Устройство для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости

 

О П И С А Н И Е (11) 413893

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик нла г (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 03.08.71 (21) 1690962/18-10 с присоединением заявки Хе (32) Приоритет

Опубликовано 05.09.74. Б|оллетень М 33

Дата опубликования описания 17.02.75 (51) М. Кл. 6 01г"23/02

G 01p 5/20

G 01р 3/Зб

Государственный комитет

Совета Министров СССР

lI0 Аелам изобретений (53) УДК 621.317.361:

:532.574.082.54 (088.8) И открытий (72) Авторы изобретения

Ю. Н. Дубнищев, В. П. Коронкевич, В. С. Соболев, А. А. Столповский, E. Н. Уткин и H. Ф. Шмойлов (71) Заявитель Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения AH СССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ

Изобретение относится к области измерительной техники.

Известно устройство подобного назначения, содержащее узел фильтрации, узел селекции сигнала по уровню, узел формирования счетчых импульсов и узел измерения доплеровской частоты (скорости).

Узел фильтрации, представляет собой перестраиваемый вручную полосовой фильтр, с выхода которого обрабатываемый сигнал поступает на электронный осциллоскоп, выполняющий функцию амплитудного селектора.

С выхода узла селекции сигнал подается на устройство формирования счетных импульсов.

Эти импульсы формируются из тех выборок сигнала, которые содержат не менее восьми периодов доплеровской частоты. Радиоимпульсы, содержащие менее восьми периодов доплеровской частоты, исключаются из обработки специальным устройством.

Результат измерения выдается в виде цифрового значения среднего .периода доплеровской частоты. Период Т доплеровской частоты определяется за время t, равное Т 10 .

Таким образом, ручная перестройка входного фильтра сужает динамический диапазон измерения скорости. Большое время осреднения, а также потеря значительной части сигнала резко ограничивают временное разрешение устройства и приводят к значительной погрешности измерения мгновенной скорости.

Устройство имеет относительно сложную конструкцию и может эффективно работать только вместе с вычислительной машиной.

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых скоростей, улучшение временного разрешения и повышение точности измерения.

Это достигается благодаря тому, что устройство снабжено узлом формирования строб10 импульсов, а узел фильтрации выполнен ввиде ряда переключаемых гребенок фильтров, каждый из которых имеет два выхода, причем первые выходы соединены с сигнальными входамп своих ключей, à I3Topblc — с общей для

15 всех фильтров данной гребенки схемой попска экстремума. К выходам схемы подключены управляющие входы названных ключей, имеющих общпй выход — выход узла фильтрации, соединенный с узлом селекции сигнала по уровню, выполненным в виде двух параллельно включенных Ilopol oBbIx устройств с различными порогами пропускания, выходы которых— опорный, с нижним порогом, и сигнальный, с верхним порогом, подключены к входам узла формирования счетных импульсов. Узел формирования счетных импульсов представляет собой преобразователь входHbIx прямоугольных сигнальных и опорных импульсов в сигнальную и опорную последовательности коротких прямоугольных импульсов, следом за ко413893 формирования crpo6— импульсов, содержащий схему «И — НЕ», подключенную своим входом к сигнальному и опорному выходам узла формирования счетных импульсов, и триггер, один из раздельных входов которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов, другой — с выходом схемы «И — НЕ». Выход этого триггера подключен к управляющему входу узла измерения доплеровской частоты, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов.

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2, а — р — эпюры, поясняющие работу устройства.

Доплеровский сигнал, имеющий вид хаотической последовательности однополярных радиоимпульсов (фиг. 2, б), поступает на узел фильтрации, выполненный в виде нескольких переключаемых вручную поддиапазонов (гребенок фильтров), каждый из которых охватывает одну декаду по частоте. В пределах каждой декады осуществляется фильтрация сигнала доплеровской частоты и автомати )еское слежение за максимумом сго спектра. (Для упрощения на фиг. 1 показан только один гастотный поддиапазоп узла фильтрации).

На входе каждого канала, соответствующсго данному частотному поддпапазону, включен предварительный усилитель 1 с полосой пропускания, равной одной декаде. К выходу этого усилителя подключены восемь фильтров 2—

9, равномерно перекрывающих данный частотный поддиапазон и имеющих одинаковую относительную полосу пропускания (на уровне

3 дб), равную примерно 30%.

К выходу каждого филыра подключен амплитудный детектор. Уровень постоянного напряжения на выходе каждого детектора 10—

17 пропорционален уровню сигнала в полосе пропускания данного фильтра. Таким образом, максимальное напряжение присутствует на выходе того детектора, который подключен к фильтру, в пределах полосы пропускания которого находится спектр доплеровского сигнала.

