Способ измерения расстояний и устройство для его осуществления

,с г ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ И, Л, ГилльЯ РАССТОЯНИЙ И УСТРОЙО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСО Заявлено 19 сентября 1958 г открытий;и Совете 11 инистров СССР етений и лам из Опубликовано в Бюллетене изобретений М 19 бо На фиг, 1 и 2 изображены скелетные схе ражающей станций одного из возможных в устройства для измерений расстояний по прс фиг. 3 - частотные спектры, излучаемые станц частотный спектр модулирующего напряжени ной частоты на выходе смесителя станций Л и схема упрощенной отражающей станции. Для чающая станция обозначается буквой Л, а отр мы излучариантовдлагаемомиями Л ия колебаниБ, на фиг.краткостиажающая ающеи и отосущестьл енияспособу; на Б; на фиг. 4 - я про 1 ежуточ 5 - скелетная в тексте излу - буквой Б. Для высокоточных измерений расстояний в геодез ги применяют инструменты с использованием световых волн видимой части спектра. Хотя эти инструменты обеспечивают необходимую для геодезии точность (погрешность не больше 3 1 О -бот измеряемого расстояния), но они обладают рядом существенных недостатков: измерение необходимо проводить в ночное время и иметь хорошую видимость и др. Появившиеся в 1957 г. в зарубежных журналах сообщения о разработке радиодальномера-Теллурометра для измерения расстояний в геодезии не отражают его сущности, а известные способы и устройства для измерения расстояний с помощью радиосредств не могут быть использованы в геодезии, так как они не обеспечивают необходимую точность измерения.11 редлагаемые способ измерения расстояний и устройство для его осуществления удовлетворяют требованиям геодезии в отношении точности измерения расстояния и свободны от недостатков, присущих свето- дальномерам,На фиг. 1 обозначено: 1 - генератор УВЧ; 2 - кварцевый генератор; 3 - смеситель; 4 - усилитель промежуточной частоты; 5 - детектор; б - видеоусилитель; 7 - усилитель низкой частоты; 8 - телефонный усилитель; 9 - микрофонный усилитель; 10 - электронно-лучевая трубка.На фиг. 2 - 11 - генератор УВЧ; 12 - первый смеситель; 13 - усилитель промежуточной частоты; 14 - детектор; 15 - усилитель низкой частоты; 1 б - импульсный каскад; 17 - четвертый смеситель; 18 - фильтр; 19 - резонансный усилитель; 20 - пятый смеситель; 21 - резонансный усилитель; 22 - второй смеситель; 23 - кварцевый гетеродин; 24 - резонансный узкополосный (кварцевый) усилитель; 25 - балансный модулятор; 26 - низкочастотный генератор; 27 и 28 - узкополосные кварцевые фильтры; 29 - третий смеситель; 30 - резонансный усилитель; Л - суммирующий каскад; 32 телефонный усилитель; ЛЗ - микрофонный усилитель.На фиг. 5 обозначено: 34 - генератор УВЧ; Ж - первый смеситель; дб - усилитель промежуточной частоты; 37 - детектор; 38 - усилитель низкой частоты; З 9 - импульсный каскад; 40 - второй смеситель; 41 - фильтр; 42 - резонансный усилитель; 43 - резонансный узкополосный (кварцевый) усилитель; 44 - кварцевый генератор; 45 - суммирующий каскад, 4 б - телефонный усилитель; 47 - микрофонный усилитель.Сущность предлагаемого способа измерения расстояния состоит в следующем,Станции А и Б устанавливаются вочках, между которыми измеряется расстояние. Отсчет расстояния гроизводится на станции А, Станция А излучает, а станция Б отражает радиоволны сантиметрового диапазона через узконаправленные антенны в виде парабаллических зеркал, в фокусе которых размещены передающий и приемный вибраторы. Станция А излучает в сторону станции Б радиоволны с несущей частотой л, модулированные по амплитуде спнусопдальными колебаниями частоты Р, па которых производится измерение сдвига фаз. Станция Б отражает в сторону станции А радиоволны с несущей частотойв, модулированные по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты Р+ ЛР или Р - ЛР, где ЛР низкая частота (ЛР";Р). Этот же сигнал одновременно модулируется импульсами, имеющими частоту следования ЬГ, каким-либо из известных методом модуляции. В обеих станциях отсутствуют местные гетеродины, а для преобразования частоты используются колебания, непосредственно наводимые передающим вибратором на приемный; разность частот генераторов УВЧ станций А и Б выбирают равной промежуточной частоте приемников обеих станций, Таким образом в интервалах между импульсами на входе преобразователя частоты действуют два амплитудно-модулированных колебания, Анализ показывает, что в этом случае на выходе смесителя колебания промежуточной частоты оказываются промодулированным сигналом, содержащим колебания частоты ЛР, Р, Р+ ЛР. Мгновенная фаза низкочастотной составляющей модулирующего сигнала оказывается равной разности мгновенных фаз модулирующих синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых передающим и приемным вибраторами.