RU2686674C1 - Бесконтактный способ измерения пройденного пути - Google Patents

Бесконтактный способ измерения пройденного пути Download PDF

Info

Publication number
RU2686674C1
RU2686674C1 RU2018130976A RU2018130976A RU2686674C1 RU 2686674 C1 RU2686674 C1 RU 2686674C1 RU 2018130976 A RU2018130976 A RU 2018130976A RU 2018130976 A RU2018130976 A RU 2018130976A RU 2686674 C1 RU2686674 C1 RU 2686674C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waves
distance traveled
measuring
mixer
pulses
Prior art date
Application number
RU2018130976A
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 RU2018130976A priority Critical patent/RU2686674C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2686674C1 publication Critical patent/RU2686674C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S13/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G01S13/581Velocity 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (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 пройденного пути транспортного средства. Указанный результат достигается тем, что в способе измерения пройденного пути, заключающемся в том, что электромагнитные волны с длиной волны λ0 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, в моменты совпадения этих сигналов формируют импульсы, по количеству этих импульсов n вычисляют пройденный путь по формуле L=nλ0/2cos(α). 3 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения пройденного расстояния наземным транспортным средством с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.
В настоящее время известны бесконтактные радиоволновые способы измерения путевой скорости и, соответственно, пройденного расстояния, 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 расстояние по числу оборотов колеса, радиоволновые доплеровские способы измерения позволяют определять истинную путевую скорость и расстояние, как результат интегрирования скорости по времени, которое не зависит от скольжения, движения при повороте и пробуксовывании, поскольку измерение производится бесконтактно. Эта информация о реальном перемещении относительно поверхности очень важна для правильной оценки пройденного пути, которая может быть использована в позиционировании транспортного средства при отсутствии сигналов спутниковой навигации. Обычно при реализации способа СВЧ радиоволны с частотой ƒ0 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 ƒD. Эту частоту, пропорциональную скорости движения будет иметь сигнал, выделяемый на смесителе:
Figure 00000001
где λ0 = с/ƒ0 - длина излучаемой электромагнитной волны, c - скорость света в воздухе. Отсюда скорость можно вычислить из уравнения:
Figure 00000002
Поскольку при движении скорость постоянно меняется, то пройденное расстояние L за время Т, будет определяться интегралом от мгновенной скорости или доплеровской частоты по времени:
Figure 00000003
То есть фактически в идеальном случае требуется точное измерение мгновенной доплеровской частоты.
Обычно ƒD определяют по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала, что в условиях движения объекта не может гарантировать точной оценки его скорости и перемещения. 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≤α+θ/2 от подстилающей поверхности ΔƒD. Функцию распределения энергии отраженной волны от угла α можно выразить через уравнение радиолокации:
Figure 00000004
В этой формуле α - угол наклона относительно горизонтальной поверхности, θс - угол направления центра диаграммы направленности антенны (ДНА), A(α) - функция распределения ДНА, R(α)=H/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. A(α) имеет максимум при условии равенства α=θс и симметрична относительно θc. 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 E(α) согласно уравнению (3), получим выражение для спектральной плотности доплеровского сигнала S для данной скорости:
Figure 00000005
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 время записи доплеровского сигнала скорость может меняться. В результате влияния всех этих факторов, доплеровский сигнал будет постоянно меняться по частоте и амплитуде, поэтому результат измерения будет неточным. На Фиг. 1а представлена реальная запись доплеровского сигнала за время Т=1 сек. в относительных единицах и на Фиг. 1б его периодограмма спектральной плотности в нормализованном виде по частотам F=π/ts, где ts - время выборки. Из спектра сигнала видно, что точно определить максимум распределения спектральной плотности за время записи сигнала невозможно, да и сам этот максимум не соответствует точно доплеровской частоте, по которой можно вычислить скорость и соответственно пройденный путь.
С другой стороны для целей позиционирования можно в принципе обойтись без измерения мгновенной частоты, а измерять пройденный путь, подсчитывая число полупериодов текущей доплеровской частоты - n. Тогда пройденное расстояние можно определить по формуле:
Figure 00000006
Погрешность измерения в этом случае соответствует полуволне излучаемого колебания поделенной на косинус угла α. При этом в процессе вычисления пути уже нет необходимости в измерении мгновенной доплеровской частоты с последующим интегрированием.
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, путевая скорость вычисляется по частоте доплеровского сигнала, а пройденный путь определяется по интегрированию этой частоты по времени.
Недостатком способа являются значительные ошибки в определении путевой скорости, обусловленные измерением доплеровской частоты по максимуму спектральной плотности доплеровского сигнала и дискретным характером измерения. В результате пройденный путь также будет вычислен не точно. Для использования в навигационных системах, системах безопасности и для экономии расхода топлива требуется точное измерение пройденного пути. Для этого необходимо его прямое измерение, например путем подсчета числа периодов сигнала доплеровской частоты. Однако сложный спектральный состав этого сигнала не позволяет сделать это с достаточной точностью.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения пройденного пути наземного транспортного средства.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения пройденного пути, заключающимся в том, что электромагнитные волны с длиной волны λ0 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, в моменты совпадения этих сигналов формируют импульсы, по количеству этих импульсов n вычисляют пройденный путь по формуле L=nλ0/2cos(α).
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 импульсы на выходе компаратора.
Устройство, реализующее способ 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, компаратор 8, счетчик импульсов 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 сигналы I(t) и Q(t) подаются на входы компаратора, на выходе которого формируются короткие импульсы в моменты совпадения сигналов. Далее эти импульсы подсчитываются счетчиком, а пройденный путь определяется в вычислительном блоке по формуле (5).
Поскольку форма сигнала Q(t), сдвинутого по фазе на 90° относительно сигнала I(t), изменяющегося как по частоте, так и по амплитуде одинакова, то ошибка, вызванная неточностью подсчетов числа периодов сигнала доплеровской частоты, устраняется, а точность определения пути увеличивается. При этом ошибка измерения будет постоянной и равной полуволне электромагнитного колебания, деленной на косинус угла α. При этом фактически измеряется мгновенная доплеровская частота с максимально возможной точностью без вычисления спектра и с максимально возможным быстродействием.

