[go: up one dir, main page]

RU2654215C1 - Method of measuring distance by range finder with frequency modulation - Google Patents

Method of measuring distance by range finder with frequency modulation Download PDF

Info

Publication number
RU2654215C1
RU2654215C1 RU2017128256A RU2017128256A RU2654215C1 RU 2654215 C1 RU2654215 C1 RU 2654215C1 RU 2017128256 A RU2017128256 A RU 2017128256A RU 2017128256 A RU2017128256 A RU 2017128256A RU 2654215 C1 RU2654215 C1 RU 2654215C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
distance
samples
digital samples
weight
Prior art date
Application number
RU2017128256A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Михайлович Давыдочкин
Original Assignee
ООО предприятие "КОНТАКТ-1"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ООО предприятие "КОНТАКТ-1" filed Critical ООО предприятие "КОНТАКТ-1"
Priority to RU2017128256A priority Critical patent/RU2654215C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2654215C1 publication Critical patent/RU2654215C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/66—Radar-tracking systems; Analogous systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/66—Radar-tracking systems; Analogous systems
    • G01S13/70—Radar-tracking systems; Analogous systems for range tracking only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring techniques, in particular to measuring distance, for example in closed tanks while measuring a fill level, and is based on the principle of frequency modulated radar. This result is achieved due to the fact that a linear connection of middle frequency of the difference signal with the measured distance is used for measurement. Decreased distance measurement error is based on decreased distortion of the spectrum of the difference frequency signal for one monitored object, from the number of probed objects, followed by estimating the central frequency of the spectrum linearly related to the measured distance. To reduce the distortion of the spectrum, the used weight functions must be asymmetric, and the basis function must be with a nonlinear and variable frequency dependence. Required forms of the weight and basis functions depend on the critical frequency of the waveguide, the length of the elements of antenna-waveguide device (AWD) and from the distance between the antenna and the monitored object in free space, which is unknown, wherein the process of determining them is iterative. Distance to other objects is successively measured with other weight and basis functions, and the initial forms of the weight and basis functions are determined before the distance measurement begins.
EFFECT: reduced error in measuring the distance due to the influence of frequency dispersion in AWD elements.
6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к измерению расстояния, например, в закрытых резервуарах при измерении уровня жидкости, и основано на принципе радиолокации с частотной модуляцией (ЧМ) зондирующих радиоволн.The invention relates to the field of measurement technology, in particular, to measuring distance, for example, in closed tanks when measuring the liquid level, and is based on the principle of frequency-modulated (FM) radar radar sensing radio waves.

Широко применяется радиолокационный способ измерения расстояния с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе сигнала разностной частоты (СРЧ) при оценке задержки эхосигнала τR [1, стр. 316-381; 2; 3]. При практическом применении для оценки задержки эхосигнала τR используют цифровой спектральный анализ. Частота FR СРЧ связана с задержкой эхосигнала τR и, соответственно, с измеряемым расстоянием R и диапазоном частотной модуляции Δƒ линейной зависимостью FR=Δƒ⋅τR/Т=Δƒ⋅2R/(ν⋅Т), где ν - скорость распространения электромагнитных волн; Т - длительность интервала анализа, совпадающая с длительностью монотонного изменения частоты при модуляции по линейному закону. А погрешность измерения в основном определяется погрешностью измерения частоты, которая определяется помехами, боковыми лепестками спектра, дискретизацией сигнала и другими факторами.A widely used radar method for measuring the distance from the FM sounding radio waves based on spectral analysis of the difference frequency signal (RFM) in evaluating the echo delay τ R [1, p. 316-381; 2; 3]. In practical applications, digital spectral analysis is used to estimate the echo delay τ R. The frequency F R of the SRS is associated with the echo delay τ R and, accordingly, with the measured distance R and the frequency modulation range Δƒ by the linear dependence F R = Δƒ⋅τ R / T = Δƒ⋅2R / (ν⋅Т), where ν is the propagation velocity electromagnetic waves; T is the duration of the analysis interval, which coincides with the duration of a monotonic change in frequency during modulation according to a linear law. And the measurement error is mainly determined by the measurement error of the frequency, which is determined by noise, side lobes of the spectrum, signal discretization and other factors.

Известен способ спектрального анализа сигнала [4] на основе дискретного преобразования Фурье, в котором для снижения погрешности оценки частоты, вызванной дискретностью спектра, искусственно увеличена длительность периода повторения реализации сигнала путем добавления нулевых отсчетов к исходной реализации. Предельным случаем этого способа является использование дискретно-временного преобразования Фурье, эквивалентного обработке реализации сигнала с бесконечным периодом и исключающего погрешности оценки частоты и амплитуды сигнала за счет дискретности спектра.There is a method of spectral analysis of a signal [4] based on a discrete Fourier transform, in which to reduce the error in estimating the frequency caused by the discreteness of the spectrum, the length of the repetition period of the signal realization is artificially increased by adding zero samples to the original implementation. The limiting case of this method is the use of the discrete-time Fourier transform, which is equivalent to processing the implementation of a signal with an infinite period and eliminates the error in estimating the frequency and amplitude of the signal due to the discreteness of the spectrum.

Однако в этом способе не исключено влияние боковых лепестков слагаемых спектра на точность определения частот, фаз и амплитуд составляющих анализируемого сигнала.However, in this method, the influence of the side lobes of the terms of the spectrum on the accuracy of determining the frequencies, phases, and amplitudes of the components of the analyzed signal is not ruled out.

Для уменьшения погрешности, обусловленной влиянием боковых лепестков слагаемых спектра на положения спектральных пиков, используется способ гармонического анализа сигнала u(t) [5], включающий получение отсчетов u(m) сигнала через равные интервалы времени Δt, перемножение отсчетов u(m) сигнала с отсчетами весовой функции (ВФ) w(m), снижающей боковые лепестки спектра, вычисление спектра путем нахождения Фурье-образа полученного произведения и оценку частот слагаемых сигнала. Практическое осуществление этого способа выполняют методами цифровой обработки сигналов [6, стр. 129, 273-274]. Применение адаптируемых весовых функций (АВФ) [7, 8, 9, 10] позволяет практически исключить погрешность, обусловленную боковыми лепестками мешающих слагаемых спектра. В известных способах применяются ВФ симметричной формы.To reduce the error due to the influence of the side lobes of the terms of the spectrum on the positions of the spectral peaks, the method of harmonic analysis of the signal u (t) [5] is used, including obtaining samples of the signal u (m) at equal time intervals Δt, multiplying the samples of the signal u (m) with by counting the weight function (WF) w (m), which reduces the side lobes of the spectrum, calculates the spectrum by finding the Fourier transform of the resulting product, and estimates the frequencies of the components of the signal. The practical implementation of this method is performed by digital signal processing methods [6, p. 129, 273-274]. The use of adaptive weighting functions (AFF) [7, 8, 9, 10] allows one to practically eliminate the error caused by the side lobes of the interfering terms of the spectrum. In known methods, WFs of a symmetrical shape are used.

