Способ измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов и устройство для его реализации
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при построении различных автоматизированных измерительных систем для измерения расстояния до исследуемых объектов. Технический результат изобретения - повышение точности измерения расстояния до объектов. Способ заключается в генерировании периодической последовательности пикосекундных видеоимпульсов пилообразной формы, излучении периодической последовательности пикосекундных видеоимпульсов в виде последовательности пачек, причем видеоимпульсы пикосекундной длительности в пачке являются фазоманипулированными по закону псевдослучайной последовательности,; зондировании излученной периодической последовательностью пикосекундных видеоимпульсов исследуемого объекта, приеме отраженного от объекта сигнала, масштабно-временном преобразовании принятого сигнала, квантовании преобразованного сигнала, запоминании квантованного сигнала, согласованной фильтрации запомненного квантованного сигнала, обработке запомненного профильтрованного сигнала и получении измерительной информации об исследуемом объекте путем отсчета по индицируемым данным, данным, зафиксированным в виде твердой копии или на ПЭВМ. Устройство содержит генератор пикосекундных пилообразных видеоимпульсов, передающую антенну, приемную антенну, масштабно-временной преобразователь, блок памяти, согласованный фильтр, блок обработки, формирователь адреса, первое постоянное запоминающее устройство, второе постоянное запоминающее устройство, счетчик адреса, реверсивный счетчик, формирователь. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области радиоизмерительной техники и может быть использовано при построении различных автоматизированных измерительных систем для измерения расстояния до исследуемых объектов в радиолокации, геофизике, радионавигации.
Известен способ измерения расстояния до объектов [1], заключающийся в зондировании (облучении) объекта электромагнитной энергией радиосигнала и последующей обработке отраженного от объекта радиосигнала. Способ [1] заключается в генерации сигнала, модуляции его с преобразованием в радиосигнал соответствующей частоты, усилении модулированного радиосигнала, излучении модулированного радиосигнала, зондировании исследуемого объекта сформированным радиосигналом, приеме отраженного сигнала, демодуляции с преобразованием отраженного сигнала к основной частоте (вблизи нулевой частоты), обработке демодулированного сигнала для получения измерительной информации об исследуемом объекте путем отсчета по индицируемым данным, данным, зафиксированным в виде твердой копии или на ПЭВМ. Современный уровень позволяет при частоте несущей 94 ГГц обеспечить полосу частот 10 ГГц. При этом разрешение по времени составляет 0,2 нс, что соответствует разрешению по дальности 3 см, а шумовая температура равна 240 К. Недостатками способа являются сравнительно низкая точность измерения расстояния и достаточно большая сложность самого процесса измерения. Известно устройство измерения расстояния до объектов [2], которое включает в себя генератор непрерывных колебаний, первый выход которого соединен с входом усилителя мощности, второй вход которого соединен с выходом модулятора, а выход - с передающей антенной, приемная антенная соединена с первым входом приемника, обеспечивающего демодуляцию входного сигнала, второй вход приемника соединен с вторым выходом генератора, выход приемника соединен с входом индикатора, обеспечивающего обработку информации. Недостатком устройства является сравнительно низкая точность измерения расстояния. Известен способ [3], выбранный за прототип (способ видеоимпульсного измерения расстояния до объектов), заключающийся в генерировании последовательности широкополосных видеоимпульсов, излучении широкополосных видеоимпульсов, зондировании ими исследуемого объекта, приеме отраженного от объекта сигнала, масштабно-временном преобразовании принятого сигнала, квантовании преобразованного сигнала, запоминании квантованного сигнала, обработке запомненного сигнала для получения измерительной информации об исследуемом объекте путем отсчета по индицируемым данным, данным, зафиксированным в виде твердой копии или на ПЭВМ. Способ (прототип) позволяет измерять дальность до значений не более 450-1500 м при разрешении по дальности порядка 1,5-2 см; шумовая температура 90 К, затухание практически отсутствует. Недостатком способа [3] является низкая точность измерения расстояния, так как способ позволяет измерять расстояние до объектов только на малых дальностях