Устройство для обработки сигнала лазерного доплеровского анемометра

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения скорости и повышение степени автоматизации работы устройства. Устройство работает в двух режимах: "Поиск" (обзор спектра входного сигнала) и "Слежение". Радиосигнал лазерного доплеровского анемометра (ЛДА) через входной фильтр 17 и блок 15 автоматической регулировки амплитуды поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, где перемножается с выходным сигналом квадратурного генератора 3, управляемого напряжением (ГУН). С выхода смесителя через управляемые фильтры нижних частот (УФНЧ) 8, 9 сигналы поступают параллельно на амплитудный детектор 7 и формирователи 6, 10 импульсов. Импульсы, поступающие с формирователя 10, подаются на входы многовходового логического узла 4 коммутации, состоящего из управляемых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управляет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подается через диапазонные компараторы 13, 14 на управляющие входы логического узла 4. На другие управляющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с выхода таймера 11 и компаратора 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управляет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устройство работает в режиме "Поиск", при этом логический узел 4 вырабатывает сигналы "Сканирование" и "Сброс" для управления четырехканальным коммутатором 26, являющимся входным логическим звеном интегратора 5. При наличии доплеровского сигнала (режим "Слежение") информационные импульсы с выхода узла 4 управляют добавлением порций (квантов) положительного или отрицательного заряда, поступающих из биполярного источника 27, входящего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимается с выхода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5D 4 G 01 Р 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

llO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П(НТ СССР

1 ! (21) 4306993/24-10 (22) 16.09.87 (46) 30. 11.89. Бюп. № 44 (71) Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР (72) Ю.Н. Лубнищев и В.Г. !1еледин (53) 621. 39. 1: 621. 378: 532. 57 (088.8) (56) Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. Справочник/Под ред. И.С. Соскина. Киев. На кова думка, 1985, с. 363-364.

Коронкевич В.П., Соболев В.С., Лубнищен I ).È. Лазерная интерферометрия. Ново-ибирск: Наука, 1983, с. 177-179. (54 ) УСТРОЙСТВО le% ОБРАБОТИ! СИГНАЛА 3!АЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО AIIFMOMETPA (57) Изобретен е относите я к измерительной технике н может быть исполь„„SU„„5255 9 д1 зовано в лазерной доплеровской анемометрии. Цель изобретения — повышение точности измерения схорости и . повышение степени автоматизации работы ус.тройства. Устройство работает в двух режимах: "Поиск" (обзор спектра входного сигнала) и Слежение".

Радиосигнал лазерного доплеровского анемометра (.1ЩА) через входной фильтр 17 и блок 15 автоматической регулировки амплитуды поступает на двухканальный квадратурный смеситель

1,2, где перемножается с выходным сигналом квадратурного генератора 3, управляемого напряжением (ГУН). С вых 1дя смесителя чер 3 учравля мые фильтры нижних частот (УФНЧ) 8,9 сигналы поступают параллельно на амплитудный петектор 7 и формирователи 6, 10 импульсов. Импульсы, поступяюпв е с формирователя 1О, подаются фраиЯ

1525579

l5,на входы многовходового логического узла 4 коммутации, состоящего из управ»тяемых логическими элементами коммутаторов. Импульсы с информационных входов логического узла 4 поступают в коммутируемый аналоговый интегратор 5, сигнал с выхода которого управляет работой ГУН и УФНЧ 8, 9, а также подается через диапазонные компараторы 13, 14 на управляющие входы логического .узла 4. На другие управляющие входы узла 4 поступают потенциальные сигналы с вы хода таймера 11 и компаратора 12, информационный вход которого соединен с выходом детектора 7, а выход управляет запуском таймера 11. В отсутствие доплеровского сигнала устИзобретение относится к измеритель-25 ной технике и может быть использовано в лазерной доплеровской анемометрии для измерения скорости движения светорассеивающих поверхностей, жидкостей и газов ° 30

Цель изобретения - повышение точности измерения скорости и повышение степени автоматизации работы устройства.

На чертеже представлена блок-схе35 ма устройства.

Устройство содержит двухканальный квадратурный смеситель 1, 2, квадратурный генератор 3, управляемый напряжением (ГУН), узел 4 коммутации, ин- 40 тегратор 5, первый формирователь 6 импульсов, мгновенный амплитудный детектор 7, двухканальный управляемый фильтр 8,9 низких частот, второй формирователь 10 коротких импульсов, 45 таймер. 11, первый компаратор 12 с управляемым порогом второй и третий компараторы 13 и 14 с управляемым порогом, блок 15 автоматической регулировки усиления, частотно-аналоговый преобразователь 16 напряжения, входной фильтр 17. Узел 4 коммутации выполнен в виде многовходового логического узла, а интегратор 5 выполнен коммутируемым аналоговым.