Для снижения погрешности измерения частоты сигнала, линейно связанной с его задержкой, широко используются априорные сведения о помеховой обстановке в рабочей зоне радиолокационного дальномера [11]. Близким по совокупности существенных признаков к заявленному (аналогом) является радиолокационный способ измерения уровня материала в резервуаре радиодальномером с ЧМ зондирующих радиоволн, основанный на спектральном анализе СРЧ, учитывающий помеховые слагаемые спектра [11] и включающий уточнение результата первоначального измерения. Указанный способ включает вычисление спектра СРЧ, вычисление опорного спектра, состоящего из постоянного и варьируемого слагаемых, и вычисление меры отличия спектра СРЧ от опорного спектра. Затем производится изменение параметров варьируемого слагаемого опорного спектра до достижения минимума указанной меры отличия спектров. Параметры постоянного слагаемого опорного спектра определяются при калибровке и хранятся в памяти. Калибровка выполняется на рабочем месте при таком уровне заполнения резервуара, когда сигнал отражают все мешающие объекты и отсутствует взаимное влияние боковых лепестков слагаемых спектра СРЧ, соответствующих мешающим объектам, и слагаемого спектра СРЧ, соответствующего отражению от зондируемого материала.To reduce the error in measuring the signal frequency, linearly related to its delay, a priori information on the noise situation in the working area of the radar range finder is widely used [11]. A set of essential features that is close to the claimed one (analogue) is a radar method for measuring the level of material in a tank with a radio range finder with FM probing radio waves, based on spectral analysis of the RF, taking into account the interference components of the spectrum [11] and including the refinement of the initial measurement result. The specified method includes the calculation of the RMS spectrum, the calculation of the reference spectrum, consisting of constant and variable terms, and the calculation of the measure of difference between the RMS spectrum from the reference spectrum. Then, the parameters of the variable term of the reference spectrum are changed until the minimum of the indicated measure of spectral difference is reached. The parameters of the constant term of the reference spectrum are determined during calibration and stored in memory. Calibration is performed at the workplace at such a level of filling the tank when all the interfering objects reflect the signal and there is no mutual influence of the side lobes of the components of the UHF spectrum corresponding to the interfering objects and the term of the UHF spectrum corresponding to the reflection from the probed material.

Для расчета измеряемого расстояния используют параметры опорного спектра, при которых обнаружен минимум меры отличия.To calculate the measured distance, the parameters of the reference spectrum are used, at which a minimum of the measure of difference is found.

В цитированном способе измерения расстояния следовало бы ожидать существенного уменьшения погрешности измерения, так как запись эталонных спектров выполняют на рабочем месте при калибровочном проливе резервуара. В действительности уменьшения погрешности не происходит из-за невозможности точного подбора параметров опорного спектра. Изменение температуры резервуара, его заполнение и другие факторы приводят к значительным деформациям резервуара. Из-за изменений структуры рассеянного поля в резервуаре под влиянием деформации резервуара, а также из-за осаждения на антенне и элементах конструкции резервуара малоподвижных фракций материала зондируемого объекта меняются амплитудные и фазовые соотношения в слагаемых СРЧ и, соответственно, в спектрах. В результате со временем опорные спектры и сигналы, сохраняемые в памяти, перестают совпадать со спектрами и сигналами, используемыми при измерении.In the cited method of measuring the distance, one would expect a significant decrease in the measurement error, since the recording of the reference spectra is performed at the workplace during the calibration spill of the tank. In fact, a decrease in the error does not occur due to the impossibility of the exact selection of the parameters of the reference spectrum. Changing the temperature of the tank, its filling and other factors lead to significant deformation of the tank. Due to changes in the structure of the scattered field in the tank under the influence of the deformation of the tank, as well as due to deposition of inactive fractions of the material of the probed object on the antenna and structural elements of the tank, the amplitude and phase ratios in the terms of the RMS and, accordingly, in the spectra change. As a result, over time, the reference spectra and signals stored in the memory cease to coincide with the spectra and signals used in the measurement.

Для достижения низкой погрешности измерения в радиолокационных устройствах с ЧМ стараются обеспечить возможно больший диапазон перестройки частоты Δƒ при ЧМ. Но при большом диапазоне перестройки частоты на погрешность измерения сказывается частотная дисперсия в линиях передачи электромагнитной энергии (ЛПЭЭ), например, в волноводах антенно-волноводного устройства (АВУ). Частотная дисперсия вызывает паразитную частотную модуляцию (ПЧМ) СРЧ в радиодальномерах с линейной ЧМ передатчика. В свою очередь ПЧМ приводит к большой погрешности измерения, особенно при одновременном влиянии частотной дисперсии и помех, всегда сопутствующих радиолокационным измерениям.To achieve a low measurement error in FM radar devices, they try to provide the largest possible frequency tuning range Δƒ at FM. But with a large frequency tuning range, the measurement error is affected by the frequency dispersion in the transmission lines of electromagnetic energy (LET), for example, in the waveguides of an antenna-waveguide device (AVU). Frequency dispersion causes parasitic frequency modulation (FFM) of the RF system in radio rangefinders with a linear FM transmitter. In turn, the IFM leads to a large measurement error, especially with the simultaneous influence of frequency dispersion and interference, always associated with radar measurements.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному (прототипом) является способ измерения расстояния [12] радиодальномером с частотной модуляцией, включающий: генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону частотной модуляции Δƒ с известными значениями нижней ƒ0 частоты, числа дискретных отсчетов частоты М; формирование и излучение радиоволн в направляющую систему в виде полого волновода, в который свободно поступает контролируемая жидкость; выделение части генерируемого радиочастотного сигнала; прием, спустя время распространения, эховолн и формирование из них отраженного сигнала; смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала; выделение СРЧ, содержащего информацию о расстоянии до контролируемой жидкости; аналоговую обработку СРЧ; аналого-цифровое преобразование СРЧ; генерирование цифровых отсчетов не симметричной ВФ; генерирование базисной функции ƒбц(xi, m) в форме цифровых отсчетов с нелинейной зависимостью величин ступеней частоты от их номера, заданных по дискретным отсчетам базисной функции ƒбд(xi, m), где xi - i-й отсчет частоты; взвешивание СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ; вычисление цифровых отсчетов спектра в виде суммы произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции; выделение информационного пика модуля спектра (ИПМС) и вычисление его центральной частоты, соответствующей отражению от контролируемой жидкости; вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн, центральной частоте ИПМС и геометрическим размерам волновода антенно-волноводного устройства (АВУ).The closest set of essential features to the claimed (prototype) is a method of measuring the distance [12] with a radio range finder with frequency modulation, including: generating a radio frequency signal with periodic discrete frequency modulation and equidistant frequency steps over the frequency modulation range Δƒ with known values of the lower ƒ 0 frequency , the number of discrete samples of the frequency M; the formation and emission of radio waves into the guide system in the form of a hollow waveguide into which the controlled fluid freely enters; the allocation of part of the generated radio frequency signal; reception, after the propagation time, of the echo waves and the formation of the reflected signal from them; mixing it with the selected part of the generated radio frequency signal; the allocation of the RFS containing information about the distance to the controlled fluid; analogue processing of RFs; analog-to-digital conversion of the RF system; generation of digital readings of a non-symmetrical WF; generating the base function ƒ bts (x i , m) in the form of digital samples with a nonlinear dependence of the magnitude of the frequency steps on their number given by discrete samples of the base function ƒ bd (x i , m), where x i is the ith frequency sample; weighting of the WFD by multiplying the digital samples of the WF and digital samples of the WFD; calculation of digital samples of the spectrum in the form of the sum of the products of the weighted digital samples of the RMS and digital samples of the basis function; the selection of the information peak of the spectrum module (IPMS) and the calculation of its center frequency corresponding to the reflection from the controlled fluid; calculating the distance from the known propagation velocity of the radio waves, the central frequency of the IMS and the geometric dimensions of the waveguide of the antenna-waveguide device (AVU).

