отрицательным значениям сигнала Оо, причемсуммируют результаты двух интегрирований с изменением знака на протиеополож 30 ный у одного иэ них, получая таким образомсигнал разностной частоты, в котором непрерывно отслеживают границу раздела частот, причем синхронизируют сигнал О,относительно границы раздела частот в сиг 35 нале разностной частоты и формируют текущие коды дальности и скорости всоответствии с задержкой границы разделачастот в сигнале разностной частоты и скоростью изменения этой задержки,401775726 ектор Н, Слободя дакт Тираж Подписсударственного комитета по изобретениям и от 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/ оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 403 ВНИИСоставител Техред М.М А. Зарубинентал еытиям при ГКНТ СССР