Выходы детекторов соединены с входами схемы поиска экстремума, которая осуществляет коммутацию выходных сигналов фильтров, обеспечивая подключение к выходу узла фильтрации того фильтра, в полосе пропускания которого находится спектр доплеровского сигнала.

Схема поиска экстремума содержит переключатель токов, состоящий из восьми транзисторных усилителей 18 — 25, имеющих общую эмиттерную нагрузку 26 в виде стабилизатора тока, Выходы переключателя токов подключены к входам восьми пороговых устройств

27 — 34, которые соединены с восьмивходовым триггером. Этот триггер собран из восьми логических элементов «И вЂ” HE» 35 — 42, каждый лз которых имеет восемь входов и один выход.

Один из входов каждого элемента «И вЂ” НЕ»

65 соединен с выходом соответствующего поро ового устройства, а остальные семь входов подключены к выходам осгальных семи элементов.

Схема работает так, что в исходном состоянии (при отсутствии доплеровского сигнала в пределах данного частотного поддиапазона или при его низком уровне) уровни постоянных напряжений на выходах всех детекторов малы, и все пороговые устройства 27 — 34 обеспечивают на своих выходах низкие потенциалы («О»). При этом на всех восьми выходах элементов «И вЂ” HE» имеются высокие потенциалы («1»).

Когда выходной сигнал любого из детекторов превышает определенный уровень, переключатель токов срабатывает и опрокидывает одно из восьми пороговых устройств 27 — 34, так что на его выходе появляется высокий потенциал («1») . При этом на выходе соответствующего логического элемента «И вЂ” НЕ» оказывается низкий потенциал («0»), который, будучи приложен к входам остальных семи элементов «И вЂ” 11Е», обеспечивает устойчивое состояние всего триггера (семь «1» и одш

«О»).

К выходам триггера подключепы управляющие входы восьми ключей 43 — 50 (затворы полевых транзисторов) с общим выходом 51, который является выходом узла фильтрации.

Сигнальные входы этих ключей (стоки) соединены с выходами соответствующих фильтров 2 — 9. Открытому состоянию ключа соответствует «О» на управляющем входе, а закрытому — «1». Таким образом, когда в полосе пропускания одного из фильтров оказывается спектр доплеровского сигнала, схема поиска экстремума открывает тот ключ, который соединен с этим фильтром, и на выходе узла фильтрации появляется вь;ходной сигнал данного фильтра.

При изменении измеряемой скорости, а, следовательно, частоты происходит автоматическое переключение фильтров 2 — 9. Постоянные времени амплитудных детекторов 10 — 17 выбирают из соображений устойчивой работы схемы поиска экстремума, т. е. чтобы, с одной стороны, пульсации продетектированного напряжения, которые обусловлены хаотической амплитудной модуляцией доплеровского сигнала, не вызывали коммутации ключей, а с другой, чтобы при больших девиациях доплеровской частоты осуществлялось автоматическое слежение. Устойчивость работы порогового устройства при равенстве напряжений на двух соседних детекторах (т. е. когда спектр доплеровского сигнала лежит в общей зоне двух соседних фильтров) обеспечивается совместным действием инерционности детекторов и гистерезиса пороговых устройств 27 — 34.

Выходной сигнал узла фильтрации имеет

FHä хаотической последовательности симметричных относительного нуля радиоимпульсов (фиг, 2, в). Дальнейшая обработка этого сигнала состоит в формировании из него пачек

413893

55

60 спгналсптых (счетных) импульсов, причем частота импульсов внутри каждой пачки равна доплеровской частоте соответствующего радиоимпулься, а число импульсов в каждой

i-й пачке определяется заранее устанавливаемым порогом UÄ yaла селекции сигнала по уровню п равно п<. Одновременно вырабатываются строб — импульсы, начало которых совпадает с первым импульсом соответствующей пачки, а длительность равна и;Т „где Тд,— период доплеровской частоты соответствующего т-ro радиоимпульса.

С выхода узла фильтрации сигнал поступает на два пороговых усилителя-ограничителя 52 и 53, где он превращается в пачки прямоугольных импульсов, содержащих, соответственно тт и и; импульсов, причем всегда и;)и;, что обусловлено разницей пороговых уровней этих усилителей. Усилитель 52 имеет порог, близкий к нулю, благодаря чему происходит усиление и ограничение даже самых слабых сигналов. Усилитель 53 имеет регулируемый порог U (фиг. 2,в) и усиливает только ту часть сигнала, которая этот порог ттревышает.

На выходах усилителей-ограничителей образуются опорная и сигнальная последовательности прямоугольных импульсов (фиг. 2,г, д).