Указанный способ позволяет значительно снизить погрешность измерения волноводных уровнемеров, когда измерения выполняются внутри волновода. Однако во многих случаях, например при высоких температурах, во взрывоопасных зонах, радиационном влиянии и ряде других факторов, только отсутствие механического контакта с зондируемым объектом позволяет выполнить операцию измерения расстояния и автоматизировать процесс измерения. В таких неблагоприятных условиях приходится, используя ЛПЭЭ длиной L, например волновод, далеко разносить блок формирования и обработки сигнала от антенны, установленной в зоне контроля. Измерению при этом подлежит расстояние от антенны до зондируемых объектов. Из-за частотной дисперсии электромагнитных волн в ЛПЭЭ возникает ПЧМ зондирующих волн даже при линейной ЧМ передатчика, которая приводит к погрешности измерения. Причем влияние частотной дисперсии на величину погрешности зависит и от длины L ЛПЭЭ, например волновода АВУ, и от расстояния от антенны до контролируемого объекта, поэтому невозможно однократно ввести поправки снижающие погрешностьThis method can significantly reduce the measurement error of the waveguide level gauges when measurements are performed inside the waveguide. However, in many cases, for example, at high temperatures, in hazardous areas, radiation exposure, and a number of other factors, only the absence of mechanical contact with the probed object allows you to perform a distance measurement operation and automate the measurement process. In such adverse conditions, it is necessary, using the LETE of length L, for example, a waveguide, to far spread the signal generation and processing unit from the antenna installed in the control zone. In this case, the distance from the antenna to the probed objects is subject to measurement. Due to the frequency dispersion of electromagnetic waves in the LETE, an FSM of probe waves occurs even with a linear FM transmitter, which leads to measurement error. Moreover, the influence of frequency dispersion on the error value depends on the length L of the LETE, for example, the AVU waveguide, and on the distance from the antenna to the controlled object, therefore it is impossible to introduce corrections that reduce the error once

Технический результат изобретения - уменьшение погрешности измерения расстояния как из-за влияния частотной дисперсии в ЛПЭЭ, в частности волноводе АВУ, так и из-за совместного влияния частотной дисперсии и взаимного влияния зондируемых объектов, каждый из которых играет роль помехи при измерении расстояний до других объектов.The technical result of the invention is the reduction of the error of distance measurement both due to the influence of frequency dispersion in LETE, in particular the AVU waveguide, and because of the combined influence of frequency dispersion and the mutual influence of probed objects, each of which plays the role of interference in measuring distances to other objects .

Технический результат достигается тем, что в способе измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией, цикл измерения которого включает:The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring distance by a radio range finder with frequency modulation, the measurement cycle of which includes:

генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону частотной модуляции Δƒ с известными значениями нижней ƒ0 частоты, числа дискретных отсчетов частоты М;generating a radio frequency signal with periodic discrete frequency modulation and equidistant distributed frequency steps over the frequency modulation range Δƒ with known values of the lower ƒ 0 frequency, the number of discrete samples of the frequency M;

формирование и излучение радиоволн в направлении контролируемого объекта;formation and emission of radio waves in the direction of the controlled object;

выделение части генерируемого радиочастотного сигнала;the allocation of part of the generated radio frequency signal;

прием, спустя время распространения, эховолн и формирование из них отраженного сигнала;reception, after the propagation time, of the echo waves and the formation of the reflected signal from them;

смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала;mixing it with the selected part of the generated radio frequency signal;

выделение СРЧ, содержащего информацию о расстояниях R до зондируемых объектов;the selection of the RMS containing information about the distances R to the probed objects;

аналоговую обработку СРЧ;analogue processing of RFs;

получение цифровых отсчетов СРЧ uц(m) на каждой текущей m-й ступени частоты путем аналого-цифрового преобразования СРЧ;Obtaining digital samples of the RMSF u c (m) at each current mth frequency stage by analog-to-digital conversion of the RMS;

генерирование несимметричной ВФ wц[Ф(m)] в форме цифровых отсчетов, заданных по дискретным отсчетам весовой функции wd[Ф(m)];generation of an asymmetric wave function w c [Ф (m)] in the form of digital samples given by discrete samples of the weight function w d [Ф (m)];

взвешивание СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ;weighting of the WFD by multiplying the digital samples of the WF and digital samples of the WFD;

генерирование базисной функции ƒбц(xi,m) в форме цифровых отсчетов с нелинейной зависимостью величин ступеней частоты от их номера, заданных по дискретным отсчетам базисной функции ƒбд(xi,m), где xi - i-й отсчет частоты;generating the base function ƒ bts (x i , m) in the form of digital samples with a nonlinear dependence of the magnitude of the frequency steps on their number given by discrete samples of the base function ƒ bd (x i , m), where x i is the ith frequency sample;

вычисление цифровых отсчетов спектра S(xi) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции

Figure 00000001
;calculation of digital samples of the spectrum S (x i ) as the sum of M products of weighted digital samples of the RMS and digital samples of the basis function
Figure 00000001
;

выделение информационного пика модуля спектра (ИПМС), соответствующего отражению от контролируемого объекта из числа зондируемых объектов;separation of the information peak of the spectrum module (IPMS) corresponding to the reflection from the controlled object from the number of probed objects;

вычисление центральной частоты ИПМС по цифровым отсчетам спектра S(xi);calculation of the central frequency of the IPMS using digital samples of the spectrum S (x i );

вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн ν, центральной частоте xR ИПМС и геометрическим размерам волновода АВУ; с соблюдением следующих условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий.calculating the distance from the known propagation velocity of the radio waves ν, the center frequency x R IPMS and the geometric dimensions of the waveguide AVU; subject to the following conditions, additionally perform the following set of actions.

Отсчеты ВФ генерируют с возможностью изменения закона асимметрии, а отсчеты базисной функции генерируют с возможностью изменения нелинейной зависимости величин ступеней частоты от их номера, выполняют дополнительные циклы измерения расстояния, в каждом из которых по результатам выполненного цикла измерений изменяют законы генерирования весовой и базисной функций генерированием новых цифровых отсчетов весовой и базисной функций, повторяя циклы измерений до снижения абсолютного значения разности между вновь полученным значением частоты

Figure 00000002
, где (n) - номер цикла измерений, и ее предыдущим значением
Figure 00000003
ниже заранее заданной величины Δx,WF samples are generated with the possibility of changing the asymmetry law, and samples of the basis function are generated with the possibility of changing the nonlinear dependence of the frequency steps on their number, additional distance measuring cycles are performed, in each of which, according to the results of the performed measurement cycle, the laws of generating weight and basic functions are changed by generating new digital readings of the weight and basic functions, repeating the measurement cycles until the absolute value of the difference between the newly obtained value of cha decreases Toty
Figure 00000002
, where (n) is the number of the measurement cycle, and its previous value
Figure 00000003
below a predetermined value Δ x ,

Figure 00000004
Figure 00000004

при этом измерение расстояния до других контролируемых объектов последовательно выполняют с другими законами генерирования весовой и базисной функций, а исходные законы генерирования весовой и базисной функций определяют до начала измерения расстояния.while the measurement of the distance to other controlled objects is successively performed with other laws of generating weight and basis functions, and the initial laws of generating weight and basis functions are determined before the start of distance measurement.

В первом цикле (n=1) измерений цифровые отсчеты закона генерирования базисной функции ƒбц(xi,m) задают по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражениемIn the first cycle (n = 1) of measurements, digital samples of the law of generation of the basis function ƒ bts (x i , m) are set from discrete samples of the basis function defined by the expression

Figure 00000005
Figure 00000005

где j - мнимая единица;where j is the imaginary unit;

а=Δƒ/ƒ0; a = Δƒ / ƒ 0 ;

b=ƒкр/ƒ0;b = ƒ cr / ƒ 0 ;

ƒкр - критическая частота волновода;ƒ cr - the critical frequency of the waveguide;

xL=2LΔƒ/ν;x L = 2LΔƒ / ν;

вычисляют нулевое приближение измеряемого расстояния и используют его во втором цикле измерения.calculate the zero approximation of the measured distance and use it in the second measurement cycle.