В станции Б колебание промежуточной частоты усиливается и детектируется. Полученный с выхода детектора сигнал подводится к усилителю низкой частоты, с выхода которого сигнал низкой частоты подводится к специальному импульсному каскаду, превращающему синусоидальные колебания в короткие импульсы той же частоты следованияи той же фазы. Этими импульсами и модулируется енератор УВЧ этойстанции. Следовательно, мгновешая фаза модулнрующих импульсовтакже равна разности мгновенных фаз модулирующих синусоида,ьныхнапряжений сигналов, излучаемых и принимаемых вибраторами ста;ции,что необходимо для поэчения высокой точности измерения.В станции А сигнал после детектора подводится к усилнтело низкойчастоты и видеоусилителю. На выходе первого усилителя образуетсясинусоидальный низкочастотный сигнал частоты ЛР, а на выходе второго - короткие импульсъь Индикатор станции А измеряет разность фазнизкочастотных синусоидальных колебаний и импульсов. Анализ показывает, что при частоте модулирующих синусоидальных колебанийгстанции Б - Р -,- ЛР показание индикатора будет равно 2 2 - + Лф х -оо"Л фл + Лфь; а при частоте Р - ЛР равно - 2--- ЛФл - Лфл + Лфь1 )Величина 2 о есть искомый результат измерения, а сумма Лфл -по- Лф л + Лф ь - погрешность измерения. Здесь=- 2 лР, г - измеряемое расстояние, Р - скорость света; ЛФ х = - ЛФ , + Лф + ЛФ л,;Лф л., Лфл Лфл - углы, учитывающие искажение фазы соответственно модулирующих импульсов в высокочастотном тракте и усилителепромежуточной частоты и видеоимпульсов в импульсном тракте станции А: Лфл = Лфв+ ЛФля+ЛФлн, Лфлн=Лфлв Д -Л) фл.Р)== - Фдв (О) - фв (О - Ло) ф 12, фм 1 (2ЛО, Ф, 10 - Л 2) -углы, учитывающие искажение фазы модулирующих колебаний в высокочастотном тракте станции А (в функции от частоты модулирующих колебаний), ЛФ , Лфл, - углы, учитывающие искажение фазысоответственно модулирующего колебания частоты ЛР в усилителе промежуточной частоты и синусоидального колебания частоты ЛР в усилителе низкой частоты станции А; Лф ь = Лф ь + Лф ьп + ф ь.; Лфьв,Лф ьп, Лфьн - углы, учитывающие искажения фазы в соответствующихтрактах станции Б.Погрешность измерения, следовательно, зависит не от модулирующей частоты Р, а от низкой частоты ЛР. Так как ЛР много меньше ширины полосы пропускания тракта высокой частоты и усилителя промежуточной частоты, то составляющие погрешности вследствие фазовыхискажений в высокочастотном тракте и в усилителе промежуточной частоты будут ничтожно малыми; составляющие погрешностей вследствиефазовых искажений в низкочастотных и импульсных трактах, при правильно выбранных параметрах в них, могут быть получены также ничтожно малыми. Таким образом суммарная погрешность Лфл - Лфл - ,+ ЛФ ь будет ничтожно малой величиной Для исключения остаточнойпогрешности производится двухкратное измерение расстояния: один разпри частоте модулирующего колебания генератора УВЧ станции Б Р ++ ЛР и другой - при частоте Р - ЛР, В первом случае результат изме/рения 22 - получается с положительным знаком, во втором - с отритвцательным при сохранении неизменным знака погрешности измерения,Полуразность обоих показаний дает результат без погрешности измерения. Такой метод исключения погрешности приводит одновременнок исключению и некоторых других составляющих погрешностей: погрешности за счет неточности установки шкалы, систематических ошибокотсчетов, эллиптичности развертки и пр,Излучаемые станцией А колебания модулируются по амплитуде синусоидальным сигналом частоты Р, а станцией Б - двумя сигналами -по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты Р+ ЛР или Р -- ЛГ 1 Кяиъ-.