Способ измерения расстояний и устройство для его осуществления

 

Класс 21а4, 48в, СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

И, Л. Гилль

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Заявлено 19 сентября 1958 г. за ге 607941/26 в Комитет по делам изобретений и открытий прн Совете 11ннистров СССР

Опубликовано в «Бюллетене изобретений» М 15 за 1959 г.

Для высокоточных измерений расстояний в геодезии применяют инструменты с использованием световых волн видимой части спектра.

Хотя эти инструменты обеспечивают необходимую для геодезии точность (погрешность не больше 3 10 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.

11редлагаемые способ измерения расстояний и устройство для его осуществления удовлетворяют требованиям геодезии в отношении точности измерения расстояния и свободны от недостатков. присущих светодальномерам, На фиг. 1 и 2 изображены скелетные схемы «излучающей» и «отражающей» станций одного из возможных вариантов осущестьления устройства для измерений расстояний по предлагаемому способу; на фиг. 3 — частотные спектры, излучаемые станциями Л и Б; на фиг. 4— частотный спектр модулирующего напряжения колебания про 1ежуточной частоты на выходе смесителя станций Л и Б; на фиг. 5 — скелетная схема упрощенной отражающей станции. зля краткости в тексте излучающая станция обозначается буквой Л, а отражающая — буквой Б. № 12148б

На фиг. 1 обозначено: 1 — генератор УВЧ; 2 — кварцевый генератор; 8 — 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; 18— усилитель промежуточной частоты; 14 — детектор; 15 — усилитель низкой частоты; 16 — импульсный каскад; 17 — четвертый смеситель; 18— фильтр; 19 — резонансный усилитель; 20 — пятый смеситель; 21 — резонансный усилитель; 22 — второй смеситель; 28 — кварцевый гетеродин; 24 — резонансный узкополосный (кварцевый) усилитель; 25 — балансный модулятор; 26 — низкочастотный генератор; 27 и 28 — узкополосные кварцевые фильтры; 29 — третий смеситель; 80 — резонансный усилитель; 81 — суммирующий каскад; 82 телефонный усилитель;

88 — микрофонный усилитель.

На фиг. 5 обозначено: 84 — генератор УВЧ; 85 — первый смеситель;

86 — усилитель промежуточной частоты; 87 — детектор; 88 — усилитель низкой частоты; 89 — импульсный каскад; 40 — второй смеситель; 41— фильтр; 42 — резонансный усилитель; 48 — резонансный узкополосный (кварцевый) усилитель; 44 — кварцевый генератор; 45 — суммирующий каскад, 46 — телефонный усилитель; 47 — микрофонный усилитель.

Сущность предлагаемого способа измерения расстояния состоит в следующем.

Станции А и Б устанавливаются в I îчках, между которыми IIзмеряется расстояние. Отсчет расстояния гроизводится на станции А. СтанIIHH 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 f л, модулированные по амплитуде спнусопдальными колебаниями частоты F, па которых производится измерение сдвига фаз. Станция Б отражает в сторону станции А радиоволны с несущей частотой модулированные по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты

F + ЛР или F — Л1, где 1I,F низкая частота (ЛЕ;F). 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, Г, F + ЛГ. 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 следования

М 121486 и той же фазы. Этими импульсам: и модулируется 1енератор УВЧ этой станции. Следовательно, мгновенная фаза модулирующих импульсов также равна разности мгновенных фаз модулирующих cHHycoll;lH,nüíûê напряжений сигналов, излучаемых и принимаемых вибраторами станции, что необходимо для поучения высокой точности измерения.

В станции А сигнаl Iloc;Ic детектора подводится к усилителю низкой частоты и видеоусилителю. На выходе первого усилителя образуется синусоидальный низкочастотный сигнал частоты AF, а на выходе второго — короткие импульсы. Индикатор станции А измеряет разно ть фаз низкочастотных синусоидальных колебаний ll импульсов. Анализ показывает, что при частоте модулирующих сннусоидальных колебаний г станции Б — F -, - ЛР показание индикатора будет равно 2 — + ЛФ х— о о"

ЛФА+ ЛФв., а при частоте E — ЛЕ равно — 2 — — —. ЛФл - — ЛФА + ЛФв

L )

Г

Величина 2 о есть искомый результат измерения. а сумма ЛФА— и о — ЛФ л + ЛФ в — погрешность измерения. Здесь + =- 2лР, r — измеряемое расстояние, Vp — скорость света; ЛФ х = — ЛФ, + ЛФ д„+ ЛФ „„;

ЛФ A., ЛФА„,, Л Фл — углы, учитывающие искажение фазы соответственно модулирующих импульсов в высокочастотном тракте и усилителе промежуточной частоты и видеоимпульсов в импульсном тракте станции А: ЛФА = ЛФл.; — Л Кля+ЛФАК, ЛФлн=ЛФАв (-- ) — eл.@) = (Я> (o) Ф Ф(o ЛО). Ф ((.) Ф, ((э Л О) Ф 1О Л ()) углы, учитывающие искажение фазы модулирующих колебаний в высокочастотном тракте станции А (в функции от частоты модулирующих колебаний), ЛФ „, ЛФл, — углы, учитывающие искажение фазы соответственно модулирующего колебания частоты ЛР в усилителе промежуточной частоты и синусоидального колебания частоты ЛЕ в усилителе низкой частоты станции А; ЛФ ь = ЛФ в, + ЛФ En + Ф Бн, Л ФБв, ЛФ вп, ЛФв„— углы, учитывающие искажения фазы в соответствующих трактах станции Б.