Во втором (n=2) и последующих циклах измерений цифровые отсчеты законов генерирования базисной функции задают по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражениемIn the second (n = 2) and subsequent measurement cycles, the digital samples of the laws of generation of the basis function are determined from discrete samples of the basis function defined by the expression

Figure 00000006
Figure 00000006

В первом цикле измерений цифровые отсчеты закона генерирования весовой функции wц[Ф(m)] задают по дискретным отсчетам весовой функции, определенной выражениемIn the first cycle of measurements, digital samples of the law of generation of the weight function w c [Ф (m)] are set by discrete samples of the weight function defined by the expression

Figure 00000007
Figure 00000007

где N - число слагаемых весовой функции;where N is the number of terms of the weight function;

Csn - коэффициенты весовой функции;C sn - coefficients of the weight function;

Figure 00000008
Figure 00000008

Во втором и последующих циклах измерений цифровые отсчеты законов генерирования весовой функции задают по дискретным отсчетам весовой функции, определенной выражениемIn the second and subsequent cycles of measurements, digital samples of the laws of generation of the weight function are specified by discrete samples of the weight function defined by the expression

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
Where
Figure 00000010

По известной скорости распространения радиоволн, вычисленной центральной частоте ИПМС

Figure 00000002
и геометрическим размерам волновода АВУ геометрическое расстояние от антенны до контролируемого объекта вычисляют, используя выражениеAccording to the known propagation velocity of the radio waves calculated by the center frequency of the IMS
Figure 00000002
and to the geometric dimensions of the AVU waveguide, the geometric distance from the antenna to the controlled object is calculated using the expression

Figure 00000011
Figure 00000011

Сущность способа заключается в том, что из-за искажения СРЧ паразитной частотной модуляцией, вызванной частотной дисперсией электромагнитных волн в волноводе, спектр СРЧ искажается. Эти искажения приводят к погрешности оценки центральной частоты ИПМС спектра. Для устранения искажений спектра законы генерирования весовой и базисной функций должны учитывать длину применяемого волновода и расстояние между антенной и зондируемым объектом в свободном пространстве. Оценки длины волноводного тракта xL и его электродинамические параметры, определенные величиной b, следует устанавливать заранее в процессе производства приборов. При этом неизвестным остаются частота xR и расстояние R, и процесс их точного определения (и, соответственно, весовой и базисной функций) должен быть итерационным с повторением измерений и последующим уточнением xR на каждой итерации. При этом первое измерение целесообразно выполнять так, чтобы последующий итерационный процесс быстро сходился до снижения абсолютного значения разности между значением

Figure 00000002
и его предыдущим значением
Figure 00000003
ниже заранее заданной величины Δх,
Figure 00000012
. При использовании нулевого приближения для базисной и весовой функций ƒбц(xi,m) и wц[Ф(m)] погрешность измерения Δх становится менее 10-3 за две итерации.The essence of the method lies in the fact that due to the distortion of the UHF by parasitic frequency modulation caused by the frequency dispersion of electromagnetic waves in the waveguide, the UHF spectrum is distorted. These distortions lead to an error in estimating the central frequency of the IPMS spectrum. To eliminate spectrum distortions, the laws of generation of the weight and basis functions should take into account the length of the applied waveguide and the distance between the antenna and the probed object in free space. Estimates of the length of the waveguide path x L and its electrodynamic parameters, determined by the value of b, should be set in advance in the process of manufacturing devices. In this case, the frequency x R and the distance R remain unknown, and the process of their exact determination (and, accordingly, the weight and basis functions) should be iterative with repeated measurements and subsequent refinement of x R at each iteration. In this case, it is advisable to perform the first measurement so that the subsequent iterative process converges quickly until the absolute value of the difference between the values decreases
Figure 00000002
and its previous value
Figure 00000003
below a predetermined value Δ x ,
Figure 00000012
. When using the zeroth approximation for the basis and weight functions ƒ bts (x i , m) and w t [Ф (m)] the measurement error Δ x becomes less than 10 -3 in two iterations.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Выделение из перечня найденных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого способа, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allows us to establish that the applicant has not found technical solutions characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The selection from the list of found analogues of the prototype made it possible to identify a set of essential (in relation to the technical result perceived by the applicant) distinctive features in the claimed object set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law. Information about the fame of the distinguishing features in the totality of the characteristics of the known technical solutions with the achievement of the same as the proposed method, there is no positive effect. Based on this, it was concluded that the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".

Сущность предлагаемого способа поясняется с помощью устройства схематично изображенного на фиг. 1, графиками, изображенными на фиг. 2.The essence of the proposed method is illustrated using the device schematically shown in FIG. 1, the graphs depicted in FIG. 2.

На фиг. 2 приведены зависимости погрешности измеренного расстояния до зондируемого объекта при наличии мешающего отражения от раскрыва антенны для известного способа и для заявленного способа.In FIG. 2 shows the dependence of the error of the measured distance to the probed object in the presence of interfering reflection from the aperture of the antenna for the known method and for the claimed method.

Радиодальномер с частотной модуляцией зондирующих радиоволн (фиг. 1) содержит: схему цифровой обработки сигналов (СЦОС) 1 с одним входом и тремя выходами; антенно-волноводное устройство (АВУ) 2; управляемый генератор радиочастотного сигнала (УГРС) 3 с одним входом и двумя выходами; синтезатор частоты (СЧ) 4 с двумя входами и одним выходом; последовательно соединенные делитель мощности (ДМ) 5 и направленный ответвитель (НО) 6 (или циркулятор), каждый с одним входом и двумя выходами; смеситель (См) 7 с двумя входами и одним выходом; схему предварительной аналоговой обработки (СПАО) 8 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 с двумя входами и одним выходом;A radio range finder with frequency modulation of the probing radio waves (Fig. 1) contains: a digital signal processing circuit (SCOS) 1 with one input and three outputs; antenna waveguide device (AVU) 2; controlled radio frequency signal generator (UGRS) 3 with one input and two outputs; frequency synthesizer (MF) 4 with two inputs and one output; serially connected power divider (DM) 5 and directional coupler (HO) 6 (or circulator), each with one input and two outputs; mixer (cm) 7 with two inputs and one output; pre-analog processing circuitry (SPAO) 8 and analog-to-digital converter (ADC) 9 with two inputs and one output;

Вход УГРС 3 соединен с выходом СЧ 4, входы которого соединены с первым выходом СЦОС 1 и первым выходом УГРС 3. Второй выход УГРС 3 соединен с последовательно соединенными ДМ 5 и НО 6, а первый выход НО 6 соединен с входом АВУ 2. Вторые выходы ДМ 5 и НО 6 соединены с входами См 7, выход которого соединен с последовательно соединенными СПАО 8 и АЦП 9. Выход АЦП 9 соединен с входом СЦОС 1, а второй вход АЦП 9 соединен со вторым выходом СЦОС 1. Третий выход СЦОС 1 является информационным выходом радиодальномера.The input of the UGRS 3 is connected to the output of the MF 4, the inputs of which are connected to the first output of the SSCOS 1 and the first output of the UGRS 3. The second output of the UGRS 3 is connected to the serially connected DM 5 and HO 6, and the first output of HO 6 is connected to the input of the AVU 2. Second DM 5 and NO 6 are connected to the inputs of Cm 7, the output of which is connected to the sequentially connected SPAO 8 and ADC 9. The output of the ADC 9 is connected to the input of the ARC 1, and the second input of the ADC 9 is connected to the second output of the ARC 1. The third output of the ARC 1 is information radio range finder output.

СЦОС 1 может быть выполнена стандартной, содержащей генератор импульсов синхронизации и цифровой процессор, включающий устройство памяти и арифметическое устройство.SEC 1 can be performed standard, containing a synchronization pulse generator and a digital processor, including a memory device and an arithmetic device.