Рбо методом мод ляц 111 (няпрРмер амп,итудным, частотным и др.) Рмпусьса:11, частота следования которых равна ЛР, а мгновенная фаза - разности мгновенных фаз модулируюших сину- СОИдяЛЫ 1 ЫХ НВПряКЕНПй СИГНИЛОВ, ИЗЛуо 1 аЕМЫХ И ПрИНРМаемык Вибраторами сбопх станций. В супсргетсродпнных приемниках обеих станций для преооразования частоты нспользуотся колебания, непосредственно наводимые передающим вибратором на приемный вибратор; разность частот генераторов УВЧ станций А и Б выбирается при этом рявнои промежуточной частоте прие 1 Ниов обоих станций. Отсчет расстояний производится на станции А по двум измерениям разности фаз между олучеНым после детектировягия спнусоидяльным с 1 гнялл 1 низкой ЧаСТОТЫ .1 И 11 МПул 1 оСЯМ 11, одно ИЗ которых ПоуЧяОТ 111 П ЧВСТОТС Моду,яцип отражяюшеп станции Г + Л 1, а другое - при частос- Лг.Устройство для осуществления способа измерения расстояння состоит В следуОщем.Гспеоатор УВЧ 1 станции А (ф 1 г. 1):, одулирустся олсбР 1 ияхР Высокостабильной частоты Р, вырабатываемыми кварцевым геперато М 2. Для Определения полоо чис; Оооротов фязь используотся тр 1 дополнителыые высокостабильные колебания, которыми поочередно мо- дулРруется гс 1 сратор УВЧ. Целесообразно, напр 1 мер, ВьОи 1)ять Г =-10 лггц, а остальные частоты - 9,99 11 гги, 9,9 .;: гц и 9,0 лгг 1, Переход от одной модулирующей частоты к дру ой о;уцссгвгястся переключением кварцев К л 1, К л, К м 1, К л., с РОмо.юс псрсклОчяте;я Г 1 Разности между отсчетами для основной частоты 10 лггц и осталыыми тремя частотами дают показания разы, относящиеся к разпостной частоте модуляции, т. е. 10, 103 и 1000 кг 1. 1 и данных часто-.ях Вся шкала соответствуег около 15 л и возможно определять расстояния до 15 кл, Если расстояния больше 15 кл, .о отсчет опять начинается с 0 через каждые следующие 15 кл.КогсбанРя частоты Г+ ЛР и Б - ЛГ для 1;1 одуляци генератора УВЧ 11 станции Б (фРг. 2) могут быть получснь раз;шчными мсгодами, например с поОщыо бялянсРОго модусятора.,ля этой цели колебание частоты Р с выхода детектора 14 с помошьк Второго смесителя 22 и кварцевого гетеродина 23 снижается ло 1 р, которое подводится вместе с колебаниями частоты ЛГ от низкочастотного генератора 26, к баланс- ному модулятору 25, где с помощью двух узкополосных кварцевых фильтров 27 и 28 на выходе ьыделяются частоты г"о, + ЛГ и Гор - ЛГ; выбор той или другой астоты производится переключателем ЛВ, Преобразование частоты от ГорЛ 1 к частоте Г+ЛГ производится с помощью третьего смесителя 29 и того жс кварцевого гетсродина 23. Так как генератор УВЧ станции А мо. улируется поочередно четырьмя различными частотами, то кварцевый генератор станции Б вырабатывает соответственно колебания четырех различных частот, выбор которых производится переключением кварцев КВ 1, К В К В К вс помощью переключателя О В.Модуляция импульсами генератора УВЧ по амплитуде возможна в том случае, если это допустимо для лампы генератора (здесь также возможно применять отдельный 1 мпульсны генератор). Модуляция по частоте целесообразна в том случае, если для генератора УВЧ можно использовать лампу, позволяющую изменять частоту колебаний электрическими импульсами. Если оба способа модуляции использовать невозможно, то целесообразно использовать метод модуляции импульсами поднесущей, (частота поднесущей равна Р) с использованием одной верхней боковой полосы спектра импульсов (см. фиг. 2). Импульсы с выхода импульсного каскада 16 вместе с колебаниями Г,р с выхода кварцевого усилителя 24 подводятся на четвертый смеситель 17 и с по мощьо фильтра 18 и резонансного усилителя 19 выделяется верхняя ооковая полоса спектра. Это напряжение подводит:я на пятьш смсситель 20 вместе с колебаниями от кварцевого гетеродина 23. С помощью резонансного усилителя 21 выделяется искомая верхняя боковая полоса спектра, которым модулируется генератор УВЧ. Спектр модулпрующпх импульсов ограничен от Рдо Р, го позволяет на выходе детектора станции А Отдечить и:пульсны 11 сигнал От сннусоидального сигшла частоты ЛР.Измерение разности фаз производится па станции 1 с помощью электронно-лучевой трубки 10. На каждую пару пластин от устройства на выходе ус;лителя низкой частоты 7 (на фпг. 1 не обозначено) подводятся колебания одинаковои амплитуды, но сдвпнутыс по фазе 1 а 90 для получения на экране круговой развертки. 1 орот Ие и)пульсы с въ- хОдя видеоусилитсля подводятся к управля 10 ще)у злс 1 Т)оду трубки, 112 время действия импульсов труока запрается и на еругово 1 1)азвсртке образуется небольшой разрыв, по положению которого определяется расстояние. Здесь также )Ожно использовать злетрояно-л 1 ейо тр.