Claims (1)

  1. Бесконтактный способ измерения пройденного пути, заключающийся в том, что электромагнитные волны с длиной волны λ0 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, в моменты совпадения этих сигналов формируют импульсы, по количеству этих импульсов n вычисляют пройденный путь по формуле L=nλ0/2cos(α).
RU2018130976A 2018-08-28 2018-08-28 Бесконтактный способ измерения пройденного пути RU2686674C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018130976A RU2686674C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Бесконтактный способ измерения пройденного пути

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018130976A RU2686674C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Бесконтактный способ измерения пройденного пути

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2686674C1 true RU2686674C1 (ru) 2019-04-30

Family

ID=66430402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018130976A RU2686674C1 (ru) 2018-08-28 2018-08-28 Бесконтактный способ измерения пройденного пути

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2686674C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793338C1 (ru) * 2022-02-25 2023-03-31 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" Способ и устройство радиолокационного измерения параметров движения наземного транспортного средства относительно подстилающей поверхности

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0538096A1 (fr) * 1991-10-18 1993-04-21 Thomson-Csf Procédé et dispositif de mesure de courtes distances par analyse du retard de propagation d'une onde
RU94037470A (ru) * 1994-10-06 1996-09-10 НПП "Дальняя связь" Радиолокатор для измерения малых расстояний до объекта
WO2004059341A1 (de) * 2002-12-20 2004-07-15 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum erfassen von umgebungsinformationen und zum bestimmen der lage einer parklücke
RU2292564C2 (ru) * 2004-10-18 2007-01-27 Открытое акционерное общество "Рязанский завод металлокерамических приборов" (ОАО "РЗМКП") Система предотвращения столкновений транспортных средств в колонне
US8188908B2 (en) * 2010-01-29 2012-05-29 Amtech Systems, LLC System and method for measurement of distance to a tag by a modulated backscatter RFID reader
RU2584972C1 (ru) * 2016-03-21 2016-05-20 Игорь Борисович Широков Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0538096A1 (fr) * 1991-10-18 1993-04-21 Thomson-Csf Procédé et dispositif de mesure de courtes distances par analyse du retard de propagation d'une onde
RU94037470A (ru) * 1994-10-06 1996-09-10 НПП "Дальняя связь" Радиолокатор для измерения малых расстояний до объекта
WO2004059341A1 (de) * 2002-12-20 2004-07-15 Daimlerchrysler Ag Verfahren zum erfassen von umgebungsinformationen und zum bestimmen der lage einer parklücke
RU2292564C2 (ru) * 2004-10-18 2007-01-27 Открытое акционерное общество "Рязанский завод металлокерамических приборов" (ОАО "РЗМКП") Система предотвращения столкновений транспортных средств в колонне
US8188908B2 (en) * 2010-01-29 2012-05-29 Amtech Systems, LLC System and method for measurement of distance to a tag by a modulated backscatter RFID reader
RU2584972C1 (ru) * 2016-03-21 2016-05-20 Игорь Борисович Широков Способ измерения расстояния от измерительной станции до ретранслятора

Non-Patent Citations (1)

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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793338C1 (ru) * 2022-02-25 2023-03-31 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" Способ и устройство радиолокационного измерения параметров движения наземного транспортного средства относительно подстилающей поверхности

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9983294B2 (en) Radar system
US2837738A (en) Passive range measuring device
US20220113173A1 (en) Non-invasive open channel flow meter
US4980633A (en) Method and apparatus for measuring a vehicle's own speed by the Doppler radar principle
Rajkumar et al. Design and Development of DSP Interfaces and Algorithm for FMCW Radar Altimeter
RU2384861C1 (ru) Устройство измерения параметров волнения
RU2334995C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2686674C1 (ru) Бесконтактный способ измерения пройденного пути
RU2669016C2 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2611440C1 (ru) Доплеровский измеритель путевой скорости
RU2410650C2 (ru) Способ измерения уровня материала в резервуаре
RU2504739C1 (ru) Устройство для определения уровня жидкости в емкости
RU2690842C1 (ru) Бесконтактный измеритель пройденного пути
RU2486540C1 (ru) Имитатор ложной радиолокационной цели при зондировании сигналами с линейной частотной модуляцией
RU2504740C1 (ru) Способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2683578C1 (ru) Способ измерения путевой скорости
JP7396630B2 (ja) 測距装置および測距方法
RU2620774C1 (ru) Способ измерения массового расхода жидких сред
RU2492504C1 (ru) Способ определения нерадиальной проекции вектора скорости цели
RU2551260C1 (ru) Бесконтактный радиоволновый способ определения уровня жидкости в емкости
RU107370U1 (ru) Устройство для определения параметров движения цели
RU2611601C1 (ru) Доплеровский способ измерения путевой скорости
Kaminski et al. K-band FMCW radar module with interferometic capability for industrial applications
RU2521729C1 (ru) Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости
RU2663215C1 (ru) Радиоволновый способ измерения путевой скорости