Практическая реализация устройства не представляет собой сложности и осуществляется на основе широко распространенных электронных элементов, например, производимых фирмами «ANALOG DEVICES», «MOTOROLA», «MICRONETICS», «PEREGRINE» и др.The practical implementation of the device is not difficult and is carried out on the basis of widely distributed electronic elements, for example, manufactured by ANALOG DEVICES, MOTOROLA, MICRONETICS, PEREGRINE, etc.

С помощью радиодальномера с частотной модуляцией зондирующих радиоволн способ измерения расстояния осуществляют следующим образом.Using a radio range finder with frequency modulation of the probing radio waves, the distance measuring method is as follows.

Одна часть генерируемого радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией в виде последовательности радиочастотных сигналов, М известных дискретных частот в которой эквидистантно распределены по диапазону частот модуляции Δƒ с известными значениями нижней ƒ0 частоты от УГРС 3 (фиг. 1), управляемого синтезатором частоты 4, через ДМ 5 и НО 6 поступает в АВУ 2, антенна которого формирует направленное излучение в направлении контролируемого объекта. После отражения от зондируемой поверхности эховолны принимаются антенной АВУ 2 и преобразуются в отраженный сигнал, который через НО 6 поступает на вход смесителя 7. В качестве гетеродинного сигнала используют выделенную ДМ 5 часть генерируемого сигнала. Выходной сигнал смесителя обрабатывается СПАО 8 путем фильтрации и усиления. В результате выделяется СРЧ, содержащий информацию о расстояниях до всех зондируемых объектов, в том числе и до контролируемого объекта. При этом выделенный СРЧ искажен паразитной частотной модуляцией и в нем могут присутствовать также помеховые составляющие, созданные мешающими объектами, которые также приводят к погрешности измерения.One part of the generated radio frequency signal with periodic frequency modulation in the form of a sequence of radio frequency signals, M of known discrete frequencies in which are equidistantly distributed over the modulation frequency range Δƒ with known values of the lower ƒ 0 frequency from UGRS 3 (Fig. 1), controlled by frequency synthesizer 4, through DM 5 and HO 6 enters the AVU 2, the antenna of which generates directional radiation in the direction of the controlled object. After reflection from the probed surface, the echo waves are received by the antenna АВУ 2 and converted into a reflected signal, which through НО 6 is supplied to the input of the mixer 7. As a heterodyne signal, the extracted part DM 5 is used. The output signal of the mixer is processed by SPAO 8 by filtering and amplification. As a result, an RDS is selected that contains information about the distances to all probed objects, including the controlled object. In this case, the selected RMS is distorted by parasitic frequency modulation and it may also contain interference components created by interfering objects, which also lead to measurement errors.

Выделенный СРЧ через АЦП 9 поступает на вход СЦОС 1. С применением СЦОС 1 выполняют все действия над сигналом разностной частоты, генерируют отсчеты базисной и весовой функций, управляют синтезатором СЧ 4 заданием кодов дискретных частот и синхронизируют работу АЦП 9.The allocated MFR through ADC 9 is fed to the input of MSC 1. With the use of MSC 1, all actions are performed on the difference frequency signal, the samples of the basic and weight functions are generated, the synthesizer of the MF 4 is set by setting discrete frequency codes, and the ADC 9 is synchronized.

Обычно линии передачи электромагнитной энергии, входящие в состав АВУ2 и НО 6, содержат несколько разнородных участков, полосковые, волноводные различных сечений и формы, переходы между различными элементами ЛПЭЭ, поэтому до начала измерений производят калибровку радиодальномера аппроксимируя все законы дисперсии в разных элементах АВУ 2 и НО 6 дисперсией в волноводе длиной L, определяют общую длину волновода АВУ и отношение b=ƒкр/ƒ0 критической частоты волновода к начальной ƒ0 частоте. Калибровку выполняют, например, в производственных условиях по известным связям критической частоты с размерами элементов АВУ или по экспериментальным результатам. В последнем случае в условиях отсутствия помех измеряют зависимость частоты разностного сигнала от номера текущей m-й ступени частоты и принимают ее совпадающей с зависимостьюTypically, the transmission lines of electromagnetic energy that are part of АВУ2 and НО 6 contain several heterogeneous sections, strip, waveguides of various sections and shapes, transitions between different elements of the LET, therefore, before starting measurements, they calibrate the radio range finder by approximating all dispersion laws in different elements of the АВУ 2 and BUT 6 dispersion in the waveguide of length L, determine the total waveguide length ABC and the ratio b = ƒ cr / ƒ 0 of the critical frequency of the waveguide to the initial ƒ 0 frequency. Calibration is performed, for example, under production conditions according to known relationships of the critical frequency with the dimensions of the AVU elements or according to experimental results. In the latter case, in the absence of interference, the dependence of the frequency of the difference signal on the number of the current mth frequency step is measured and taken to coincide with the dependence

Figure 00000013
Figure 00000013

где xR=Δƒ2R/ν;where x R = Δƒ2R / ν;

xL=Δƒ2L/ν;x L = Δƒ2L / ν;

по которой судят о критической частоте и длине волновода АВУ, включающей все элементы АВУ, используя, например, графические зависимости. Также возможно определение длины волновода и его критической частоты расчетным путем используя по меньшей мере два измерения одного и того же расстояния R и xR в двух диапазонах волн с минимальными частотами ƒmin1 и ƒmin2. Из зависимости х(m) следует, что среднее значение разностной частоты связано с измеряемым расстоянием, длиной волновода АВУ, диапазонами частотной модуляции и критической частотой волновода выражениями:which judges the critical frequency and length of the waveguide AVU, which includes all elements of the AVU, using, for example, graphical dependencies. It is also possible to determine the waveguide length and its critical frequency by calculation using at least two measurements of the same distance R and x R in two wave ranges with minimum frequencies ƒ min1 and ƒ min2 . From the dependence x (m) it follows that the average value of the difference frequency is related to the measured distance, the length of the waveguide AVU, the frequency modulation ranges and the critical frequency of the waveguide by the expressions:

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

ОткудаWhere from

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

где а 1=Δƒ/ƒmin1;where a 1 = Δƒ / ƒ min1 ;

a 2=Δƒ/ƒmin2; a 2 = Δƒ / ƒ min2 ;

Figure 00000018
Figure 00000018

A1=(xcp1-xR)a 1;A 1 = (x cp1 -x R ) a 1 ;

A2=(xcp1-xR)a 2;A 2 = (x cp1 -x R ) a 2 ;

Figure 00000019
Figure 00000019

Записывают в память вычисленные параметры xL и ƒкр и используют их при измерениях в полном диапазоне частотной модуляции, при котором:The calculated parameters x L and ƒ cr are written into memory and used for measurements in the full range of frequency modulation, in which:

в первом цикле (n=1) измерений с помощью УГРС 3, управляемого СЧ 4, генерируют радиочастотной сигнал с периодической дискретной частотной модуляцией (по линейному закону) и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону частотной модуляции Δƒ с известными значениями нижней ƒ0 частоты, числа дискретных отсчетов частоты М;in the first cycle (n = 1) of measurements using UGRS 3 controlled by MF 4, a radio frequency signal is generated with periodic discrete frequency modulation (according to the linear law) and equidistant distributed frequency steps over the frequency modulation range Δƒ with known values of the lower frequency ƒ 0 , number discrete samples of frequency M;

антенно-волноводным устройством 2 формируют и излучают радиоволны в направлении контролируемого объекта;antenna-waveguide device 2 form and emit radio waves in the direction of the controlled object;

делителем мощности 5 выделяют часть генерируемого радиочастотного сигнала;power divider 5 allocate part of the generated RF signal;

антенно-волноводным устройством 2 принимают спустя время распространения эховолны и формируют из них отраженный сигнал;antenna-waveguide device 2 take after the propagation time of the echo wave and form a reflected signal from them;

смесителем 7 смешивают его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала;the mixer 7 mixes it with the allocated part of the generated radio frequency signal;

схемой предварительной аналоговой обработки 8 выделяют СРЧ, содержащий информацию о расстояниях до зондируемых объектов, и выполняют аналоговую обработку СРЧ путем, например, фильтрации и усиления;an analogue pre-processing circuit 8 is used to isolate an RMS containing information about the distances to the probed objects and perform analog RMS processing by, for example, filtering and amplification;

аналого-цифровым преобразователем 9 получают цифровые отсчеты uц(m) СРЧ через равные интервалы времени на каждой m-й текущей ступени частоты путем аналого-цифрового преобразования СРЧ и используют их в первом цикле измерений, при котором схемой цифровой обработки сигналов 1:analog-to-digital Converter 9 receive digital samples u c (m) RMS at equal time intervals at each m-th current frequency step by analog-to-digital conversion of RMS and use them in the first measurement cycle, in which the digital signal processing circuit 1:

генерируют весовую функцию ВФ wц[Ф(m)] в форме цифровых отсчетов, заданных по дискретным отсчетам весовой функции wd[Ф(m)];generate the WF weight function w c [Φ (m)] in the form of digital samples given by discrete samples of the weight function w d [Φ (m)];

Figure 00000020
Figure 00000020

где

Figure 00000021
Where
Figure 00000021

Csn - коэффициенты весовой функции, например функции Блэкмана [5] или адаптируемой весовой функции (АВФ) [7, 8].C sn are the coefficients of the weight function, for example, the Blackman function [5] or the adaptive weight function (AVF) [7, 8].

взвешивают СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ;weighting the WFD by multiplying the digital samples of the WF and the digital samples of the WFD;

генерируют базисную функцию ƒбц(xi,m) в форме цифровых отсчетов с нелинейным законом зависимости величины ступени частоты от номера ступени частоты, заданных по дискретным отсчетам базисной функцииgenerate the basis function ƒ bts (x i , m) in the form of digital samples with a non-linear law of the dependence of the magnitude of the frequency step on the number of the frequency step specified by discrete samples of the basic function

Figure 00000022
Figure 00000022

вычисляют цифровые отсчеты спектра S(xi) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции

Figure 00000023
;calculate the digital samples of the spectrum S (x i ) in the form of the sum M of the products of the weighted digital samples of the RMS and digital samples of the basis function
Figure 00000023
;

выделяют ИПМС, соответствующий отражению от контролируемого объекта из числа зондируемых объектов;allocate IPMS corresponding to the reflection from the controlled object from the number of probed objects;

вычисляют центральную частоту ИПМС по цифровым отсчетам спектра S(xi);calculate the center frequency of the IPMS using digital samples of the spectrum S (x i );

вычисляют нулевое приближение измеряемого расстояния по известным скорости распространения радиоволн, центральной частоте ИПМС и геометрическим размерам волновода АВУ и используют его во втором цикле измерения.calculate the zero approximation of the measured distance from the known velocity of propagation of radio waves, the central frequency of the IMS and the geometric dimensions of the waveguide AWU and use it in the second measurement cycle.

Во втором (n=2) и последующих дополнительных циклах измерений цифровые отсчеты законов генерирования весовой функции задают по дискретным отсчетам весовой функции, определенной выражениемIn the second (n = 2) and subsequent additional measurement cycles, digital samples of the laws of generation of the weight function are specified by discrete samples of the weight function defined by the expression

Figure 00000024
Figure 00000024

где

Figure 00000025
Where
Figure 00000025

А цифровые отсчеты законов генерирования базисной функции задают по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражениемAnd digital samples of the laws of generation of the basis function are set by discrete samples of the basis function defined by the expression

Figure 00000026
Figure 00000026

В каждом дополнительном цикле измерения расстояния, по результатам выполненного цикла измерений, изменяют законы генерирования базисной и весовой функций генерированием новых цифровых отсчетов базисной и весовой функций, повторяя циклы измерений до снижения абсолютного значения разности между вновь полученным значением частоты

Figure 00000002
и ее предыдущим значением
Figure 00000003
ниже заранее заданной величины
Figure 00000027
, при этом измерение расстояния до других контролируемых объектов последовательно выполняют с другими законами генерирования базисной и весовой функций.In each additional cycle of distance measurement, according to the results of the performed measurement cycle, the laws of generating the basis and weight functions are changed by generating new digital samples of the basis and weight functions, repeating the measurement cycles until the absolute value of the difference between the newly obtained frequency value decreases
Figure 00000002
and its previous value
Figure 00000003
below a predetermined value
Figure 00000027
, while the measurement of the distance to other controlled objects is sequentially performed with other laws of generating the base and weight functions.

По известной скорости распространения радиоволн, вычисленной центральной частоте ИПМС и геометрическим размерам волновода АВУ расстояние до контролируемого объекта вычисляют, используя выражениеAccording to the known propagation velocity of the radio waves, the calculated central frequency of the IMS and the geometric dimensions of the waveguide AWU, the distance to the controlled object is calculated using the expression

Figure 00000028
Figure 00000028

Со второго выхода СЦОС 1 результат вычисления точного расстояния поступает на выход устройства.From the second output of SEC 1, the result of calculating the exact distance goes to the output of the device.

На фиг. 2 показаны зависимости погрешности измерения от расстояния до зондируемого объекта при наличии мешающего отражения от раскрыва антенны. Длина волновода 5 м, диаметр волновода 25 мм. Отношение помеха-сигнал составляет 0,1 при совмещении плоского зондируемого объекта с раскрывом антенны, выполненной в виде конического рупора с диаметром раскрыва 4,7 длины волны на средней частоте 9,8 ГГц диапазона частотной модуляции в 1 ГГц. При увеличении расстояния отношение помеха-сигнал уменьшается в соответствии с основным уравнением радиолокации. Использовалась весовая функция Блэкмана [6].In FIG. 2 shows the dependence of the measurement error on the distance to the probed object in the presence of interfering reflection from the aperture of the antenna. The waveguide length is 5 m, the waveguide diameter is 25 mm. The signal-to-noise ratio is 0.1 when combining a flat probed object with an aperture of an antenna made in the form of a conical horn with an aperture diameter of 4.7 wavelengths at an average frequency of 9.8 GHz of the frequency modulation range of 1 GHz. As the distance increases, the noise-to-signal ratio decreases in accordance with the basic radar equation. The Blackman weight function was used [6].

Влияние помехового отражения от антенны на величину погрешности измерения расстояния по спектру взвешенного сигнала с ПЧМ, полученное при использовании известного способа измерения [11], показано кривой 10. Характер погрешности осциллирующий вокруг постоянного значения погрешности, соответствующей отсутствию помехового сигнала. Период осцилляций равен половине средней длины волны зондирующего сигнала. Максимальное значение погрешности с учетом постоянного смещения составляет около 0,25 м.The influence of the interference reflection from the antenna on the error of measuring the distance from the spectrum of the weighted signal with the IFM obtained using the known measurement method [11] is shown by curve 10. The nature of the error oscillates around a constant error value corresponding to the absence of the interference signal. The oscillation period is equal to half the average wavelength of the probe signal. The maximum value of the error, taking into account the constant displacement, is about 0.25 m.

На том же рисунке приведена погрешность измерения в тех же условиях, для предложенного способа (кривая 11). В этом случае максимальное значение осциллирующей погрешности составляет около 0,0033 м, а постоянное смещение отсутствует.The same figure shows the measurement error under the same conditions for the proposed method (curve 11). In this case, the maximum value of the oscillating error is about 0.0033 m, and there is no constant displacement.

Видно, что для предложенного способа в условиях одновременного влияния дисперсии и помехи уменьшение погрешности превышает 70 раз.It can be seen that for the proposed method under the conditions of the simultaneous influence of dispersion and interference, the reduction in error exceeds 70 times.

Источники информацииInformation sources

1. Виницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. - М.: Советское радио, 1961.1. Vinitsky A.S. Essay on the basics of radar in the continuous emission of radio waves. - M.: Soviet Radio, 1961.

2. Патент США №5546088 13.08.1996.2. US patent No. 5546088 08/13/1996.

3. Патент США №6107957 22.08.2000.3. US patent No. 6107957 08/22/2000.

4. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 584 с.4. Marpl.-ml. S.L. Digital spectral analysis and its applications: Per. from English M .: Mir, 1990.584 s.

5. Хэррис Ф.Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье // ТИИР. 1978. Т. 66, №1. с. 60-96.5. Harris F.J. Using windows in harmonic analysis using the discrete Fourier transform method // TIIR. 1978. T. 66, No. 1. from. 60-96.

6. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2002. - 608 с.6. Sergienko A.B. Digital Signal Processing: A Textbook for High Schools. - St. Petersburg: Peter, 2002 .-- 608 p.

7. Патент №2435168 РФ, МПК G01R 23/16. Способ гармонического анализа периодического многочастотного сигнала. / Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Опубл. 27.11. 2011. Бюл. №33.7. Patent No. 2435168 of the Russian Federation, IPC G01R 23/16. Method for harmonic analysis of a periodic multi-frequency signal. / Davydochkin V.M., Davydochkina S.V. Publ. 11/27. 2011. Bull. No. 33.

8. Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа финитных колебательных процессов // Сборник научных трудов профессорско-преподавательского состава Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. Рязань, 2008. С. 78-81.8. Davydochkina S.V. Weight functions for adaptive harmonic analysis of finite-state oscillatory processes // Collection of scientific works of the faculty of Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostycheva. Ryazan, 2008.S. 78-81.

9. Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа сигналов с многомодовым спектром // Цифровая обработка сигналов. 2008. №4. С. 44-48.9. Davydochkin V.M., Davydochkina S.V. Weighting functions for adaptive harmonic analysis of signals with a multimode spectrum // Digital signal processing. 2008. No4. S. 44-48.

10. Давыдочкин В.М., Давыдочкина С.В. Весовые функции для адаптивного гармонического анализа сигналов с многомодовым спектром // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2006. №66. С. 66-72.10. Davydochkin V.M., Davydochkina S.V. Weighted functions for adaptive harmonic analysis of signals with a multimode spectrum // Bulletin of the Ryazan State Radio Engineering University. 2006. No. 66. S. 66-72.

11. Патент РФ №2244368, МПК G01F 23/28, G01S 13/08. Способ измерения уровня материала в резервуаре / Б.А. Атаянц, В.В. Езерский, В.С. Паршин. Опубл. 10.01.2005 г. Бюл. №1.11. RF patent №2244368, IPC G01F 23/28, G01S 13/08. The method of measuring the level of material in the tank / B.A. Atayants, V.V. Yezersky, V.S. Parshin. Publ. January 10, 2005 Bull. No. 1.

12. Давыдочкин В.М. Преобразование Фурье в задаче измерения расстояния частотным дальномером в пространстве с дисперсией // Цифровая обработка сигналов. 2015. №1. С. 66-70.12. Davydochkin V.M. Fourier transform in the task of measuring distance with a frequency rangefinder in a dispersive space // Digital signal processing. 2015. No1. S. 66-70.

Claims (20)

1. Способ измерения расстояния радиодальномером с частотной модуляцией, цикл которого включает: генерирование радиочастотного сигнала с периодической дискретной частотной модуляцией и эквидистантно распределенными ступенями частоты по диапазону частотной модуляции Δƒ с известными значениями нижней ƒ0 частоты, числа дискретных отсчетов частоты М; формирование и излучение радиоволн в направлении контролируемого объекта; выделение части генерируемого радиочастотного сигнала; прием, спустя время распространения, эховолн и формирование из них отраженного сигнала; смешивание его с выделенной частью генерируемого радиочастотного сигнала; выделение сигнала разностной частоты (СРЧ), содержащего информацию о расстояниях R до зондируемых объектов; аналоговую обработку СРЧ; получение цифровых отсчетов СРЧ uц(m) на каждой текущей m-й ступени частоты путем аналого-цифрового преобразования СРЧ; генерирование несимметричной весовой функций (ВФ) wц[Ф(m)] в форме цифровых отсчетов, заданных по дискретным отсчетам весовой функции wд[Ф(m)]; взвешивание СРЧ путем перемножения цифровых отсчетов ВФ и цифровых отсчетов СРЧ; генерирование базисной функции ƒбц(xi,m) в форме цифровых отсчетов с нелинейной зависимостью величин ступеней частоты от их номера, заданных по дискретным отсчетам базисной функции ƒбд(xi, m), где xi - i-й отсчет частоты; вычисление цифровых отсчетов спектра S(xi) в виде суммы М произведений взвешенных цифровых отсчетов СРЧ и цифровых отсчетов базисной функции
Figure 00000029
; выделение информационного пика модуля спектра (ИПМС), соответствующего отражению от контролируемого объекта из числа зондируемых объектов; вычисление центральной частоты ИПМС по цифровым отсчетам спектра S(xi); вычисление расстояния по известным скорости распространения радиоволн ν, центральной частоте xR ИПМС и по геометрическим размерам волновода антенно-волноводного устройства (АВУ), отличающийся тем, что отсчеты ВФ генерируют с возможностью изменения закона асимметрии, а отсчеты базисной функции генерируют с возможностью изменения нелинейной зависимости величин ступеней частоты от их номера, выполняют дополнительные циклы измерения расстояния, в каждом из которых по результатам выполненного цикла измерений изменяют законы генерирования весовой и базисной функций генерированием новых цифровых отсчетов весовой и базисной функций, повторяя циклы измерений до снижения абсолютного значения разности между вновь полученным значением частоты
Figure 00000030
, где (n) - номер цикла измерений, и ее предыдущим значением
Figure 00000031
ниже заранее заданной величины
Figure 00000032
, при этом измерение расстояния до других контролируемых объектов последовательно выполняют с другими законами генерирования весовой и базисной функций, а исходные законы генерирования весовой и базисной функций определяют до начала измерения расстояния.1. A method of measuring distance with a frequency-range radio range finder, the cycle of which includes: generating a radio frequency signal with periodic discrete frequency modulation and equidistant frequency steps over the frequency modulation range Δƒ with known values of the lower frequency ƒ 0 , the number of discrete samples of the frequency M; formation and emission of radio waves in the direction of the controlled object; the allocation of part of the generated radio frequency signal; reception, after the propagation time, of the echo waves and the formation of the reflected signal from them; mixing it with the selected part of the generated radio frequency signal; the allocation of a differential frequency signal (RMS) containing information on the distances R to the probed objects; analogue processing of RFs; Obtaining digital samples of the RMSF u c (m) at each current mth frequency stage by analog-to-digital conversion of the RMS; the generation of an asymmetric weight function (WF) w c [Φ (m)] in the form of digital samples given by discrete samples of the weight function w d [Φ (m)]; weighting of the WFD by multiplying the digital samples of the WF and digital samples of the WFD; generating the base function ƒ bts (x i , m) in the form of digital samples with a nonlinear dependence of the magnitude of the frequency steps on their number given by discrete samples of the base function ƒ bd (x i , m), where x i is the ith frequency sample; calculation of digital samples of the spectrum S (x i ) as the sum of M products of weighted digital samples of the RMS and digital samples of the basis function
Figure 00000029
; separation of the information peak of the spectrum module (IPMS) corresponding to the reflection from the controlled object from the number of probed objects; calculation of the central frequency of the IPMS using digital samples of the spectrum S (x i ); calculating the distance from the known propagation velocity of the radio waves ν, the center frequency x R of the IPMS and the geometric dimensions of the waveguide of the antenna-waveguide device (AVU), characterized in that the WF samples are generated with the possibility of changing the asymmetry law, and the basis function samples are generated with the possibility of changing the nonlinear dependence values of frequency steps from their number, perform additional cycles of distance measurement, in each of which the laws are generated according to the results of the performed measurement cycle I weight and basal functions generating digital samples of the new weighting functions and basic repeating measurement cycles to reduce the absolute value of the difference between the newly obtained value of the frequency
Figure 00000030
, where (n) is the number of the measurement cycle, and its previous value
Figure 00000031
below a predetermined value
Figure 00000032
, while the measurement of the distance to other controlled objects is sequentially performed with other laws of generating weight and basis functions, and the initial laws of generating weight and basis functions are determined before the start of distance measurement. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первом цикле измерений цифровые отсчеты закона генерирования базисной функции задают по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражением2. The method according to p. 1, characterized in that in the first measurement cycle, digital samples of the law of generating the basis function are set by discrete samples of the basis function defined by the expression
Figure 00000033
,
Figure 00000033
, где j - мнимая единица;where j is the imaginary unit; а=Δƒ/ƒ0; a = Δƒ / ƒ 0 ; b=ƒкр/ƒ0;b = ƒ cr / ƒ 0 ; ƒкр - критическая частота волновода.ƒ cr - the critical frequency of the waveguide. вычисляют нулевое приближение измеряемого расстояния и используют его во втором цикле измерения.calculate the zero approximation of the measured distance and use it in the second measurement cycle. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во втором и последующих циклах измерений цифровые отсчеты законов генерирования базисной функции задают по дискретным отсчетам базисной функции, определенной выражением3. The method according to p. 1, characterized in that in the second and subsequent cycles of measurements, digital samples of the laws of generation of the basis function are set by discrete samples of the basis function defined by the expression
Figure 00000034
.
Figure 00000034
. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первом цикле измерений цифровые отсчеты закона генерирования весовой функции задают по дискретным отсчетам весовой функции, определенной выражением4. The method according to p. 1, characterized in that in the first measurement cycle, digital samples of the law of generation of the weight function are set by discrete samples of the weight function defined by the expression
Figure 00000035
Figure 00000035
 где N - число слагаемых весовой функции;where N is the number of terms of the weight function; Csn - коэффициенты весовой функции;C sn - coefficients of the weight function;
Figure 00000036
.
Figure 00000036
. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во втором и последующих циклах измерений цифровые отсчеты законов генерирования весовой функции задают по дискретным отсчетам весовой функции, определенной выражением5. The method according to p. 1, characterized in that in the second and subsequent cycles of measurements, digital samples of the laws of generation of the weight function are set according to discrete samples of the weight function defined by the expression
Figure 00000037
Figure 00000037
 где
Figure 00000038
.Where
Figure 00000038
. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по известной скорости распространения радиоволн, вычисленной центральной частоте ИПМС
Figure 00000030
и геометрическим размерам волновода АВУ расстояние до контролируемого объекта вычисляют, используя выражение6. The method according to p. 1, characterized in that according to the known propagation velocity of the radio waves, the calculated central frequency of the IMS
Figure 00000030
and the geometric dimensions of the waveguide AVU, the distance to the controlled object is calculated using the expression
Figure 00000039
.
Figure 00000039
.
RU2017128256A 2017-08-07 2017-08-07 Method of measuring distance by range finder with frequency modulation RU2654215C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128256A RU2654215C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method of measuring distance by range finder with frequency modulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128256A RU2654215C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method of measuring distance by range finder with frequency modulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2654215C1 true RU2654215C1 (en) 2018-05-17