действия. Известно устройство [3] для измерения расстояния до объектов, выбранное за прототип. В устройстве первый выход генератора ступенчатой функции соединен с входом передающей антенны, выходы которой связаны: первый - с объектом, второй - со вторым входом приемной антенны, второй выход генератора ступенчатой функции соединен со вторым входом масштабно-временного преобразователя, третий выход которого соединен с первым входом процессора, первый вход приемной антенны связан с объектом, а выход - соединен с первым входом масштабно-временного преобразователя, первый выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а второй выход - с входом индикатора, выход фильтра нижних частот соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом процессора, второй выход которого соединен с входами устройства отображения и ПЭВМ, выход которой соединен с входом устройства копирования. Данное устройство имеет недостаток - низкую точность измерения расстояния до объектов. Это связано со следующим. Для того, чтобы измерить любой из параметров объекта, необходимо облучить его сигналом с достаточной энергией, при которой интенсивность отраженного сигнала превышала бы некоторый минимальный уровень, когда еще возможны прием и обработка отраженного сигнала. В данном случае энергия сигнала определяется энергией одного импульса Е1, величина которой ограничена сверху достаточно низким значением: Е10,02 мДж, что снижает точность измерения параметров объекта, находящегося на неизвестном расстоянии. Кроме этого, увеличение мощности излучения связано с очень большими материальными затратами. Все это существенно ограничивает возможности применения этого устройства. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов при высокой дальности. Технический результат достигается тем, что в способе измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов, заключающемуся в генерировании последовательности видеоимпульсов и их излучении, зондировании ими исследуемого объекта, приеме отраженного от объекта сигнала, масштабно-временном преобразовании принятого отраженного сигнала, квантовании преобразованного сигнала, запоминании квантованного сигнала, обработке запомненного сигнала для получения измерительной информации об исследуемом объекте путем отсчета по индицируемым данным, данным, зафиксированных в виде твердой копии или на ПЭВМ, генерируют периодическую последовательность видеоимпульсов пикосекундной длительности пилообразной формы, а излучают пикосекундные видеоимпульсы в виде последовательности пачек импульсов, причем видеоимпульсы в пачке являются фазоманипулированными по закону псевдослучайной последовательности, запомненный сигнал подвергают согласованной фильтрации. Технический результат достигается тем, что в устройство, которое реализует способ измерения расстояния до объектов с помощью пикосекундных импульсов, содержащее передающую антенну, связанную с объектом, приемную антенну, связанную с объектом, масштабно-временной преобразователь, первый вход которого соединен с выходом приемной антенны, блок обработки, введены генератор пикосекундных пилообразных видеоимпульсов, первый выход которого соединен с входом передающей антенны, а второй - с вторым входом масштабно-временного преобразователя, первый выход масштабно-временного преобразователя соединен с первым входом блока памяти, выход которого соединен с первым входом согласованного фильтра, выход которого соединен с блоком обработки, второй выход масштабно-временного преобразователя соединен с входом формирователя и первыми входами счетчика адреса и формирователя адреса, второй вход которого соединен с вторым выходом формирователя и входом реверсивного счетчика, а выход - с четвертым входом блока памяти, второй вход которого соединен с выходом первого постоянного запоминающего устройства, вход которого соединен с выходом счетчика адреса, второй вход которого соединен с третьим выходом формирователя, первый выход которого соединен с третьим входом блока памяти, выход реверсивного счетчика соединен с входом второго постоянного запоминающего устройства, выход которого соединен со вторым входом согласованного фильтра. Применение видеоимпульсов пикосекундной длительности обеспечивает высокое разрешение по дальности при высокой дальности. Излучение пикосекундных видеоимпульсов в виде последовательности пачек импульсов позволяет существенно увеличить измеряемую дальность до объектов по сравнению с прототипом. Благодаря способу в принципе появляется возможность осуществления согласованной фильтрации принятого (отраженного от объекта) сигнала - видеоимпульсов