Логический узел 4 содержит два

55 логических двухвходовых элемента 18 и 19, kS-триггер 20, три двухканальных логических коммутатора 21, 22 ройство работает в режиме "Поиск", при этом логический узел 4 вырабаты-вает сигналы "Сканирование" и "Сброс" для управления четырехканальным коммутатором 26, являющимся входным логическим звеном интегратора 5. Прп на-, личии доплеровского сигнала (режим..

"Слежение" ) информационные импульсы с выхода узла 4 управляют добавле»п»ем порций (квантов) положительного или отрицательного заряда, поступающих из биполярного источника 27, входящего в состав интегратора 5. Выходной сигнал снимается с выхода ГУН и поступает на выход устройства через частотно-аналоговый преобразователь 16.

3 э.п. ф-лы, 1 ил. и 23 и инвертор 24 . Коммут»»руемий аналоговый интегратор 5 содержит аналоговый интегратор 25, четырехканальный коммутатор 26, н биполярный источник 27 опорного напряжения, при этом коммутатор содержит канал 28 сброса, канал 29 положительного кванта заряда, канал 30 сканирования и канал 31 отрицательного кванта заряда.

Устройство работает следующим образом.

Доплеровский радиосигнал поступает на входной фильтр 17, вход которого является входом устройства. Фильтр подавляет помехи в доплеровском радиосигнале, спектр которых не перекрывается со спектром доплеровского снг»»ала. Блок 15 автоматической регулировки усиления (АРУ) уменьшает разброс амплитуды доплеровского сигнала прн измерении скорости объектов со эначнтельно отличающимися светорассенвающими свойствами, что повышает помехоустойчивость измерений. Далее сигнал поступает на двухканальный квадратурный смеситель 1,2, например, ключевого типа, где перемножается с выходным сигналом квадратурного ГУП 3. Выходные сигналы смесителей, содер;ка»»»»»е наборы комбинационных частот, подвергаются фильтрации двумя управляе»»ы»»»» каналами фильтра 8,9 низких частот.

Сигналы на выходе каналов фильтра представляют собой квадратурные компоненты разности частот ГУН и доплсров1525 ского сtlr iiëJI I. Напряжение нл выходе мгно!3(riiiot амплитудно! о детект()рл 7

rtpoIIo!)IlIIoIlBJIr сумме квадратов амплитуд квлдрлтурш!х ко Ill<)lrp II T т. е. квлд1 рату лмп.штуды »1ч!блюгоей доплеровского crtri!;Irr;I. Это ir »1) si) crt«e подается на вход компаратора 12, к )торый сравпинает его с Ifçrråc Tø I..f уровнем, уста1tar3Jrrfr3aewl по опорному входу. Импуль-!

О сы с вых

lrCpt3M1I yilp

1 !!х< )!н!.! и 1 ульсы .)<)J)IIII!). I! 3телл 6

ЗО нор!и!р I<)T(i, ) д:!1<т(."1! Il<)c TII (1)(>!)ItrtpotIQ телом 10 кор< тки:< It!I!Ió»ьсов и поступают нл Ifrlgopll;11TlfoltlllQ входы логического у )Jn 4. Сигнлл, о !ределяющий члстoTI I II 3< Tr )I!1(lr ГУН If управляемого

ФИ<1, поступает также нл входы дилпа- З5 зонных комдлрлт()ров 13 и 1 3 с известlIl>Ir fH COOT!3 CTCT I3VI<)lIfIf flI м(1ксимлльной и ми!шмллы<ой частотам, порогл<п!

CP;16ilT1,It3clIlIISt УСтапаВЛИ1 ЛЕМЫМИ ПО СООтиетствующим опор!!ым входлм. Компара- 40 торы срабатывают при в1:!ходе управляющего Irar!psr).;el!I!sr ГУ11 и 1)1!Ч ra заданные кпшимальный и максималыппй уpor.trrf > соответству3о!!<ие f„„, „ il f

Сигналы с выходов комплраторов по- 45 даются нл третий и четвертый управляющ1!е входы логического у.?лл 4 . Сигнал управления частотой ГУН и фНЧ 8, 9 я вля ется ньо:одным сигналом коммутируемого лнллогового интегратора 5, содер-50 жащего клпалы 28-31, ком:"1утируемые выходными сигналами логического узла

4. При отсутствии этих сигналов ключи всех каналов разомкнуты и интегратор

25 играет роль элемента аналоговой 55 памяти, ф!!ксирующего частоту ГУН на

sagaIr Itor f ypor3rte .