Family

ID=62153019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128256A RU2654215C1 (en) 2017-08-07 2017-08-07 Method of measuring distance by range finder with frequency modulation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2654215C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110276435A (en) * 2019-05-27 2019-09-24 深圳市赛格车圣科技有限公司 Population flow detection device and Pedestrian flow detection method based on millimetre-wave radar

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6492938B1 (en) * 2002-02-11 2002-12-10 Delphi Technologies, Inc. Method of associating target data in a multi-slope FMCW radar system
RU2309428C1 (en) * 2006-03-27 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" Method of measurement of distance by means of range finder characterized by continuous radiation of frequency-modulated radio waves (versions)
JP2009216680A (en) * 2008-03-13 2009-09-24 Toyota Central R&D Labs Inc Distance measuring method and distance measuring device
EP2126603B1 (en) * 2006-12-28 2010-07-21 Robert Bosch GmbH FMCW radar method with analysis of the phase of differential signals
RU2431155C1 (en) * 2010-04-09 2011-10-10 ООО предприятие "КОНТАКТ-1" Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves
RU2460087C2 (en) * 2010-10-28 2012-08-27 Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" Radar station with wideband continuous linearly frequency-modulated radiation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6492938B1 (en) * 2002-02-11 2002-12-10 Delphi Technologies, Inc. Method of associating target data in a multi-slope FMCW radar system
RU2309428C1 (en) * 2006-03-27 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" Method of measurement of distance by means of range finder characterized by continuous radiation of frequency-modulated radio waves (versions)
EP2126603B1 (en) * 2006-12-28 2010-07-21 Robert Bosch GmbH FMCW radar method with analysis of the phase of differential signals
JP2009216680A (en) * 2008-03-13 2009-09-24 Toyota Central R&D Labs Inc Distance measuring method and distance measuring device
RU2431155C1 (en) * 2010-04-09 2011-10-10 ООО предприятие "КОНТАКТ-1" Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves
RU2460087C2 (en) * 2010-10-28 2012-08-27 Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" Radar station with wideband continuous linearly frequency-modulated radiation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ДАВЫДОЧКИН В.М. Преобразование Фурье в задаче измерения частотным дальномером в пространстве с дисперсией. Цифровая обработка сигналов. 2015, N 1, с.66-70. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110276435A (en) * 2019-05-27 2019-09-24 深圳市赛格车圣科技有限公司 Population flow detection device and Pedestrian flow detection method based on millimetre-wave radar

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3023807B1 (en) A method for determining a distance between an FMCW ranging device and a target
JP2007024671A (en) Distance measuring device, distance measuring method, and distance measuring program
RU2553272C1 (en) Method of measuring range and radial velocity in radar station with probing composite pseudorandom chirp pulse
CN107390210B (en) Digital processing method of beat signal in material level measurement
RU2654215C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation
RU2410650C2 (en) Method to measure level of material in reservoir
RU2435168C1 (en) Method for harmonic analysis of periodic multifrequency signal
US9857399B2 (en) Peak frequency detection device, method, and program
JP2015064266A (en) Position measuring system for medium boundary
RU2431155C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves
RU2423723C1 (en) Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
RU2486540C1 (en) Simulator of false radar target during linear frequency-modulated signal probing
RU2504739C1 (en) Device for determining fluid level in container
JP4188262B2 (en) Radar test method and apparatus
RU2434242C1 (en) Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
EP4431936A1 (en) Waveform shaping device and gas concentration measuring device
RU59262U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS
RU2504740C1 (en) Method of measurement of fluid level in container
RU2399888C1 (en) Method of measuring level of material in reservoir
RU2655746C1 (en) Method of level measurement and radio range station with frequency modulation
RU2446407C1 (en) Method to detect area of power transmission and communication lines damage and device for its realisation
RU2551260C1 (en) Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir
RU2551400C1 (en) Method of harmonic analysis of periodic multifrequency signal against the noise background
RU2661488C1 (en) Method of the distance measurement
RU2658558C1 (en) Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190808