АВТОДИННЫЙ РАДИОЛОКАТОР С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

January 5, 2013 by admin Комментировать »

Воторопин с. Д., Носков В. Я. г. Томск, Россия e-mail: votoropin@mail. tomsknet. ru **УГТУ-УПИ г. Екатеринбург, Россия e-mail: noskov@oko-ek.ru

Аннотация – В докладе дано описание трех вариантов технического решения в автодином радиолокаторе, обеспечивающего возможность одновременно измерять скорость движения объектов и определять направление их относительного перемещения. Радиолокатор включает в себя антенну, подключенную к автодинный приёмопередающему модулю с преобразованием частоты, а также развязывающий широкополосный трансформатор, усилитель сигналов промежуточной частоты, частотный дискриминатор, амплитудный детектор, фазовый компаратор и измеритель частоты. Направление относительного движения определяется благодаря фазовому сдвигу между автодинными изменениями амплитуды и частоты колебаний генератора, находящегося под воздействием собственного отражённого излучения.

I.                                       Введение

Автодинные системы благодаря конструктивной простоте, малогабаритности и высокой чувствительности находят широкое применение для решения самых различных задач ближней радиолокации, контроля технологических процессов и других целей [1]. Принцип работы указанных систем основан на автодином эффекте, заключаемся в изменении параметров автоколебаний генератора под воздействием отражённого электромагнитного излучения [2]. Возникающий автодинный отклик регистрируется в виде соответствующих сигналов либо в цепи питания генератора, либо внешним детектором, на который ответвляется часть его мощности. Частота автодинных сигналов, равная доплеровской, характеризует скорость движения объекта, а относительные фазовые сдвиги их по изменению автосмещения, амплитуды и частоты автоколебаний обеспечивают возможность определять направления движения с помощью фазового компаратора, который фиксирует лишь знак разности фаз соответствующих сигналов. Ниже дано описание трёх вариантов технического решения, реализующего указанный принцип.

II.                              Основная часть

При подаче напряжения от источника питания в автодинном приёмопередатчике 2 с преобразованием частоты (см. рис.1) возникают СВЧ колебания на частотах ωι и ГО2. Колебания на частоте ωι поступают в антенну 1 и излучаются в пространство. Одновременно существующие в автодинном приёмопередатчике

2  СВЧ колебания на частотах ωι и гог вызывают изменения среднего значения тока на его выходе с разностной частотой Гор = |ωι – Го2|. Эти изменения тока выделяются и преобразуются в напряжение сигнала промежуточной частоты с помощью развязывающего широкополосного трансформатора 3. Далее этот сигнал, с частотой гопч усиливается усилителем сигналов ПЧ 4 при условии ГОр Ξ Гопч.

Рис. 1.

Fig. 1.

Отражённое от движущихся объектов электромагнитное излучение поступает через антенну 1 в автодинный приёмопередатчик 2, где взаимодействуя с его собственными колебаниями, вызывает в нём автодинный эффект [2,3], проявляющийся в автодинных изменениях амплитуды ΔΑι(ί) и частоты ωι(ί) автоколебаний с доплеровской частотой [3]: ΔΑι(ί) = Г AoiKcos Ιβ + β), ωι(ί) = гою + Aroim sin (δ +ψ), где Г = (Pci/Poi)^ коэффициент затухания (по амплитуде) излучения при его распространении до отражающего объекта и обратно; Pd, Ροι – мощности отражённого сигнала и излучаемого колебания соответственно; Αοι,ωοι – амплитуда и частота автономных колебаний автодинного приёмопередатчика 2; Ка – коэффициент автодинного усиления, показывающий во сколько раз величина автодинных изменений амплитуды ΔΑι(ί) автоколебаний больше амплитуды принимаемого сигнала [2]; δ = ωι(τ) – набег фазы излучения при его распространении за

время τ = 2ί (t) / с – время распространения излучения до отражающего объекта, находящегося на расстоянии £ (t), и обратно; с – скорость распространения радиоволн; β, ψ – фазовые углы смещения автодинных изменений амплитуды и частоты колебаний;Аго1т = Г (гою/Овн!) – амплитуда (девиация) автодинных изменений частоты колебаний автодинного приёмопередатчика 2 на частоте колебаний ωι; Qbh.i – внешняя добротность автодинного приёмопередатчика 2 на частоте ωι.

Рис. 2. Fig. 2.

