Способ измерения вибрационных параметров малоудаленных объектов

 

Изобретение относится к радиолокационным методам и предназначено для определения параметров близко расположенных вибрирующих объектов по гармоническим составляющим отраженного сигнала. Способ заключается в излучении в направлении исследуемого объекта модулированного зондирующего сигнала, приеме отраженного объектом сигнала, его детектировании, выделении модуляционной составляющей, на основе анализа которой определяются вибрационные параметры объекта. При этом зондирующий сигнал модулируют по закону модуляционной составляющей принятого отраженного сигнала до тех пор, пока амплитуда выделенной модуляционной составляющей при сравнении ее с данным эталонным пороговым уровнем не превысит его. После этого осуществляют спектральный анализ модуляционной составляющей для определения ее характеристик, по которым оценивают вибрационные параметры объекта. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения вибрационных параметров объектов, находящихся на небольшом расстоянии от РЛС.

Изобретение относится к радиолокационным методам (способам) и предназначено для определения параметров близкорасположенных (малоудаленных) вибрирующих объектов по гармоническим составляющим отраженного сигнала.

Известны способ и устройство измерения параметров и классификации объектов [1], предназначенные для воспроизведения условного обозначения пеленгуемого воздушного объекта. Способ заключается в излучении модулированного зондирующего сигнала в направлении объекта, приеме отраженного от объекта сигнала, его частотой фильтрации, детектировании и корреляционной обработке. По степени соответствия отраженного сигнала эталонному судят о параметрах воздушного объекта.

Описанный способ не обеспечивает высокой точности определения вибрационных параметров объектов, поскольку отраженный сигнал содержит в себе большую долю информации, обусловленную другими более ярко выраженными физическими явлениями (рыскания, крены полета, изменение ракурса локации). При корреляционной обработке не учитывается конкретный вклад какого-либо определенного параметра в модуляцию отраженного сигнала. Таким образом, вибрационные параметры объекта не могут быть определены с достаточной точностью.

Известен также способ измерения (распознавания) параметров сопровождаемых воздушных объектов [2] , совершающих линейные перемещения и вибрации различной амплитуды. Данный способ заключается в том, что передатчик РЛС непрерывно вырабатывает импульсно-модулированный сигнал сверхвысоких частот, который через антенну излучается в пространство в направлении объекта. Отраженные объектом сигналы принимаются этой же антенной и направляются в приемник. Отраженные сигналы в течение нескольких периодов повторения импульсов объединяются с сигналами, имеющими такую же частоту, но постоянную начальную фазу. В результате такого объединения формируется сигнал, частота которого равна частоте объединяемых сигналов, а амплитуда модулирована за счет изменения фазы между отраженными и опорными сигналами. Изменение фазы возникает в результате перемещений и вибраций воздушного объекта. Амплитудно-модулированный сигнал фильтруется и детектируется, что позволяет выделить модуляционную составляющую. Данная составляющая в соответствии с параметрами вибрации объекта воспроизводится в виде звукового сигнала определенного тембра в головных телефонах оператора РЛС. По тембру звука оператор определяет класс воздушного объекта.

Данный способ не может обеспечить высокую точность распознавания параметров воздушных объектов, так как цели разных классов на различных скоростях и ракурсах могут иметь одинаковую амплитуду и период вибраций, что повышает ошибки распознавания. Способ имеет низкую точность определения вибрационных параметров как удаленных, так и близких объектов, так как окраска звука (тембр) является низкоинформативным признаком распознавания, существенно зависящим от идентификационных способностей оператора РЛС.

Задачей изобретения является повышение точности определения вибрационных параметров объектов, находящихся на небольшом расстоянии от РЛС. Указанная задача (цель) является актуальной, поскольку она позволяет использовать радиолокационную технику для решения многих народнохозяйственных задач специального назначения. Так, например, можно проверять качество работы двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей по амплитуде их вибраций на различных оборотах. Способ можно использовать для оценки величины вибрирования и качания вагонов поездов в наиболее опасных участках железной дороги. Можно оценивать также вибрации газотурбинных агрегатов, амплитуды вибраций высоких заводских труб, удерживаемых канатами и тросами, вибраций подвесных мостов при заданном уровне бокового ветра и т.п.

Для достижения цели изобретения предлагается выбранный вибрирующий объект облучать с небольшого расстояния (десятки-сотни метров) радиолокационным сигналом вида u₁(t) = U_m1cos(2πf_ot) = U_m1cos(ω_ot), где ω_o= 2πf_o - циклическая частота излучаемого сигнала; U_m1 - амплитудный множитель излучаемого сигнала.

Это позволяет, используя совмещенную РЛС, принять отразившийся от объекта сигнал вида [3]: U_пр1(t) = A_пр1cos[2π(f_o-F_д)t-ϕ_ц], (1) где A_пр1 - амплитудный коэффициент, учитывающий затухание радиоволн в пространстве, отражательную способность объекта, возможности усиления отраженного сигнала в РЛС; F_л - доплеровская добавка к частоте, определяемая из выражения F_д= 2f_oV_r/c = 2V_r/λ_o; V_r - радиальная составляющая скорости объекта; c - скорость света (распространения радиоволн);
λ_o - длина волны зондирующего сигнала;
ϕ_ц - начальная фаза отраженного сигнала, которая определяется дальностью r_о до исследуемого объекта и скачком начальной фазы при отражении от объекта ϕ_отр:
ϕ_ц= 4πf_or_o/c+ϕ_отр= 4πr_o/λ_o+ϕ_отр.
Подставив эти формулы в выражение (1), получим

где t_з = 2r_о/c - время задержки отраженного сигнала.

Учитывая факт вибрации (периодического приближения или удаления) исследуемого объекта, преобразуем (представим иначе) одно из слагаемых под знаком косинуса
4πtV_r/λ_o= 2ktV_r= ZcosΩt,
где k = 2π/λ_o - волновое число;
Z - амплитудный множитель (глубина модуляции) процесса вибрации;
cosΩt - гармоническая функция низкочастотной составляющей вибрации;
Ω - циклическая частота вибраций.

При таком представлении выражение для принятого сигнала примет вид
U_пр1(t) = A_пр1cos[ω_o(t-t_з)-ZcosΩt-ϕ_отр]. (3)
Принятый сигнал U_пр1(t) следует демодулировать одним из известных в теории радиолокации методов, выделить огибающую данного сигнала, и излучаемый зондирующий сигнал промодулировать по закону, который соответствует модуляции принятого сигнала U_пр1(t).

Вследствие такого преобразования излучения новый излучаемый сигнал будет описываться выражением
u₂(t) = U_m2cos[ω_o(t-t_з)-ZcosΩt-ϕ_отр]. (4)
Принятый в результате отражения от объекта сигнал будет иметь вид

В формуле (5) один из аргументов косинуса можно преобразовать. Для этого необходимо учесть, что величина t_з при малом удалении объекта будет существенно (на несколько порядков) меньше периода низкочастотного колебания объекта с частотой Ω Значит, данной величиной можно пренебречь. В итоге получаем следующее выражение
U_пр2(t) = A_пр2cos[ω_o(t-2t_з)-2ZcosΩt-2ϕ_отр]. (6)
Из выражения (6) видно, что глубина модуляции после соответствующего изменения зондирующего сигнала увеличилось в 2 раза. Если теперь изменить закон модуляции зондирования в соответствии с выражением (6), то принятый сигнал будет иметь глубину модуляции в 3 раза большую первоначальной:
U_пр3(t) = A_пр3cos[ω_o(t-3t_з)-3ZcosΩt-3ϕ_отр]. (7)
Повторяя описанные операции, можно непрерывно увеличивать глубину модуляции принятого сигнала. Это следует делать до тех пор, пока амплитуда выделенной огибающей при демодуляции отраженного сигнала не превысит заданного эталонного порогового уровня. При выполнении указанного условия выделенную огибающую подвергают спектральному анализу и выделяют в ней периодические составляющие вибраций объекта. Измерение частоты и амплитуды вибрационных составляющих позволяет сделать вывод о качестве и работоспособности исследуемого объекта. Для более тонкого и детального анализа вибрационных составляющих можно также предложить использовать при спектральном анализе цифровой метод: накопление в течение некоторого промежутка времени амплитудно-фазовой информации отраженного сигнала, в котором модуляционная составляющая превысила порог, а затем - проведение операции преобразования Фурье для получения спектральной информации в цифровом виде.

Как видно из описания предлагаемого способа измерения вибрационных параметров, он имеет явные преимущества перед ранее известными. Во-первых, за счет многократного увеличения глубины модуляции принятых сигналов повышается точность определения вибрационных параметров, так как вибрационные составляющие начинают более резко выделяться на фоне других. А, во-вторых, способ можно использовать для решения множества важных народнохозяйственных задач, перечисленных ранее.

Используемая литература
1. Патент США N 3803598. МКИ G 01 S 9/02. НКИ 345-5 SA. Опубл. 9.04.74 г. Журнал "Изобретения за рубежом" Выпуск 25. Техника испытаний и измерений. Москва. ЦНИИ ПИ. N 7. 1974. С. 99. (аналог).

2. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь. 1984. С. 36-37. Патент США N 3614779. МПК G 01 S 9/02. Опубл. 19.10.71 г. (прототип).

3. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М.: Советское радио. 1970. С. 353.

Формула изобретения

Способ измерения вибрационных параметров малоудаленных объектов, заключающийся в излучении в направлении исследуемого объекта модулированного зондирующего сигнала, приеме отраженного объектом сигнала, его детектировании, выделении модуляционной составляющей, на основе анализа которой определяются вибрационные параметры объекта, отличающийся тем, что зондирующий сигнал модулируют по закону модуляционной составляющей принятого отраженного сигнала до тех пор, пока амплитуда выделенной модуляционной составляющей при сравнении ее с заданным эталонным пороговым уровнем не превысит его, после чего анализ модуляции принятого сигнала осуществляют спектральным образом для определения частот модуляционных составляющих, характеризующих вибрационные параметры объекта.