Погрешность измерения, следовательно, зависит не от модулирующей частоты F, а от низкой частоты ЛР. Так как AF много меньше ширины полосы пропускания тракта высокой частоты и усилителя промежуточной частоты, то составляющие погрешности вследствие фазовых искажений в высокочастотном тракте и в усилителе промежуточной частоты будут ничтожно малыми; составляющие погрешностей вследствие фазовых искажений в низкочастотных и импульсных трактах, при правильно выбранных параметрах в них, могут быть получены также ничтожно малыми. Таким образом суммарная погрешность ЛФА — ЛФА —, + ЛФ l; будет ничтожно малой величиной Для исключения остаточной погрешности производится двухкратное измерение расстояния: один раз при частоте модулирующего колебания генератора УВЧ станции Б F +

+ ЛР и другой — при частоте F — ЛР. В первом случае результат изме/ рения 22 — получается с положительным знаком, во втором — с отри о цательным при сохранении неизменным знака погрешности измерения.

Полуразность обоих показаний дает результат без погрешности измерения. Такой метод исключения погрешности приводит одновременно к исключению и некоторых других составляющих погрешностей: погрешности за счет неточности установки шкалы, систематических ошибок отсчетов, эллиптичности развертки и пр.

Излучаемые станцией А колебания модулируются по амплитуде синусоидальным сигналом частоты F, а станцией Б — двумя сигналами— по амплитуде синусоидальными колебаниями частоты F + ЛР или F—

„хо 12,-186 —, .Г El KBKHBI- H(00 VICTOI Oi31 103,,IHUEHI (например Blvlil,!EETI+Hbi ii, стотным и др.) импульсазш, частота следования которых равна ЛР, а мгновенная фаза — разности мгновенных фаз модулируюших синуСОИдаЛЬПЫХ НЯП17я7КЕНПй СИГНяЛОВ, ИЗЛуоlаЕМЫХ И ПрИНИМЯЕМЫХ ВИб172торами обоих станций. В супергетсродинных приемниках обеих станций для преооразования частоты используются колебания, непосредственно наводимые передающим вибратором на приемный вибратор; разность частот генераторов УВЧ станций А и Б выбирается при этом равнои промежуточной частоте приемников обоих станций. Отсчет расстояний производится на станции Л HO двум измерениям разности фаз ме7кду г олуче1гным после детектиров21гия спнусоидальным сигналом низкой

ЧЯСТОТЫ Л И ИМПУЛ1ос<1М!1, ОДНО ИЗ КОТ017ЫХ 1Ю!УЧЯК7 E!i7H IBCTOTQ МОДУ .яцип отражавшей станции F + Л7, а другое — r;p» часто1е i — ЛГ.

Устро, icr20 для осуществления способы изме;7ения расcioHilня состоит в следу10щем.

Гене 72тор УВЧ 1 станции А (фш. 1) 3Н7дулируется «олебаьиями высокостабильной. частоты F, вырабатываемыми кварцевым геперато17OX". 2. Для опреде ICE(EBB 110 7HOr0 iHBC;IB OI70pOTOH 1172зы HCHO. IHB3 IOTCH Tpll дополнителы1ые высокостабильные колебания, которыми поочередно модулируется генератор УВЧ. Целесообразно, например, выоирать F =—

=- 10 лггц, а остальные частоты — 9,99 лиги, 9,9 .;: BI1 и 9,0 IeeII,. Переход от одной модулирующей частоты к друl oil о ущесгвляется переключением кварцев К л,, К, К, ;„ f(, с помо.1ь и iepc;<лючателя 11

Ра ности ме7кду отсчетами для основной частоты 10 лггц и осталы|ыми тремя частотами дают показания фазы, относящиеся к разпостной частоте модуляции, т. е. 10, 100 и 100J кщ. 1 ри данных чаcr0-.2:; вся шкала соответствуег около 15 м и возможно оп17сдк1ять расстояния до

15 кл. Если расстояния больше 15 к,и, -о отсчет опять начинается с 0 через каждые следующие 15 кл.