и повышения помехозащищенности за счет улучшения отношения сигнал/шум. На фигуре 1 представлены сведения, подтверждающие возможность осуществления способа: рассмотрены сигналы и операции над ними согласно способу, позволяющие достичь технического результата. На фигуре 2 представлена структурная схема устройства для реализации способа. На фигурах 3 и 4 представлены диаграммы, поясняющие работу способа и устройства для его реализации. Способ осуществляется следующим образом: - генерируют периодическую последовательность пикосекундных видеоимпульсов пилообразной формы; - излучают периодическую последовательность пикосекундных видеоимпульсов в виде последовательности пачек, причем видеоимпульсы пикосекундной длительности в пачке являются фазоманипулированными по закону псевдослучайной последовательности; - зондируют излученной периодической последовательностью пикосекундных видеоимпульсов исследуемый объект; - принимают отраженный от объекта сигнал; - подвергают масштабно-временному преобразованию принятый сигнал; - квантуют преобразованный сигнал; - запоминают квантованный сигнал; - подвергают согласованной фильтрации запомненный квантованный сигнал; - обрабатывают запомненный профильтрованный сигнал и получают измерительную информацию об исследуемом объекте путем отсчета по индицируемым данным, данным, зафиксированным в виде твердой копии или на ПЭВМ. Способ реализуется следующим образом. Излученный (зондирующий) сигнал, форма которого заранее известна, представляет собой пачку (последовательность) фазоманипулированных (ФМ) видеоимпульсов пикосекундной длительности по закону псевдослучайной последовательности (ПСП), периодически повторяющейся. Следовательно, и принимаемый сигнал является ФМ сигналом, обладающим наибольшей потенциальной помехозащищенностью. Кроме этого, отношение сигнал/шум для ФМ сигнала увеличивается в N1/2 по сравнению с одиночным импульсом (N - число импульсов в пачке; N>>1 и может быть порядка 10000), что равносильно повышению в N раз точности измерения дальности до объекта. С другой стороны, увеличение энергии излучаемого сигнала в N раз (обычно N>>2) способствует измерению в N раз большей дальности до объектов (на что и направлен способ). Сравнительная простота фазового кодирования обеспечивает успешную реализацию способа. Экспериментальные исследования показывают, что наиболее оптимальные условия распространения зондирующего сигнала и соответственно содержание информации об объекте осуществляются в диапазоне от 100-200 МГц до 10 ГГц. В этом диапазоне обеспечиваются независимость от погодных условий и минимально возможный уровень температурных шумов при распространении. Поэтому длительность видеоимпульсов в пачке выбирают исходя из этого частотного диапазона и для верхней границы диапазона она составляет tимп.опт=100 пс. Поскольку форма и параметры зондирующего сигнала заранее известны, то данный способ обеспечивает возможность осуществления согласованной фильтрации принимаемого сигнала, что в прототипе невозможно выполнить в принципе. Аппаратуру для реализации согласованной фильтрации отличает простота и малая зависимость рабочих характеристик от точности регулировок при малых габаритах и весе. Сам процесс согласованной фильтрации представляет собой "выравнивание" временных структур сигнала и шума. Кроме этого, применение принципа адаптации при приеме обеспечивает дополнительное подавление помех [4]. Возможность осуществления способа рассмотрим на примере (фиг.1):- зондирующего сигнала в виде псевдослучайной последовательности пикосекундных импульсов с N=5,
- оптимальной фильтрации принимаемого сигнала (вычисление автокорреляционной функции),
- реализации измерения дальности до исследуемого объекта. Конкретно это выражается в следующем. Генерируют периодическую последовательность пикосекундных видеоимпульсов пилообразной формы. Сформированные импульсы излучают и получают зондирующий сигнал, представляющий собой последовательность пачек ФМ видеоимпульсов пикосекундной длительности (ФМ по закону ПСП) с N=5. Это можно представить следующим образом. Генерируют, например, одновременно пикосекундные видеоимпульсы пилообразной формы соответствующей полярности, сдвинутые относительно друг друга на постоянную величину tсдв, равную длительности фронта видеоимпульса tф (tсдв=tф). В процессе излучения каждого видеоимпульса пикосекундной длительности происходит преобразование импульса тока пилообразной формы в напряженность поля зондирующего сигнала: Е~di/dt, где Е - напряженность электрического поля в дальней зоне, i - ток в излучателе. Следовательно, каждый излученный импульс займет соответствующее место во временной последовательности и образуется пачка видеоимпульсов, представляющая собой ФМ сигнал требуемого вида, периодически повторяющийся. Обозначив положительные и отрицательные импульсы в ФМ сигнале как "+1" и "-1", представим зондирующий ФМ сигнал в виде (фиг.1а)