Устройство работает в двух основных реж3<млх: "Поиск" (обзор спектра) 579 6 и Слежение" .. Режим "Поиск имеет место при отсутствии доплеровского сигнала, В этом случае в спектре выходного сигнлла отсутствуют сосредоточенные спектральные компоненты.

Нри этом напряжение на выходе мгновенного амплитудного детектора 7 мало, комплратор 12 и таймер 11 выклю)!ены. Сигналы с выходов таймера и комилраторл объединяются в двухвходовом логическом элементе 18. Когда оба сигнала нл входе элемента 18 отсутствуют, напряжение на его выходе также отсутствует и двухканальный логический ком!!утлтор 23 выключен. Коммутатор

) 1 ° . ° то же время вклю I(II сl) f налом ин.,: р r орэ 241. Через этот 1 < 3 (утлтор уп1:.I !3.1я!опп!е входы клил); н < I («:ировлния

30 Il г(?роса 28 к 1".<ут<:ру< .1)))го аналогового интегратора 5 подк?!ю)!ены к выходам триггерл 20 ло!1шеского узла 4.

))

К 1.— it 8-rix

cI!ãíëëII диаплзонн!лх кс)(мутаторов

13 it 14.

Когда на Q-выходе триггера устлнов) I I I ленл лог. 1, коммутатор 21 включен

If II и лог. 1 подается нл уп!)лвляющ3!1! вход клылла 30 склш!ровлнил. Ключ 4 это! о !(лнллл открыт it 3!нтегрлгор 25 элрлжается от источ!шкл 27 опорного наг!ряжопи я, подключенного к входу ключа. Напряжение на выходе интеграторл уменьшается, перестраивая ГУН и д!)ухклнлл<,нь!й управляемый <1)НЧ. Как только это напряже1ше достигнет уровня, соответствуюшег0 миш!млльному заданному значению, включится компарлтор 14, триггер 20 изменит состояние и откроет канал 28 сброса. Интегратор начнет перезаряжаться опорным напряжением противоположной полярности и напряжение на его выходе станет увеличиваться. При достижении максимального заданного значения сработает компаратор 13, триггер 20 rirforrb

Переключится, и цикл работы устройстра повторится. Постоянные времени сканирования и сброса определяются резисторами соответствующих каналов

28 и 30 и выбираются из условия (. сканирования р? (сброса (1)

Устройство переходит в режим "СлеII жение, если во входном сигнале появляется сосредоточенная спектральная компонента (доплеровский сигнал) .

Когда разностная частота доплеровского сигнала и ГУН попадет в полосу

1525 пропускания Фич 8, 9, Ifa выходе мгновенного амплитудного детектора появится напряжение. Сработает компаратор

12, вьпслючая коммутатор 21 логическлгo узла 4 через инвертор 24. Рeit(!It!

"Поиск" выключается, интегратор 25 запоминает напряжение, соответству(ощее частоте ГУИ, при когорлй обнару-. жен сигнал. Одновременно включается коммутатор 23 и таймер 11, дополнительно блокируя через логичсский элемент 18 режим "Поиск". Система переходит в режим частотного автосопровождения максимума спектральног(i пика входного сигнала. Импульсы, соот15 ветствующие напряже11ию разностпой частоты проводят через открытые коммутаторы 23 и 22 и попадают па управляющие входы каналов положител(,ного кванта заряда 29 или отрпцатопьцогo кванта заряда 31. Каждый импульс норв мирован по длительности Qoptf.lpos.nтелем 10 коротких импульсов и ;ы ывает замыкание ключа канала инте гр в т opà на

25 нормированное время. 3a время действия каждого импульса на интегратор передается нормированнан положительны» или отрицательная порция (квант) заряда от биполярного источника 27 опорного напряжения через резисторы, входящие в состав каналов 29 и 31 ко..(мутируемого аналогового интегратора 5. Если частота ГУН меньше частоты допперовtcEcoI o сигнала, импупьсы включают канал 31 отрицательного кванта, иа ип- 35 тегратор поступают отрицательные кванты и его выходное Ifanpslit(ft«Ie увеличивается, а частота ГУН повышается до тех пор, пока не сравняется с частотой доплеровского сигнала. Если 40 частота ГУН меньше доплеровской, импульсы включают канал 29 пол03303тсльного кванта заряда, что приводит к увеличению частоты ГУ11. В установившемся режиме частота ГУН равна дг.ппе- 45 ровской. Элементы 19 и 22 служат для блокирования работы петли слежения.

При выходе частоты ГУН на saEEaI!Iit:te границы сработает один из компараторов 13, 14, напряже11ие на выходе логического элемента 19 пропадает, выключив коммутатор 22 и разорвав, таким образом, петлю слежения.

При пропадании входного доплерон ского сигнала компаратор 12 выкпюча5.3 ется, 110 система остается в режиме Слежение", пока !;е выключится таймер 11. Это необходимо для предотвращения сбоев автоподстройки при кр; т, 79

В

1<0 tip(. 1ettftt tX пропадя!11»х 1(хo;t !to! 0

Длn:1(31) 013с клгo 0111 !!(1 I 1, ? 1)(!ь 1 (..1 !! Iх для П11,Л .

Прп (!ха!киров till!If влплсы час f от спектра 13 13е3ю1ме "Поиск" ГУН I13ttBttst ет свою частоту лт макс!!мыльttoi дл ьп1ш(мал(.нл11, что позвоп»ет I!pit tet!If ь

13 устройстве смес1гг ели I 11 2 toi! 1евого Titiiа, построенные, ttQItpfftfep ва ц11фрлв1.1х д11скретпых элеме«тах.

Захват с11стемлй паразит(я,1х гармоник нходцогo доплеро вского c!II it;1EIB !3 в 1( ре>к3!ме Поиск при íi .t!c»(tttttotf капапе сброса пе происходит благодаря условию (! ) . Ttt!c как время сброса t t!tor о меньше времени скaftftpoE3at»fsE, мощность узкополосных сигналов, 13лпада(о111ая н полосу IEponycicaitffst перестра!(вающейся с11стемы, в режиме сброса tгцогл мень» е аналогичной млщпости в ре3ю1110

cleat«tp0E3affIt». Поэтому б:10кировка

13 Ic3II0 t Cttlf » р е33(3!ма Сп е;1,е;, l!! е !30 I!p «ь1sl раб гы канала сброса ие требуется.

Динамический диапазон;".трлйства по !101!перовской частоте с логlieTc TEIóåò динамическому диапаэо(.у широкоплпосного ГУП. Известные ш(1рокополлсные

ГУИ обладают удовлетвор1.гольной пнttei :вестью (орядка 10/) в р:(блч(и диапазоне перестройки, чтл прп13лдит к з11ы 1ите:11.1!ой (до 10Х) 1!ел!11(еш(ой зависимости напряжения, упр(3г3л»1ощего

ГУН 3 и ФИЧ 8„9 от измор»емлй доплерлвсклй частоты Ii.to„líого cilr11ыл».

В то:nc 13petfя рассогпаслваш(е м(333(ду частотой входного длплеровского спгНаЛа И ЧаСтОтлй НЬГХОДЯЛГO С;(гнала

ГУН пренебрежимо ма. !о вл всем дивампческлм дпапаэоче. П(этом> EE s!»Опучедия а11а(!огонлго 11зпря 1(еш(!1, точно соответсгвующегл измеряемой час-готе входного доплерлвскогс сигнала, в устройство введен частотно-аналоговый преобразователь Eiaftp»ь(01(1111 с лицейпой передатлчплй характер.:1стi .I.ot!, который бытt в tr!0:fnol! д11апаэ(3!ti!t!ti, Полоса пропускания упрывпяемлгл двухканального ФНЧ выб.Ipse tcÿ равцой частоте доплеровсклго 011г11апа, деленной иа tf313ec Ttfoe ч31с 10 иптс рфеp(tíöèîínP0cTP(>tcTE3< »пой cTPJ KTjj ре soil(E,I.!pyющегл опт 1:1ескогл поля ЩЛ, Такой выбор по тось. пр лгу<.. кыв11» «6еспечивает более качес тв иную <, ппьтрацию сигнала .

Л(Зги 1еск11й узел - .тс.+,ет быт 13(3".—— лизоньки т(3 (же в в(ц((ц лгрзмм1(русмой лог(1ческли матрицы, 11атрица программируе", csl таким лбра э и, чт;".:-,i логичсс—

1525579

l0 кие соСтояния ее входов и выходов соответствовали логическим состояниям входов и выходов описанного логического узла 4.