В результате преобразования частоты ωι(ί) и гогв автодинном приёмопередатчике 2 выходной сигнал усилителя ПЧ 4, имеющий полосу пропускания

2 Агопч^2Аго1т, оказывается промоду-лирован по амплитуде и частоте: и„ч (t) = Αοι К„р к ПЧ [1+I~KaC0S (Ωдt +β)] cos [ωροί + mi cos (Qflt +ψ)], где К„р, к„ч – коэффициенты преобразования автодинных изменений амплитуды автодинным приемопередатчиком 2 и усиления усилителя ПЧ 4 соответственно; Од = 2roiV/c – до- плеровская частота автодинных изменений; V – радиальная скорость движения отражающего объекта; mi = Аго1т/Од – индекс частотной модуляции. Полезный сигнал на входе ЧД 5, как правило, не зависит от изменений амплитуды (для этого используется амплитудный ограничитель на его входе). Поэтому сигнал на выходе ЧД 5 имеет вид: ичд(1) = UmSin (Ωдt+ψ), где □ш = Зчд Аго1т – амплитуда полезного сигнала на выходе ЧД; Зчд – крутизна характеристики ЧД 5. Доплеровский сигнал выхода ЧД 5 далее поступает в измеритель частоты 6, который обеспечивает измерение скорости движения объектов. Амплитудный детектор

7  выделяет огибающую выходного сигнала усилителя ПЧ 4: идд (t) = Ua cos (Од1 + β), где Ua = Г Αοι Кд К„р ’ кпч’ Кд – амплитуда сигнала; Кд – коэффициент передачи амплитудного детектора 7. Фазовый компаратор

8  определяет разность фаз между сигналами иАд (t) с выхода амплитудного детектора 7 и ичд (t) с выхода частотного дискриминатора 5. При движении отражающего объекта к радиолокатору эта разность фаз φ+ = (β – Ψ) – 90°, а при удалении – φ_ = (β – ψ) – 90°. Изменение разности фаз на 180° вызывает соответствующее изменение выходного напряжения фазового компаратора 8, что указывает на знак радиальной скорости отражающего объекта.

Автодинный приёмопередатчик 2 по первому варианту технического решения (см. рис. 1а) работает следующим образом. При подаче напряжения от источника питания в СВЧ генераторах 9 и 12 возникают СВЧ колебания на частотах ωι и ыг, определяемых настройкой резонаторов этих генераторов. Колебания, возбуждаемые первым СВЧ генератором

9  поступают а антенну 1 и излучаются в пространство. Одновременно часть генерируемой мощности поступает через элемент связи 10, выполненный, например, в виде отверстия в резонаторе СВЧ генератора 9 и развязывающий вентиль 11 (например, ферритовый вентиль-фланец) в резонансную систему второго СВЧ генератора 12, работающего в режиме автодинного преобразователя частоты. Изменение среднего значения тока в цепи питания второго СВЧ генератора 12 (на выходе автодинного приёмопередатчика) происходят с разностной частотой ωρ = |ωι – ω2|. Воздействие отражённого от движущегося объекта излучения на первый СВЧ генератор

9  приводит к изменениям амплитуды Ai(t) и частоты ωι(ί) колебаний, которые преобразуются далее в соответствии с описанным выше принципом.

Автодинный приёмопередатчик 2 по второму варианту эквивалентного технического решения (см. рис 2) работает аналогично рассмотренному по первому варианту. Отличие состоит лишь в том, что здесь вместо второго СВЧ генератора 12, работающего в режиме автодинного преобразователя частоты, используется преобразователь частоты 16 на полупроводниковых диодах с отдельным гетеродином (СВЧ генератором 17).

Автодинный приёмопередатчик 2 по третьему варианту эквивалентного технического решения (см. рис.З) работает следующим образом. При подаче напряжения питания на асинхронный двухчастотный СВЧ генератор 2 возникают асинхронные колебания, приложенные к генераторному диоду 18, одновременно на частотах ωι и Ш2, определяемых резонансными частотами первого и второго резонаторов 19 и 20. Колебания, выделяемые первым резонатором 19, поступают в антенну 1 и излучаются в пространство. Одновременное существование на нелинейности генераторного диода 18 колебаний с частотами ωι и ω2 вызывает изменение среднего значения тока через генераторный диод 18 с разностной частотой ωρ = |ωι

–   ω2|, которые выделяются в цепи питания диода 18 с помощью широкополосного трансформатора 3. Отражённое от движущихся объектов электромагнитное излучение, поступающее через антенну 1, взаимодействует с полем первого резонатора 19 и вызывает ав- тодинные изменение амплитуды ΔΑι(ί) и частоты ωι(ί) колебаний, которые далее преобразуются в цепь питания генератора.

Автодинные радиолокаторы по всем вариантам технических решений автодинного приёмопередатчика 2 с преобразованием частоты реализованы в 8- мм диапазоне длин волн на многомезовых диодах Ганна «Охра» (АА768В) с малым потреблением по цепи питания [7,8]. Диаметр отверстия связи 10 и 14 в резонаторах генераторов подбирался экспериментально и составил около 0,5 мм. Преобразователь частоты 16 выполнен на смесительном диоде АА121А. Антенна – параболическая, ширина диаграммы направленности 6,5°.

Рис. 3.

Fig. 3.