s(t)=[+1 +1 +1 -1 +1]. Запишем отраженный сигнал как (фиг.1в)
s(t-to)=[0 0 0 +1 +1 +1 -1 +1],
где to - временная задержка между s(t) и s (t-to), несущая информацию о дальности до объекта. Импульсная характеристика Н(t) (фиг. 1б) для s(t) является зеркальным отображением s(t) относительно оси ординат. Следовательно,
Н(t)=[+1 -1 +1 +1 +1]. Поскольку форма зондирующего сигнала заранее известна, то перед процессом измерения его принимают, считывают дискретные значения сигнала в моменты выборки - дискретизации (масштабно-временное преобразование [5]), формируют по взятым выборкам из ФМ сигнала расширенные сигналы, которые усиливают, квантуют и запоминают. Для измерения дальности излучают сформированный ФМ сигнал и зондируют им исследуемый объект. Отраженный сигнал принимают, подвергают масштабно-временному преобразованию, преобразованный сигнал квантуют и запоминают измеряемый сигнал, состоящий из суммы принятого сигнала s(nT-То) (прошедшего масштабно-временное преобразование) и предварительно дискретизированного (операция масштабно-временного преобразования) и запомненного зондирующего сигнала s(nT) (фиг. 1г), где То - значение to после масштабно-временного преобразования (в трансформированном масштабе времени), Т - период дискретизации, n=0, 1, 2, ..., k-1. Поскольку сигналы s(t) и s(t-to) разнесены во времени, то при t>0 сначала запоминают сигнал s(nT), а начиная с момента времени t=to, запоминают измеряемый сигнал
so(nT)=s(nT)+s(nT-То). После того как сигнал so(nT) запомнен, его подвергают согласованной фильтрации, что можно представить в следующем виде. Запомненные значения сигнала so(nT) задерживают относительно самих себя на постоянную величину (где - длительность одного импульса в ФМ зондирующем сигнале из общего числа N в трансформированном масштабе времени, как показано на фиг. 1): второй относительно первого на , третий относительно второго на и так далее. Одновременно их инвертируют в соответствии со знаками функции Н(t): знак "+" не инвертируют, знак "-" инвертируют. Полученные таким образом сигналы суммируют, а суммарный сигнал в свою очередь суммируют с накоплением (к данному значению прибавляют сумму всех предыдущих значений) с таким же сигналом, но который задержан на величину и проинвертирован (фиг.1д). В результате получают данные, несущие информацию об исследуемом объекте. После выполняют операцию, например преобразование код - аналог, получают измеряемый сигнал в аналоговом виде и индицируют его, например, на экране монитора ПЭВМ, а по индицируемым данным непосредственно определяют требуемый параметр (фиг. 1е). Из фиг. 1е видно, что временной интервал между двумя главными максимумами автокорреляционной функции (АКФ) равен То, то есть в точности соответствует значению to, но в трансформированном масштабе времени. В данном примере было взято значение to=4/к, а То получилась равной 4Т, где к - коэффициент трансформации [5]. Поскольку и Т известны заранее, то искомую величину получают в виде значения с/2То, где с - скорость света. Измерению величины to будет соответствовать изменение временного положения двух главных максимумов АКФ. Покажем, что данный способ (процесс) измерения дальности до объекта является оптимальным. Автокорреляционная функция (АКФ) измеряемого сигнала so(nT) представляет собой выражение вида
где mN - количество выборок; ltc=l(Tm) - интервал сдвига; l=0, 1, 2, .. ., k-1; k - общее число измеряемых ординат корреляционной функции. С учетом определения измеряемого сигнала получим
В этом выражении АКФ so(nT) представляет собой сумму АКФ сигналов s(nT) и s(nT-То), то есть то, что представлено на фиг.1 (расстояние между главными максимумами АКФ so(nT) и есть искомая дальность). При измерении расстояния до движущегося объекта появляется доплеровский сдвиг, величина которого определяется направлением и скоростью движения объекта. Выделяя разностный сигнал и подвергая его преобразованию Фурье, возле составляющих, соответствующих расстоянию до объекта, обнаруживают спектр, ширина которого соответствует скорости объекта. Методика таких измерений достаточно исследована и апробирована [1]. Для ФМ сигнала отношение сигнал/шум по напряжению равно
СИГНАЛ/ШУМ=(N2E1/a)l/2,
где E1 - энергия одного импульса ФМ сигнала, а - односторонняя спектральная плотность шума. С ростом значения N отношение сигнал/шум увеличивается:
- для N=5 оно в 2,2 раза больше, чем для одного импульса,
- для N=255 оно в 16 раз больше, чем для одного импульса. Таким образом, главные максимумы АКФ (фиг.1е) будут в N1/2 раз более четко выделяться на фоне шумов, а отношение сигнал/шум и точность измерения будут в N1/2 раз больше, чем у прототипа. При полосе частот 10 ГГц (tимп=100 пс, шумовая температура 80 К) разрешение по времени равно 0,1 нc, что соответствует разрешению по дальности не более 1-1,5 см (затухание практически отсутствует). Для N=1000 измеряемая дальность достигает 300-1500 км, что существенно больше, чем у прототипа. Таким образом, технический результат, которой обеспечивает предлагаемый способ, достигнут. На фигуре 2 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ измерения, которое включает генератор 1 пикосекундных пилообразных видеоимпульсов (ГППВИ), передающую антенну 2, приемную антенну 3, масштабно-временной преобразователь (МВП) 4, блок памяти (БП) 5, согласованный фильтр (СФ) 6, блок обработки (БО) 7, формирователь адреса (ФА) 8, первое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ1) 9, второе постоянное запоминающее устройство (ПЗУ2) 10, счетчик адреса (СА) 11, реверсивный счетчик (PC) 12, формирователь 13. Первый выход генератора пикосекундных пилообразных видеоимпульсов 1 соединен с входом передающей антенны 2, а второй выход (синхр.) - со вторым входом масштабно-временного преобразователя 4, первый вход которого соединен с выходом приемной антенны 3, вход которой связан с объектом, который связан с выходом передающей антенны 2, первый выход масштабно-временного преобразователя 4 соединен с первым входом блока памяти 5, выход которого соединен с первым входом согласованного фильтра 6, выход которого соединен с блоком обработки 7, второй выход масштабно-временного преобразователя 4 (упр.) соединен с входом формирователя 13 и первыми входами счетчика адреса 11 и формирователя адреса 8, второй вход которого соединен с вторым выходом формирователя 13 и входом реверсивного счетчика 12, а выход - с четвертым входом блока памяти 5, второй вход которого соединен с выходом первого постоянного запоминающего устройства 9, вход которого соединен с выходом счетчика адреса 11, второй вход которого соединен с третьим выходом формирователя 13, первый выход которого соединен с третьим входом блока памяти 5, выход реверсивного счетчика 12 соединен с входом второго постоянного запоминающего устройства 10, выход которого соединен со вторым входом согласованного фильтра 6. Устройство работает следующим образом. Всю работу можно разделить на собственно измерение и предварительный цикл. Последнее представлено на фиг.3 и фиг.4. Генератор 1 вырабатывает пилообразные видеоимпульсы (ПВИ) с пикосекундной длительностью фронта. Формирование ПВИ можно осуществить несколькими методами. Наиболее просто это обеспечивается с использованием перепада тока или напряжения. В настоящее время формирование перепадов напряжения с длительностью фронта порядка 40-60 пс и амплитудой 30-50 В не представляет практической трудности. Сформированный положительный перепад пикосекундной длительности суммируют с отрицательным перепадом микросекундной длительности, задержанным на время t1. В результате получают ПВИ, как показано на фиг.3а. Первая производная тока Е~ di/dt показана на фиг.3б. Поскольку t1<
- для интроскопии недр земли (подземные исследования) - обнаружения полостей в грунте (зондирование в шахтах), оперативного отображения профилей грунта;
- как всепогодный локатор;
- для измерения толщины льда, поиска посадочных площадок (ледовая разведка);
- для сопровождения различных объектов - обеспечения безопасности движения грузового транспорта. Литература
1. Применение цифровой обработки сигналов. /Под ред. Э. Оппенгейма. М.: Мир. - 1980. - 550 с. (с.272-275). 2. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М.: Мир, 1965. - 748 с. (с.16, 113, 118-121, 125, 126, 146). 3. Беннетт С.Л., Росс Дж.Ф. Время-импульсные электромагнитные процессы и их применение. //ТИИЭР. - 1978. - Т.66. - 3. - С.35-57 (прототип), (с.40, рис.7). 4. Комптон Р. Т. Адаптивная антенная решетка в широкополосной системе связи. //ТИИЭР. - 1978. - Т.66. - 3. - С.23-34. 5. Рябинин Ю.А. Стробоскопическое осциллографирование. М.: Сов. радио, 1972. - 272 с. (с.6-10). 6. Бош Б.Г. Гигабитовая электроника. Обзор. //ТИИЭР. - 1979. - Т.67. - 3. - С.5-50. 7. Андриянов А. В. , Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. - Мн.: Выш. шк., 1987. - 176 с. (с.126-133).
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4