бку с центральным электродом,Для исключения погрешности измерения, которая может возникнуть следствие геточной центрпрове 11 шеа.ы,:еобходн)10 производить двухкратнОС пз)ерепе )азнсстп фаз 1 ц)п нОрмальноъ полджеппп Отсчстпой Отъ 1 стеи на экранс трубки 11 прп Обр 2 тпом. Тае еак знак погрешности из-за эксцснтриситета меняется при изменении фазы отсчетной отмет 1 си н 2 Обрату 0, то пдлусм)ма соспх показан;й дает резльтэт без погрешности изъ 1 ерснпя. Измененис поло)кения Отс 1 етн 01 От)1 етки на ОО- ратную производится на станции Б нзмепенпс) фазы колебания частоты ЛР па Обратну ю с помощью псрскл 1012 с я 1 в . 1 2 Я 1 м ОоразО:1, точны 1 рсзультст измерения расстоянпя достигается в результате четьрехкра)нОГО Отсчета показаний на эер 21 е труокп ппдп 1 ытора. ТаОС точное определение фазы требуется только для основной частоты, для остальных частот является достаточным однократное Измерение.Предлагаемое устройство для 1 змерсПя расстояния оо спечивает двухстороннюю телефонную связь между станциями 1 и Б, Для этой цели используются дополнительные телефонные усилители с телефонными трубками на выходе и микрофонные усплител; с мпкрофонамн на входе. Переход с измерения на телефонную связь осуществляется с помощью перекгпочателсй П;, П в, В тех случаях, когда Допусти) О некоторое снижен:е точности измерения, станцию Б можно построить по упрощенноЙ схеме (фнг. 5). Например, еслп допустить некоторую неточность в установке модулирующей частоты станции Б Р - , Л 1 и . -- ЛР, то вместо балапсного 1 Одулятора )0)ено использовать 1,варцевый генератор 44, который приближенно будет обеспечивать требуемую сумму, и разность частот Р и ЛР. Может также отпасть необходимость в Изменении фазы отсчетной отметки на обратную. Если треоуемая точность позволяет, кроме того, использогать более мелкий масштаб шкалы и снизить частоту модуляции Р, то можно в станции Б исключить ч твсртый и пятый смеситель и, кроме того, для определения полного числа оборотов фазы обойти,"ь тремя частотами модуляции. На фиг, 5 переключение кварцев производится с помощью переключателя П в: кварцы Кв Кв обеспечивают частоту модуляции Р + ЛР и Р - ЛР, а кзарцы К в, и К в, - обе дополнительные частоты модуляции, увеличенные на ЛР, необходимые при определении полного числа оборотов фазы. При переходе с одной частоты на другую одновременно необходимо изменять настройку кварцевого усилителя.Предмет изобретения1. Способ измерения расстояний с использованием прямого и отраженного радиосигналов, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, сигналы главной и отражающей станции модулируют по амплитуде синусоидальными колебаниями, отличающимщии и с я по частоте на величину низкой частоты, и спектром, образованным модулирующими импульсами, мгновенная фаза которых равна разности мгновенных фаз модулирующих синусоидальных напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых вибраторами отражающей станции, а отсчет расстояния производят на главной станции по двум измерениям разности фаз между полученным после детектирования сигналом низкой частоты и импульсами, одно из которых получают при частоте, равной сумме частот модуляции и низкой частоты, а другое - при их разности.2. Способ по п. 1, отли ч ающийс я тем, что для преобразования частот в главной и отражающей станциях используют амплитудно-модулированные сигналы, наводимые с передающего вибратора на приемныи, а образованная при этом низкая модулирующая частота настолько меньше ширины полосы пропускания УПЧ, что сигнал с этой низкой модулирующей частотой проходит последующие преобразования с ничтожно малыми фазовыми искажениями.3. Устройство для осуществления способа по пп. 1 и 2, имеющее главную и отражающую станции, содержащие генераторы, смеоители, усилители, детекторы и фильтры, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в отражающей станции после детектора включен импульсный каскад, обеспечивающий заданную фазу модулирующих импульсов, а также балансный модулятор, к выходу которо. го через переключатель подключены два узкополосных фильтра, настроенные на сигналы с частотами, равными, соответственно, сумме и разности частот модуляции и низкой частоты.