Автодинный радиолокатор по третьему варианту был выполнен на базе двухчастотного генератора в соответствии с известной конструкцией [3], в которой подбирались длины первого и второго (коаксиальных) резонаторов 19,20 такими, чтобы обеспечить асинхронный режим колебаний с разностью частот 100 МГц (при отсутствии отражённого излучения).

Развязывающий трансформатор 3 выполнен по схеме с трансформаторно-ёмкостной связью контуров в цепи ПЧ [5]. Трёхкаскадный усилитель-ограни- читель сигналов ПЧ 4 с центральной частотой 100 МГц, имеющий полосу пропускания около 30 МГц, и частотный детектор 5 выполнены на микросхеме МС13155 фирмы Motorola. Выход RSSI измерения уровня этой микросхемы использовался вместо амплитудного детектора. Фазовый компаратор 8 был выполнен на D-триггере.

III.                                  Заключение

в лабораторных условиях проверка функционирования макетов автодинных радиолокаторов производилась с помощью имитатора доплеровского сигнала [6]. Натурные испытания автодинных радиолокаторов показали, что дальность действия их по измерению скорости движения автомобиля марки «FORD EXPLORER» составляет около 400 м, т. е. предлагаемые устройства не уступают по данному техническому показателю доплеровским измерителям скорости, применяемым в службах обеспечения безопасности движения. Однако, в отличие от известных приборов, предлагаемые устройства определяют также направление движения объектов. Данная функция особенно важна при создании средств измерений для автоматизированных систем управления движением автотранспорта, (например, обнаружение нарушителей режима одностороннего движения), вагонов на сортировочной горке (осаживание вагонов на подгорочных путях формирования поездов) и других целей.

IV. Список литературы

[1] Бузыкин В. Т., Носков В. Я. Автодины. Области применения и перспективы развития.// Радиотехнические системы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Сборник научных трудов. – Харьков, 1991, с.38-47.

1982.                   Гершензон Е. М., Туманов Б. Н., Бузыкин В. Т. и др. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта а автогенераторах. // Радиотехника и электроника. -т.27,     №1.-0.104-112.

1983.       Гершензон Е. М., Левит Б. И., Носков В. Я., Туманов Б. Н. Автодинный эффект в двухчастотных генераторах. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. -№11.-С.11-16.

[2] Бузыкин В. Т., Носков В. Я., Туманов Б. Н. Стабилизированный бигармонический генератор на диоде Ганна // ПТЭ.- 1988.-№ 2.-С.96-97.

[3] Костылев С. А., Гончаров В. В., Соколовский И. И., Че- лядин А. В. Полупроводники с объёмной отрицательной проводимостью в свч полях: электронные процессы и функциональные возможности. – Киев: Наук. Думка. – 1987.- 144 С..

[4] А.С. № 1659933 СССР МКИ G01S 7/40. Имитатор доплеровского сигнала / Бузыкин В. Т., Воторопин С. Д., Красильников Ю. Л., Носков В. Я. (СССР). – 4424241 / 09; Заявлено 15.05.88; Опубл. Б. И. № 2 1991 г. – Зс.: ил.1.

[5] Патент РФ № 2064718, МКИ Н01 L 47/02. Диод Ганна/ Воторопин С. Д., Юрченко В. И., Кожемякин А. М. (РФ). 5046020/25; Заявлено 04.06.92; Зарег. 27 07.96., Б.И.

№ 21.-С.З.

[6] Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник / Наливайко Б. А. – Томск: МГП «РАСКО», 1992-223 с.: ил.

AUTODYNE RADAR DETECTING THE MOTION DIRECTION OF REFLECTING OBJECTS

Votoropin s. D.*, Noskov V. Ya.**

*Tomsk, Russia e-mail: votoropin@mail.tomsknet.ru **USTU Ekaterinburg, Russia e-mail: noskov@oko-ek. ru

Presented in this paper are three versions of technical decision for autodyne radar, which provide the opportunity to measure simultaneously the velocity of objects motion and to detect the direction of their relative movement. The radar includes combined antenna connected to autodyne transmit-receive module with frequency conversion and decoupling wideband transformer, IF signal amplifier, frequency discriminator, amplitude detector, phase comparator and frequency counter. The direction of relative motion can be defined with the aid of phase shift between autodyne amplitude changes and frequency changes in the oscillator being influenced by the reflected reradiated signal.

The testing of laboratory versions of autodyne radar has been fulfilled using Doppler signal simulator [6]. Actual tests of autodyne radar have shown that their activity range in the sense of velocity measurement of standard car «FORD EXPLORER» is about 400 m., I. e. the devices offered do not yield in this technical parameter to Doppler velocity indicators used in police stations. Nevertheless, compared to known indicators, the devices offered ensure the determination of motion direction. This feature is especially important at development of measuring facilities for automated control systems of moving transport (e. g. detection of single-direction running infringers), cars at hump (cars upset forging on hump-yards for trains forming), heavily-loaded motor transport parking, etc.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты