RU2683578C1 - Способ измерения путевой скорости - Google Patents

Способ измерения путевой скорости Download PDF

Info

Publication number
RU2683578C1
RU2683578C1 RU2018120343A RU2018120343A RU2683578C1 RU 2683578 C1 RU2683578 C1 RU 2683578C1 RU 2018120343 A RU2018120343 A RU 2018120343A RU 2018120343 A RU2018120343 A RU 2018120343A RU 2683578 C1 RU2683578 C1 RU 2683578C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waves
signal
signals
vehicle
speed
Prior art date
Application number
RU2018120343A
Other languages
English (en)
Inventor
Дмитрий Владиленович Хаблов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2018120343A priority Critical patent/RU2683578C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2683578C1 publication Critical patent/RU2683578C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/581—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of interrupted pulse modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/583—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems using transmission of continuous unmodulated waves, amplitude-, frequency-, or phase-modulated waves and based upon the Doppler effect resulting from movement of targets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/91—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for traffic control
    • G01S13/92—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for traffic control for velocity measurement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к радиоволновым способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн. Технический результат - повышение точности измерения путевой скорости транспортного средства - достигается тем, что в способе измерения путевой скорости, заключающемся в том, что электромагнитные волны излучают вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, принимают отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны, затем эти волны смешивают в первом смесителе с частью излучаемых волн и выделяют первый сигнал разностной частоты, дополнительно к этому отраженные волны пропускают через линию задержки длиной в четверть длины волны электромагнитного колебания, смешивают их на втором смесителе с частью излучаемых волн и выделяют второй сигнал разностной частоты, затем оба сигнала сравнивают по фазе, при этом один из сигналов разностной частоты предварительно пропускают через управляемую линию задержки, с помощью изменения разности фаз этих сигналов управляют линией задержки до совпадения фаз обоих сигналов разностной частоты, по результирующему управляющему сигналу вычисляют время задержки, по которому определяют скорость транспортного средства. 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости наземных транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
В настоящее время известны радиоволновые способы измерения путевой скорости, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). В отличие от способов, определяющих скорость по частоте вращения колеса, радиоволновые доплеровские способы измерения позволяют определять истинную путевую скорость, которая не зависит от скольжения, движения при повороте и пробуксовывания. Эта информация об истинной скорости относительно поверхности очень важна для правильной работы антиблокировочной системы и других систем управления транспортного средства. Обычно при реализации способа СВЧ радиоволны излучаются вперед и под углом α по направлению движения транспортного средства. Отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны принимаются или этой же антенной или другой приемной антенной. Затем эти волны смешивают в смесителе с частью излучаемых волн и выделяют сигнал разностной частоты. Частота отраженных волн в процессе движения транспортного средства, поступающая на смеситель, будет отличаться от излучаемой частоты СВЧ волн на доплеровскую частоту. Эту частоту, пропорциональную скорости движения будет иметь сигнал, выделяемый на смесителе:
Figure 00000001
где λ0=c/ƒ0 - длина излучаемой электромагнитной волны, с - скорость света в воздухе.
Отсюда скорость можно вычислить из уравнения:
Figure 00000002
Однако данный классический способ обладает существенным недостатком. Поскольку реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка θ, отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами α-θ/2≤αi≤а+θ/2 от подстилающей поверхности ΔƒD. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла α можно выразить через уравнение радиолокации:
Figure 00000003
В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θс - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), А(α) - функция распределения ДНА, R(α)=Н/sin(α) - расстояние от фазового центра антенны до точки отражения, Н - высота расположения антенны над поверхностью (см. Фиг. 1). K - константа, определяемая системными параметрами, σ(α) - функция эффективной отражающей поверхности дороги. А(α) имеет максимум при условии равенства α=θс и симметрична относително θс. σ(α) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла α, в соответствии с ДНА. Если выполнить подстановку значения α=arccos(λ0ƒD/2V) из (1) в Е(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала S для данной скорости:
Figure 00000004
В результате имеет место принципиальное смещение между максимумом спектральной плотности и собственно доплеровской частотой ƒD. Кроме этого сам доплеровский сигнал будет иметь существенную стохастическую составляющую из-за случайного характера распределения отражающих свойств по площади отражающей поверхности, а также влияния вибрации и неровностей дороги. Также следует отметить, что вычисление спектра требует времени для накопления данных, что приводит к дискретному измерению скорости. За это время скорость может меняться, поэтому результат измерения будет неточным. На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал записанный за время Т=1 сек. в относительных единицах и Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде по частотам F=π/ti, где ti - время выборки. Из спектра сигнала видно, что точно определить максимум затруднительно.