Таким образом, обеспечивается пол- 5 постыл автоматический процесс измерений при повы»»»енной точности и надеж" ности . Электронная схел»а устройства имеет низкий шум дискретности эа счет применения коммутируемого аналогового интегратора. формула изобретения

1. Устройство для обработки сигна-15 ла лазерного доплеровского анемометра, содержащее двухканальный квадратурный смеситель, квадратурный управляемый генератор, узел коммутации, интеграгор, а также первый формирователь 20 импульсов, амплитудный детектор и двухканальный фильтр нижних частот прн этом каждый из двух выходов квадратурного смесителя подкнючен параллельно к одному из двух входов амплитудного детектора и формирователя импульсов через соответствующий канал фильтра нижних частот, выход интегратора cnew»»»tet» с входом квадратурного управляемого генератора, первый и 30 второ»» выходы которого подключены к первым входам соответственно первого и второго каналов квадратурного смесителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и степе!»»» авгол»атизац»»и работы, в него введе»»ы вгс>ро»1 формирователь коротк»»х»»л!»»у»»»,сов, таймер, три компаратора с управляемым порогом, блок автоматической регулировки 40 усиления, частотно-аналоговый преобразователь напряжения, Ilxoll,ttîé фильтр, причем двухканаль!»ьи! фильтр t.ttýêît» частоты выпо.твен перестрвцввел»ь»м по управлявшему входу, узел ..с л»л»утации 45 выполнен в виде л!»»оговход !ого логи-! сского уз-»д )!нгеt рат;»р «t:t»îëHåí коммуTt!pvс . »ы»! - íàëñã 0»зыл! > при этом выходы первого кол»паратора и таймера соответственно подключс!.ы к первому 50 и второму управляющим «хсдам лог»»ческого узла, первый и второй входы второго формирователя импульсов подключены к первому и второму выходам первого форл»»»рователя импульсов, а первый и второй выходы — к первому и

55 второму»»»!форл!ац»»о!!!»ыл! нходам логического узла, вы»сoiltt второго и третьего компараторов по;»ключены к третьему и четвертому управляющим входам логического узла, а входы - к выходу интегратора, первый и второй управляющие выходы логического узла подключены к первому и второму управляющим входам интегратора, а первый и второй информационные выходы логического узла подключены к первому и второму информационным входам интегратора, вход перного компаратора подсоединен к выходу амплитудного детектора, а выход - к входу таймера, при этом вход частот" но-аналогового преобразователя напряжения подключен к одному иэ выходов квадратурного управляемого генератора, а выход являе,гся выходом устройства, блок автоматической регулировки усиления включен между объединенным вторым входом квадратурного смесителя и выходом входного фильтра, вход которого является входом устройства.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что логический узел содержит два двухвходовых логических элемента, RS-триггер, три двухканальных логических коммутатора и инвертор, причем выход первого двухвходового логического элемента подключен к управляющему входу третьего двухканального логического коммутатора непосредственно, а к управляющему входу первого двухканального логического коммутатора — через инвертор, выход второго двухвходового логического элемента соединен с управляющим входом второго двухканального логического коммутатора, входы второго логического элемента подключены параллельно входам триггера, выходы триггера подключены к входам первого двухканального логического коммутатора, а выходы третьего двухканального логичсского коммутатора подключены соответственно к входам второго двухканального логического коммутатора, при этом первым и вторым управляющими входами логического узла являются входы первого двухвходового логического элемента, третьим и четвертым управляющими входал»»» логического узла являются Входы триггера, входы третьего двухканального логического коммутатора являются информационными входал»»» логического узла, управляющими выходами логического узла являются выходы первого двухканального логи— ческого коммутатора, à t»H@opMB»»t»oнными выходами логического узла явля1525579

Составитель А,Тимофеев

Техред М. Дндык Корректор 11-Муска

Pедактор М.Петрова

Заказ 7216/39 Тираж 789 Подписное

В11ИИ11И 1 осуцарственного комитета по изобретениям и открытнвм прн ГК1РГ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Пронзволственно-издательский комбинат Патент", r.Óærîðîä, ул. Гагарина,101 ются выходы второго двухканального логического коваиутатора.

3. Устройство по п. 1 о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что логический узел выполнен в виде программируемой логической матрицы.

4. Устройсгво по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что коммутируемый аналоговый интегратор содержит аналоговый интегратор, четырехканальный коммутатор и биполярный источник опорного напряжения, причем один из выходов биполярного источника опорного напряжения параллельно подключен к сигнальным входам канала сброса и канала положительного .кванта заряда, а второй выход биполярного источника подсоединен к сигнальным входам канала сканирования и канала отрицательного кванта заряда коммутируемого аналогового интегратора, выходы всех четырех каналов коммутатора объединены и соединены с входом аналогового интегратора, выход которого является выходом коммутируемого аналогового интегратора, управляющие входы канала сброса и канала сканирования коммутатора являются управлякяцими входами коммутируемого аналогового интегратора, а информационными входами коммутируемого аналогового интегратора являются управляющие входы каналов положительного и отрицательного квантов заряда коммутатора.