Колебания частоты Г + Лг u F — ЛГ для модуляции гене»атора

УВЧ 11 станции Б (фиг. 2) могут быть получепь1 раз;ш шыми мсгодами, нап17имср C IIÎBIOIHLIO 62 12HCHOrо >10ду IEITOpB.,i3ля BTOH IIC Ill колебание частоты F с выхода детектора 14 с помошьк> второго смесителя 22 и кварцевого гетеродина 28 снижается l<0 1 „р, которое подводится вместе с колебаниями частоты ЛГ от низко гастотного генератора 26, к балансному модулятору 25, где с помощью двух узкополосных кварцевых фильтров 27 и 28 па выходе ьыделяются частоты F„, —, ЛГ и F,ð — ЛГ; выбор той или другой -астоты производится переключателем 77„, Преобразование частоты от F,р — Л1 к частоте Р+ЛР производится," помощью третьего смесителя 29 и того же кварцевог0 гетеродина 28. 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 KI;I, К TI, К ь,, К в,,с 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 1131пульсны11 генератор). Модуляция Ilo 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 F) с использованием одной верхней боковой полосы спектра импульсов (см. фиг. 2). Импульсы с выхода импульсного каскада 16 вместе с колебаниями F ð с выхода кварцевого усилителя 24 подводятся на четвертый смеситель 17 и с помогць!о фильтра 18 и резонансного усилителя 19 выделяется верхняя ооковая полоса спектра. Это напряжение подводит=я il«l пятьш с::icñèтель 20 вместе с колебаниями от кварцевого гетеродина 23. С помощью резонансного усилителя 21 выделяется пскл(ая верхняя боковая полоса спектра, которым модулируется генератор УВЧ. Спектр модулпрующпх импульсов ограничен от F,,„„до FÄÄ,, (T;) позволяет на выходе детектора станции А отделить импульсный сигнал от синусоидального сигнала частоты ЛЕ.

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 lià 90

1()II получения HB 3KpBHc круговой развертки. 1(ороткпе ID(Hj !bcpl c Bbiхода видеоу силителя подводятся к « правля(още:«! «Злскт;)оду т!)у Оl.п. 1<2 время действия импульсов трубка запирается и на кругово((развертке образуется небольшо!««разрыв, по положению которого определяется расстояние. Здесь также можно использовать электронно-лу«(еву!о трубку с центральным электродом.

Для исключения погрешности измерения, которая мо.-(; т гознпкkl) Th вследствие HQTÎчной центрпровк(! HIKB.Ihl, Icoá ;0 H)(0 IipoI(320QHTb двухк!)атное пз «!ереп((е pBÇHccTli (!) 3 lц)п нормальнО«! полджеlп(п Отсчст(о(".: от Истин на экране трубки и прп обратном. Так как знак погрешности из-за эксцснтриситета меняется при изменении фазы отсчетной отметки на обратную, То пот сммма соспх показаний дает !)ез льтат без погрешности kI3»iepeH»a. Изменение поло>кения Отс (етн01(Отметки на ООратную производится на станции Б изменением фазы колебания чBcòîòû

ЛР па 00pBTkIK ю с помощыО HcpCKлlо 1». c, iH 11 Bl . ГBKII)I 0«)p230:;1, точный рсЗу льт(!т измерения расстоянl(я достигается в pc3) льтате четь(рехKp2(HoI 0 Отсчета показаний н", экраlге трубк1! Пнд!(катор««(, Т«(кое точное определение фазы требуется только для основной гастоты, для остальных частот является достаточным однократное измерение.

Предлагаемое устройство для .(ëåpc;(Hÿ расстояния оозспечивает двухстороннюю телефонную связь между станциями 1 и Б. Для этои цели используются дополнительные телефонные усилители с телефонными трубками на выходе и микрофонные усплител,i с мпкрофонам. на входе. Переход с измерения на телефонную связь осуществляется с помощью перекгпочателсй П;„, П I;1. В тех случаях, когда Допусти) О некоторое снижение точности измерения, станцию Б можно построить по упрощенног! схеме (ф(!г. 5). Например, если допустить некоторую неточность в установке модулирующей частоты станции Б F —, Л1 u F— —,.ËF, то вместо балансного модулятора можно использовать кварцевый генератор 44, который приближенно будет обеспечивать требуемую сумму, и разность частот F u AF. Может также отпасть необходи IocT(в изменении фазы отсчетной отметки на обратную. Если треоуемая точность позволяет, кроме того, использогать более мелкий масштаб шкалы и снизить частоту модуляции F, то можно в станции Б исключить четвертый 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 F -+- ЛР u F — AF, а кзарцы

К в, и К в, — обе дополнительные частоты модуляции, увеличенные на Л1, необходимые при определении полного числа оборотов фазы. При переходе с одной частоты на другую одновременно необходимо изменять настройку кварцевого усилителя. № 121486

Предмет изобретения

1. Способ измерения расстояний с использованием прямого и отраженного радиосигналов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, сигналы главной и отражающей станции модулируют по амплитуде синусоидальными колебаниями, о тл и ч а ю щ им 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, о тл и ч а ющи и с 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 которого через переключатель подключены два узкополосных фильтра, настроенные на сигналы с частотами, равными, соответственно, сумме и разности частот модуляции и низкой частоты.