Чтобы уменьшить влияние этих ошибок, применяют способы с использованием излучения и приема электромагнитных волн из двух антенн под разными углами к поверхности (например, RU 2334995 C1, 27.09.2008). Совместная обработка двух доплеровских сигналов позволяет лишь частично снизить влияние ошибки от наличия спектрального распределения ΔƒD. Однако, практически кратное увеличение составных компонентов устройства, реализующего данный способ, соответственно увеличивает и ошибки, вызванные с паразитным просачиванием излучений между антеннами, циркуляторами и другими элементами устройства. Кроме этого повышается стоимость устройства. Точность можно повысить также за счет использования усредняющих и сглаживающих процедур обработки спектра, однако тот факт, что максимум спектральной плотности не соответствует доплеровской частоте (см. Фиг. 1б), не позволяет эффективно использовать и этот подход.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 85), принятый за прототип. Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора СВЧ излучаются под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью. Отраженные волны принимаются антенной и смешиваются с частью излучаемых электромагнитных колебаний. В результате выделяется доплеровский сигнал, а путевая скорость вычисляется по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала.
Недостатком способа являются значительные ошибки в определении путевой скорости, обусловленные измерением доплеровской частоты по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала и дискретным характером измерения. Для использования в навигационных системах, системах безопасности и для экономии расхода топлива требуется точное измерение пройденного пути. Для этого необходимо измерение мгновенной скорости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения путевой скорости наземного транспортного средства.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости, заключающимся в том, что электромагнитные волны излучают вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, принимают отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны, затем эти волны смешивают в первом смесителе с частью излучаемых волн и выделяют первый сигнал разностной частоты, дополнительно к этому отраженные волны пропускают через линию задержки длиной в четверть длины волны электромагнитного колебания, смешивают их на втором смесителе с частью излучаемых волн и выделяют второй сигнал разностной частоты, затем оба сигнала сравнивают по фазе, при этом один из сигналов разностной частоты предварительно пропускают через управляемую линию задержки, с помощью изменения разности фаз этих сигналов управляют линией задержки до совпадения фаз обоих сигналов разностной частоты, по результирующему управляющему сигналу вычисляют время задержки, по которому определяют скорость транспортного средства.
На Фиг. 1а представлен реальный доплеровский сигнал в течение 1 сек, а на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде.
На Фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.
На Фиг. 3 изображены временные диаграммы сигналов на выходах первого и второго смесителя I(t) и Q(t), а также измеренное значение мгновенной скорости V(t).
Устройство расположено на транспортном средстве и содержит генератор СВЧ 1, направленный ответвитель 2, циркулятор 3, антенну 4, линия задержки на λ0/4-5, первый смеситель 6, второй смеситель 7, управляемая линия задержки 8, фазовый детектор 9, вычислительный блок 10 (см. Фиг. 2). Антенна ориентирована под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью 11.
Устройство работает следующим образом. От генератора СВЧ сигнал с частотой ƒ0 поступает через основной вывод направленного ответвителя и циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности. При этом часть сигнала через вспомогательный вывод направленного ответвителя поступает на первые входы двух смесителей, а на вторые его входы поступает СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Однако, если на первый смеситель он приходит напрямую, то на второй вход - после задержки на λ0/4, что соответствует сдвигу по фазе на угол 90°. В результате на выходе первого и второго смесителя образуются доплеровские сигналы I(t) и Q(t), также сдвинутые между собой по фазе на 90° (см. фиг. 3). Затем сигнал Q(t) подается прямо на первый вход фазового детектора, а на второй его вход поступает сигнал I(t) через управляемую линию задержки. Фазовый детектор формирует сигнал, который подается на управляющий вход линии задержки и поддерживает состояние равенства фаз сигналов I(t) и Q(t). Этот сигнал управления преобразуется вычислительным блоком в сигнал, соответствующий мгновенной скорости V(t). Это следует из того, что в каждый текущий момент времени управляющее напряжение будет соответствовать времени tз равной
Figure 00000005
периода доплеровской частоты ƒD, тогда равенство (2) можно записать в следующем виде
V(t)=cƒD/2cos(α)ƒ0=c/8tзcos(α)ƒ0
По этой формуле вычислительный блок и рассчитывает текущее значение мгновенной скорости от текущего значения времени задержки при выполнении условия равенства фаз I(t) и Q(t).
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за стохастического и асимметричного характера спектра доплеровского сигнала при измерении путевой скорости устраняется, а точность измерения по сравнению с прототипом увеличивается. При этом устраняется дискретность измерения путевой скорости, а путь измеряется прямым интегрированием мгновенного значения скорости.

Claims (1)

  1. Способ измерения путевой скорости, заключающийся в том, что электромагнитные волны излучают вперед под углом α по направлению движения транспортного средства, принимают отраженные от поверхности дороги электромагнитные волны, затем эти волны смешивают в первом смесителе с частью излучаемых волн и выделяют первый сигнал разностной частоты, отличающийся тем, что отраженные волны пропускают через линию задержки длиной в четверть длины волны электромагнитного колебания, смешивают их на втором смесителе с частью излучаемых волн и выделяют второй сигнал разностной частоты, затем оба сигнала сравнивают по фазе, при этом один из сигналов разностной частоты предварительно пропускают через управляемую линию задержки, с помощью изменения разности фаз этих сигналов управляют линией задержки до совпадения фаз обоих сигналов разностной частоты, по результирующему управляющему сигналу вычисляют время задержки, по которому определяют скорость транспортного средства по формуле
    Figure 00000006
    , где с - скорость света,
    Figure 00000007
    - доплеровская частота, пропорциональная скорости движения транспортного средства,
    Figure 00000008
    - частота излучаемого сигнала, α - угол, под которым излучают сигнал с частотой
    Figure 00000009
    по направлению движения транспортного средства,
    Figure 00000010
    - время задержки сигнала, соответствующее совпадению фаз обоих сигналов разностной частоты.
RU2018120343A 2018-06-01 2018-06-01 Способ измерения путевой скорости RU2683578C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120343A RU2683578C1 (ru) 2018-06-01 2018-06-01 Способ измерения путевой скорости

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018120343A RU2683578C1 (ru) 2018-06-01 2018-06-01 Способ измерения путевой скорости

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2683578C1 true RU2683578C1 (ru) 2019-03-29

Family

ID=66089767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018120343A RU2683578C1 (ru) 2018-06-01 2018-06-01 Способ измерения путевой скорости

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2683578C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126164C1 (ru) * 1997-10-28 1999-02-10 Манукьян Арменак Ашикович Способ измерения скорости движения транспортного средства
US6445337B1 (en) * 1998-12-29 2002-09-03 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Method for measuring the speed of a vehicle
WO2005050240A2 (en) * 2003-11-18 2005-06-02 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Method and system for determining the range and velocity of a moving object
EP1925948A1 (en) * 2006-11-24 2008-05-28 Hitachi, Ltd. Radar apparatus and signal processing method
RU2334995C1 (ru) * 2007-05-29 2008-09-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2611440C1 (ru) * 2016-04-13 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Доплеровский измеритель путевой скорости

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2126164C1 (ru) * 1997-10-28 1999-02-10 Манукьян Арменак Ашикович Способ измерения скорости движения транспортного средства
US6445337B1 (en) * 1998-12-29 2002-09-03 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Method for measuring the speed of a vehicle
WO2005050240A2 (en) * 2003-11-18 2005-06-02 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Method and system for determining the range and velocity of a moving object
EP1925948A1 (en) * 2006-11-24 2008-05-28 Hitachi, Ltd. Radar apparatus and signal processing method
RU2334995C1 (ru) * 2007-05-29 2008-09-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2611440C1 (ru) * 2016-04-13 2017-02-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Доплеровский измеритель путевой скорости

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ФИЛЬКЕНШТЕЙН М.И. Основы радиолокации. Москва, Советское радио, 1973, с.85. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9983294B2 (en) Radar system
US9557412B2 (en) Angular resolution radar sensor
US2837738A (en) Passive range measuring device
US7167126B2 (en) Radar system and method for determining the height of an object
KR101239166B1 (ko) Ｆｍｃｗ 근접 센서
RU2334995C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
Rajkumar et al. Design and Development of DSP Interfaces and Algorithm for FMCW Radar Altimeter
JP4779704B2 (ja) 物標検出装置および物標検出方法
JPH04343084A (ja) Ｆｍ−ｃｗレーダ装置
RU2711400C1 (ru) Способ местоопределения над земной поверхностью излучателя или пеленгаторных антенн
RU2669016C2 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2611440C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2410650C2 (ru) Способ измерения уровня материала в резервуаре
RU2683578C1 (ru) Способ измерения путевой скорости
RU2504739C1 (ru) Устройство для определения уровня жидкости в емкости
RU2486540C1 (ru) Имитатор ложной радиолокационной цели при зондировании сигналами с линейной частотной модуляцией
RU2435171C1 (ru) Фазовый способ пеленгации и фазовый пеленгатор для его осуществления
GB671661A (en) Improvements in or relating to distance-measuring systems employing electromagnetic waves
RU2504740C1 (ru) Способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2663215C1 (ru) Радиоволновый способ измерения путевой скорости
JP7396630B2 (ja) 測距装置および測距方法
RU2686674C1 (ru) Бесконтактный способ измерения пройденного пути
RU2611601C1 (ru) Доплеровский способ измерения путевой скорости
Kaminski et al. K-band FMCW radar module with interferometic capability for industrial applications
JP5379312B2 (ja) 距離測定装置