Обе последовательности поступают на входы узла формирования счетных импульсов, который состоит из триггера 54 с раздельными входами и двух формирователей 55 и 56 коротких прямоугольных импульсов. На выходах этих формирователей получаются сигнальная и опорная последовательности коротких прямоугольных импульсов (фиг. 2, ж, з), фронты которых совпадают с фронтами прямоугольных опорных импульсов, причем число сигнальных (счетных) импульсов на выходе формирователя 56 определяется числом соответствующих импульсов, поступающих с выходя порогового усилителя 53. Благодаря такому формированию сигнальных (счетных) импульсов исключается паразитная фазовая модуляпия импульсов в пределах одной пачки, которая обусловлена амплитудной модуляцией и которой подвеожены фронты прямоугольных импульсов на выходе порогового усилителя 53.

Длительность коротких прямоугольных импульсов ня выхолах фоомирователей не превыптяет половины периода максимальной изб.ряе,toA,ïî òëåðîâñêîé частоты.

Имттульсы обеих последовательностей поступатот тпя узел фоомипования стттоб-импульсов, соетояшттй ия схемы «И —.HF» 5(и триггера.

58, с ттяздельттьттт т входами. -На входы схемы

«И — НГ» поступают .импульсы е формировате-. лей 55 и. 56, при этом на ее.выходе образует= ся рязностная последовательность импульсов (Фиг. 2, и1. Этя последовательность импульсов иогтуияст ня один из входов триггера 58, а на его другой вход — последовательность сигнальных импульсов с выхода формирователя 55.

Триггер 58 формирует на своих выходах строб20

50 импульсы противоположной полярности, длительность которых равна и,Т, т. е. соответствует длительности пачек сигнальных импульсов (фиг. 2, к,л).

Далее сигнальные (счетные) импульсы с выхода формирователя 55 и строб-импульсы с одного пз выходов триггера 58 подаются на цифровую часть 59 узла измерения доплеровской частоты, представляющую собой частотомер с заранее задаваемым временем счета и с управляемым задатчпком времени. Частотомер устроен таким образом, что время счета Т« складывается пз длительностей строб-импульсов, соответствующих сигнальным пачкам, т. е.

Т,„=;т, Т;, где тт — число пачек. поступавт=I ших за время счета, а Т, — длительность i-й пачки (i-го строб-импульса). При установке

T,=! сек показания частотомера дают значение доплсровской частоты в герцах. Устанавливая время счета, кратное коэффициенту пересчета доплеровской частоты в измеряемую скорость, можно получать показания частотомера непосредственно в единицах скорости.

Для получения ттнформацпи о мгновенной скорости доплеровская частота преобразуется в аналоговый сигнал частотным детектором с памятью. Детектор работает следующим образом. Импульсы сигнальной последовательности формирователя 55 преобразуются дополнительным формирователем 60 в прямоугольные импульсы отрицательной полярности (фиг. 2лт), длительность которых т в каждом частотном поддиапазоне устанавливается, исходя из соотно пения т(0,5 Т,-,;:,,„где Т,„,„— минимальный период доплеровской частоты в данном поддпапазоне. Вьтходньте импульсы формирователя 60 через диод 61 поступают на интегрирующую цепь 62, состоящую из конденсатора, параллельно которо, у включена цепочка пз последовательного соединения разрядного сопротивления и сопротивления ключа канала полевого транзттстооа. на управляющий вход (затвор) которого поступают стробпмпульсы. вырабатываемые триггером 58 (фиг. 2, к). При наличии входных сигнальных импульсов соответствующий тт т строб-импульс открывает ключ Ня вре тя прекращения сигнальньт < импульсов (время между сигнальны ттт ттачкамп) клю т запттрается и напттяжентте (-т„ня конденсаторе остается пя прежнем уровне: При изменении частоты импульсов сигнальных пачек напряжение U. ня конденсаторе остается на прежнем уттовне. Прп изменении- частоты импульсов сигнальных пачек напряжение с(, также из. няется (фиг. 2,н).

Таким образом, это напояжентте оказывается пропорциональным частоте входных сигнальных ттхтп льсов. т. е. доплеровской частоте. а следовательно, скорости. Изменения напряженпя U,(t) отвечают изменениям скорости т ((). Выбирая постоянную времени интегрирующей цепи, получаем необходимое быст413893 родействпе частотного детектора, т. е. требуемую полосу пропускания флуктуаций частоты (скоростп).

К выходу интегрирующей цепи 62 подключен высокоомный согласующий каскад 63 (истоковый повторитель), с выхода которого напряжение поступает на один из входов суммирующего каскада 64 и далее на фильтр 66 нижних частот, отфильтровывающий высокочастотные пульсации, Полосу пропускания фильтра нижних частот выбирают из тех же соображений, что и постоянную времени интегрпрующей цепи.

