Способ измерения скорости относительного движения источника и приемника волн и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2273034:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт измерительных приборов" (ОАО "НИИИП") (RU)
Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для определения скорости объектов. С помощью источника волн создают электромагнитную волну, после чего с помощью приемника волн принимают волну, измеряют среднее и максимальное значения амплитуды сигнала на выходе приемника, вычисляют поперечную составляющую скорости относительного движения источника и приемника волн по формуле:
где - среднее значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн; EΣmax - максимальное значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн; с - скорость распространения волны. Достигаемым техническим результатом является создание новых технических средств для измерения скорости относительного движения источника и приемника волн. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для определения относительной скорости объектов.
Известен способ измерения скорости объекта ν∑, заключающийся в том, что измеряют перемещение s объекта за время движения Δt (Кухлинг X. Справочник по физике. М., 1983, с.47-48). Скорость объекта вычисляют по формуле:
Известный способ реализован, например, в устройстве для индикации текущей скорости (патент WO 020082117 А2, материалы ИНИЦ Роспатента), которое содержит мобильный преобразователь и индикатор. Мобильный преобразователь содержит GPS-приемник, запоминающее устройство для GPS-сигналов и вычислительный блок. Вычислительный блок сравнивает полученные GPS-приемником данные о текущем местоположении с данными о предшествующем местоположении, хранимыми в запоминающем устройстве, из изменения местоположения во времени определяет и выдает на индикатор текущую скорость.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения скорости относительного движения источника и приемника волн, основанный на эффекте Доплера (Савельев И.В. Курс общей физики, т.III, М., 1970, с.214-216, формула (41.6)), заключающийся в том, что с помощью источника волн создают электромагнитную волну известной частоты f0, затем с помощью приемника волн принимают эту волну, измеряют ее частоту f, после чего вычисляют продольную составляющую скорости относительного движения источника и приемника волн по формуле:
где с - скорость распространения волны.
Продольная составляющая скорости совпадает с направлением распространения волны от источника к приемнику волн.
Устройством, реализующим наиболее близкий способ, является радиолокационная беззапросная система измерения скорости относительного движения (Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е.Дулевича, М., 1978, с.240, рис.8.2), содержащая источник волн 1, а также последовательно соединенные приемник волн 2, измеритель частоты 3 и вычислитель 4 (фиг.1).
Устройство работает следующим образом. Источник волн 1, выполненный в виде передатчика электромагнитных сигналов, создает в пространстве электромагнитную волну известной частоты f0. Электромагнитная волна принимается приемником волн 2. Сигнал с выхода приемника волн 2 подается на вход измерителя частоты 3, где измеряется частота принимаемой волны f. В вычислителе 4 по формуле (1) вычисляется величина продольной составляющей скорости относительного движения.
Решаемой задачей (техническим результатом) заявляемых технических решений является создание новых технических средств для измерения скорости относительного движения источника и приемника волн.
Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения скорости относительного движения источника и приемника волн, включающем создание и прием электромагнитной волны, согласно изобретению, измеряют среднее и максимальное значения амплитуды сигнала на выходе приемника, вычисляют поперечную составляющую относительной скорости движения источника и приемника волн по формуле:
где 
- среднее значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн;
E∑max - максимальное значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн;
с - скорость распространения волны.
Поперечная составляющая относительной скорости перпендикулярна к направлению распространения волны от источника к приемнику волн.
Указанный технический результат достигается также тем, что в устройство для измерения скорости относительного движения источника и приемника волн, содержащее источник волн, приемник волн и вычислитель, согласно изобретению, введены измеритель среднего значения амплитуды сигнала и измеритель максимального значения амплитуды сигнала, причем входы обоих измерителей соединены с выходом приемника волн, а выходы измерителей - с соответствующими двумя входами вычислителя.
Поясним сущность предлагаемых технических решений.
Известно, что электромагнитная волна представляет собой периодический во времени и в пространстве процесс взаимных превращений магнитного и электрического полей (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II. М., 1970, с.397), т.е. процесс распространения в пространстве переменного электромагнитного поля (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II, М., 1970, с.380).
Электромагнитная волна возникает в пространстве вокруг источника переменного магнитного или электрического поля. Она описывается двумя взаимно перпендикулярными векторами напряженности магнитного Н и электрического Е поля (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II, М., 1970, с.403). Если на пути электромагнитной волны оказывается неподвижный прямолинейный проводник (фиг.2), то его пронизывает поток магнитной индукции, изменяющийся по гармоническому закону (там же), равный (Кухлинг X. Справочник по физике. М., 1983, с.338-339):
где В - максимальное значение магнитной индукции источника поля;
l - длина проводника;
ω - угловая скорость изменения магнитной индукции (для электромагнитной волны ω≫1);
t - текущее время.
В выражении (2) проводник перпендикулярен плоскости вектора Н или Е. На фиг.2 проводник перпендикулярен плоскости вектора Н.
В изобретении проводником является вибратор антенны приемника волн.
Под действием переменного потока магнитной индукции (2) в неподвижном проводнике возникает вихревое электрическое поле, создающее электродвижущую силу (эдс) индукции (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II, М., 1970, с.397, с.372), которая преобразуется приемником волны в электрический ток. В результате на выходе приемника волны появляется электрический сигнал.
Относительную скорость движения источника и приемника волн можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена вдоль, а другая перпендикулярно направлению распространения волны от источника к приемнику волн (Савельев И.В. Курс общей физики, т.III, M., 1970, с.217). Первую составляющую скорости называют продольной, а вторую - поперечной составляющими скорости.
В наиболее близких аналогах, как отмечалось, измеряется продольная составляющая скорости движения объектов. В заявляемом изобретении измеряется поперечная составляющая скорости.
При относительном движении источника и приемника волн в поперечном направлении (фиг.2), возникает составляющая магнитного потока, описываемая выражением (Кухлинг X. Справочник по физике. М., 1983, с.344):
Результирующий поток магнитной индукции, таким образом, равен:
Результирующий поток магнитной индукции (4) несимметричен относительно направления распространения волны (а также относительно оси времени). Он возрастает в полуволнах, где скорость нарастания потока и поперечная скорость источника/приемника противоположны, т.е. складываются (штриховые стрелки, исходящие от источника волн и проводника на фиг.2), и уменьшается в полуволнах, где указанные скорости совпадают, т.е. вычитаются (сплошные стрелки, исходящие от источника волн и проводника на фиг.2).
В проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном потоке, возникает эдс индукции (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II. М., 1970, с.190-197) которая, независимо от причины изменения потока, равна скорости этого изменения (Савельев И.В. Курс общей физики, т.II, М., 1970, с.193, формула (56.3)):
Таким образом, при нулевой поперечной скорости источника и приемника волн (ν=0) эдс индукции E∑(t) в проводнике изменяется по гармоническому закону с нулевым средним значением. Если же поперечная составляющая относительной скорости источника и приемника волн не равна нулю (ν≠0), то эдс E∑(t) в проводнике смещена по амплитуде от нуля на постоянную величину Blv (фиг.3).
Очевидно, что величина Blv может быть выделена из E∑(t) путем усреднения Е∑(t) во времени:
где 
Тc - длительность волны.
Из совместного решения уравнений (5) и (6) следует, что поперечная составляющая скорости относительного движения источника и приемника волн равна:
Эдс индукции, возникающая в проводнике (вибраторе антенны приемника волн), усиливается в приемнике волн в К раз, где К - коэффициент усиления приемника волн, после чего на выходе приемника появляется сигнал с амплитудой, пропорциональной величине эдс E∑(t). Учитывая, что в выражение (8) входит отношение величин E∑(t) и 
коэффициент усиления приемника К не влияет на величину этого отношения, а значит, и на значение измеряемой скорости ν. Поэтому под величинами E∑(t), 
E∑max следует понимать сигнал на выходе приемника волн, его среднее и максимальное значения соответственно.
Для того чтобы избежать измерений входящей в (8) быстроосциллирующей величины cosωt, момент времени t следует выбирать соответствующим максимуму E∑(t). Значение функции cosωt в этой точке равно единице и скорость относительного движения источника и приемника волн определяется по формуле:
Таким образом, для измерения поперечной составляющей скорости относительного движения источника и приемника волн необходимо с помощью источника волн создать волну, после чего измерить среднее 
и максимальное (Е∑max) значения амплитуды сигнала на выходе приемника волн, затем провести вычисления в соответствии с (9).
Измерение среднего значения (7) может быть реализовано в цифровом виде (Автоматизация обработки, передачи и отображения радиолокационной информации. Под ред. В.Г.Корякова, М., 1975, с.24-25) после многоуровневого квантования сигнала E∑(t).
Измерение максимального значения амплитуды принятого сигнала Е∑max может быть осуществлено (в цифровом виде) выбором максимального из квантованных значений после многоуровневого квантования принятого сигнала Е∑(t):
где ti - моменты квантования.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - известное устройство для измерения скорости относительного движения объектов на основе эффекта Доплера.
Фиг.2 - взаимное расположение магнитной составляющей (Н) электромагнитной волны, созданной источником волны, и проводника (вибратора антенны приемника волн), движущихся со скоростью ν в поперечном направлении относительно направления распространения волны (волна и проводник изображены в поперечном сечении).
Фиг.3 - амплитуда сигнала Е∑(t) и ее среднее значение на выходе приемника волны для объектов, движущихся в поперечном направлении относительно направления распространения волны (два верхних графика), и для объектов, имеющих нулевую поперечную скорость (два нижних графика).
Фиг.4 - заявляемое устройство для измерения скорости объекта.
Заявляемое устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.4), содержит источник волн 1, приемник волн 2, измеритель среднего значения амплитуды сигнала 5, измеритель максимального значения амплитуды сигнала 6, вычислитель 4, причем входы обоих измерителей соединены с выходом приемника волн 2, а выходы - с соответствующими двумя входами вычислителя 4.
Заявляемое устройство может быть выполнено с использованием следующих функциональных элементов:
Источник волн 1 - передатчик электромагнитных волн импульсного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.278), выход которого соединен с антенной вибраторного типа (там же, с.156-158).
Приемник волн 2 - приемник супергетеродинного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.343-344), вход которого соединен с антенной вибраторного типа (там же, с.156-158).
Вычислитель 4, измеритель среднего значения амплитуды сигнала 5, измеритель максимального значения амплитуды сигнала 6 - цифровые вычислители, производящие вычисления в соответствии с формулами (9), (7) и (10) соответственно.
Устройство работает следующим образом. Источник волн 1 создает в пространстве электромагнитную волну. Электромагнитная волна принимается приемником волн 2. Сигнал с выхода приемника волн Е∑(t) подается на входы измерителя среднего значения амплитуды сигнала 5 
и измерителя максимального значения амплитуды сигнала 6 (E∑max). В вычислителе 4 по формуле (9) вычисляется поперечная составляющая скорости относительного движения источника и приемника волн.
Таким образом достигается заявляемый технический результат.
1. Способ измерения скорости относительного движения источника и приемника волн, включающий создание и прием электромагнитной волны, отличающийся тем, что измеряют среднее и максимальное значения амплитуды сигнала на выходе приемника волн, вычисляют поперечную составляющую скорости относительного движения источника и приемника волн по формуле
где 
- среднее значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн;
EΣmax - максимальное значение амплитуды сигнала на выходе приемника волн;
с - скорость распространения волны.
2. Устройство для измерения скорости относительного движения источника и приемника волн, содержащее источник волн, приемник волн и вычислитель, отличающееся тем, что введены измеритель среднего значения амплитуды сигнала и измеритель максимального значения амплитуды сигнала, причем входы обоих измерителей соединены с выходом приемника волн, а выходы измерителей - с соответствующими двумя входами вычислителя.