Суммирующий каскад 64 предназначен для компенсации помехи, обусловленной постоянной составляющей высокочастотных пульсаций на емкости интегрирующей цепи 62 (фиг, 2, о) . На второй вход суммирующего каскада поступает строб-импульс обратной полярности с инверсного выхода триггера 58, амплитуда которого регулируется аттенюатором 66 так, чтобы уровень этой помехи стал минимальным (фиг. 2, и). При этом аналоговое напряжение У„„(/) на выходе измерителя имеет вид, показанный на фиг. 2, р и соответствует V(t) (фиг, 2,а).

Флуктуации выходного аналогового напряжения прямо пропорциональны девиациям доплеровской частоты и, следовательно, пульсациям скорости. Спектр пульсаций этого напряжения соответствует спектру пульсаций скорости. Подавая это напряжение на соответствующие приборы, мо;кно определять необходимые статические характеристики исследуемого процесса, в частности среднюю скорость, интенсивность и спектр пульсаций, автокорреляционную функцию и т. д.

Таким образом, предлагаемое устройство для обработки доплеровского сигнала позволяет получать точную информацию о скорости, несмотря на прерывистый характер этого сигнала, а также исключить влияние входного аддитивного шума, когда сигнал падает ниже заранее задаваемого порогового уровня. Устройство обеспечивает непосредственное измерение средней скорости в цифровой форме, а также выдает аналоговый сигнал, пропорциональный мгновенной скорости в широком динамическом диапазоне (автоматическое десятикратное перекрытие).

Предмет изобретения

1. Устройство для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости, содержащее узел фильтрации, узел селекции сигнала по уровню, узел формирования счетных импульсов и узел измерения доплеровской частоты, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей, улучшения временного разрешения и повышения точности измерения, оно снабжено узлом формирования строб-импульсов, а узел фильтрации

Зо

8 выполнен в виде ряда переключаемых гребенок фильтров, каждый нз которых имеет два выхода, причем первые выходы соединены с сигнальными входами своих ключей, а вторые — с общей для всех фильтров данной гребенки схемой поиска экстремума, к выходам которой подключены управляющие входы названных ключей, имеющих общий выход— выход узла фильтрации, соединенный с узлом селекции сигнала по уровню, выполненным в виде двух параллельно включенных пороговых устройств с различными порогами пропускания, выходы которых — опорный, с нижним порогом, и сигнальный, с верхним порогом, подключены к входам узла формирования счетных импульсов, представляющего собой преобразователь входных прямоугольных сигнальных и опорных импульсов в сигнальную и опорную последовательности коротких прямоугольных импульсов, следом за которым включен узел формирования строб-импульсов, содержащий схему «И — НЕ», подключенную своим входом к сигнальному и опорному выходам узла формирования счетных импульсов, и триггер, один из раздельных входов которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов, другой — с выходом схемы «И — НЕ», а выход этого триггера подключен к управляющему входу узла измерения доплеровской частоты, сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения результатов измерения в дискретной (цифровой) форме, узел измерения доплеровской частоты выполнен в виде цифрового частотомера, в цепь задатчика времени которого введен ключ, соединенный своим управляющим входом с одним из выходов формирователя строб-импульсов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью получения результатов измерения в аналоговой форме, узел измерения доплеровской частоты выполнен в виде интегрирующей цепи, соединенной через диод и дополнительный формирователь с сигнальным выходом узла формирования счетных импульсов и состоящей из конденсатора, параллельно которому включены последовательно соединенные разрядное сопротивление и ключ, управляющий вход которого соединен с формирователем строб-импульсов, а к выходу интегрирующий цепи подключены последовательно высокоомный согласующий каскад и фильтр нижних частот.

4. Устройство по rr. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения уровня выходных шумов, в 1ход высокоомного согласующего каскада включен на один из входов сумматора, другой вход которого через аттенюатор подключен к инверсному выходу узла формирования строб-импульсов, а выход сумматора соединен с фильтром нижних частот. () о

a о

Р

z тв1ЛЛЛЛЛЛЛШЛЛЛПППППППйПППЛППГ Т И П ЛЛГ П П Т :::Г - .ПТ П "Г

Г-, ПППпуД о

1 I l 1ТТТТЗП (Т1 ГГ ЮСГ

1 i I 1 | ТТ П (1 0 — Ро-Фс к О гМ

0 Рс2

ГГПТ= — ъМЛ

О uñ

Tlg(6) и ,а

UArx й)