ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ СДВИГОВ ЧАСТОТЫ МИКРОВОЛНОВЫМ ГОМОДИННЫМ ИЗМЕРИТЕЛЕМ СКОРОСТИ

February 9, 2013 by admin Комментировать »

Широков и. Б., Сербии А. М., Арутюнян М. Л., Пальгов Ф. Е. Севастопольский национальный технический университет Стрелецкая бухта, Студгородок, г. Севастополь, 99053, Украина тел.: (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, e-mail: shirokov@stel.sebastopol.ua

Аннотация – В работе проанализированы проблемы измерения малых скоростей перемещения объектов и сред до- плеровскими методами. Предложен метод измерения малых доплеровских сдвигов частоты микроволновым гомодинным измерителем скорости путем введения искусственного сдвига частоты, аналогичным доплеровскому сдвигу естественного происхождения. Приведены расчеты и структурная схема данного измерителя, алгоритм его работы.

I.                                       Введение

в последнее время проявляется тенденция к внедрению радиоволновых методов контроля параметров технологических процессов. Радиоволновые методы измерений оказываются исключительно полезными в других областях жизни и деятельности человека. Это объясняется их очевидным преимуществом перед контактными методами. Применяя контактные методы, мы заведомо вносим погрешность измерения, связанную с тем, что объект исследования механически контактирует с датчиком измерительного устройства.

Особенно актуальным является измерение скорости перемещения объекта или вещества в потоке. В этом случае требования к точности производимых измерений достаточно жесткие, особенно при измерении малых скоростей перемещения, когда погрешность измерения оказывается соизмеримой с самой измеряемой величиной.

Предложенный в данной статье способ измерения устраняет эту погрешность и позволяет измерять очень малые скорости вплоть до миллиметров в секунду и менее. В основу данного способа положен гомодинный метод измерения набега фаз.

II.                               Основная часть

Гомодинные методы основываются на использовании исходных генерируемых колебаний в качестве сигнала гетеродина для тех же колебаний, но прошедших через исследуемую среду или отразившихся от исследуемого объекта [1]. Начальная фаза и собственно частота исходных колебаний при этом методе измерений взаимно вычитаются, позволяя получать информативный параметр на выходе смесителя измерительного устройства.

На практике при измерении скорости объекта получил широкое распространение Доплеровский метод, который является частным случаем гомодинных методов измерений.

При использовании Доплеровского метода определения малых скоростей, мы сталкиваемся с проблемой измерения колебаний очень малой частоты (порядка нескольких герц и менее, вплоть до долей герц). В частности, предполагается при этом проводить усиление и преобразование сигналов на постоянном токе с очевидными при этом трудностями. Кроме этого, время измерения при этом существенно увеличивается по мере уменьшения частоты измеряемого сигнала и может достигать минут и более, что в ряде случаев является недопустимым.

В данной работе предложено намеренно вносить в один из сигналов дополнительный Доплеровский сдвиг частоты и производить измерения не разности частот исходного и информативного сигналов, а разности фаз опорного сигнала и сигнала, полученного на выходе смесителя измерительного устройства. Измерения разности фаз при этом будем производить не традиционными методами, а с помощью специализированных вычислительных устройств, позволяющих вести подсчет т. н. фазовых циклов, т. е. оценивать полную (кумулятивную) фазу сигнала.

Приведем некоторые теоретические аспекты данного подхода к проблеме. Пусть принимаемый сигнал будет иметь вид:

где A(t) — амплитуда принимаемого сигнала, в

общем случае величина, зависимая от времени. Влияние этой величины в измерителях сводят к нулю за счет введения ограничений сигнала. При этом полная фаза данного сигнала будет:

а мгновенная частота, как производная фазы:

Второе слагаемое данного выражения в подобного рода измерителях интерпретируют как доплеров- ское смещение частоты:

которое в ряде случаев можно представить другой формулой [2]

где— исходная частота микроволновых колебаний;— радиальная составляющая скорости пе

ремещения объекта или среды; — скорость распространения микроволн в среде (для воздуха

=с). Так если радиальная составляющая скорости перемещения объекта в воздухе составляет 1 мм в секунду, то при исходной частоте микроволновых колебаний 10 ГГц доплеровский сдвиг частоты составитДаже если производить измере

ние не частоты, а периода этого сигнала, то время измерения составит 30 с, не говоря уже о трудностях определения моментов перехода сигнала через ноль.

Решить эту проблему можно с помощью искусственного введения в один из сигналов дополнительного доплеровского сдвига частоты. Причем значение этой частоты можно выбрать достаточно высокой, например несколько килогерц. При этом трудностей усиления и преобразования сигналов не возникает.

Измеритель состоит из двух задающих генераторов – низкочастотного и высокочастотного. Сигнал от высокочастотного генератора поступает в передающую антенну и на управляемый фазовращатель. Под действием управляющего сигнала от низкочастотного генератора с периодом Т , фазовращатель обеспечивает монотонный сдвиг фазы высокочастотного сигнала, что эквивалентно сдвигу частоты исходного колебания на величину Ω = 2л"/Т . При периоде низкочастотного 1 мс и частоте высокочастотного сигнала 10 ГГц на выходе фазавращателя мы получаем сигнал с частотой 10’“ +10^ Гц. С выхода фазовращателя сигнал поступает на один из входов смесителя, на второй вход которого подается информационный сигнал с приёмной антенны, который пройдя через движущуюся среду (или отразившийся от движущегося объекта) приобрёл дополнительный доплеровский сдвиг частоты. На выходе смесителя мы получаем низкочастотный сигнал с частотой 10^ + /дГц При отсутствии движения вещества или объекта, на выходе смесителя будет только низкочастотный сигнал с частотой, равной частоте задающего низкочастотного генератора. После смесителя сигнал поступает на один из входов вычислительного устройства. На второй вход вычислительного устройства поступает сигнал непосредственно от задающего низкочастотного генератора. Вычислительное устройство производит анализ разности полных фаз двух сигналов и вычисление Доплеровского сдвига частоты, по которому вычисляет искомую скорость.

Алгоритм вычисления полной фазы сигнала представлен на рис. 2

Символы PS, PL, PH означают: регистр текущей фазы, младший регистр полной фазы и старший регистр полной фазы соответственно. Числа 0.25, 0.5, и 0.75 означают заполнение соответствующего регистра. Так, если регистр 8-ми разрядный, то заполнение 1.0 соответствует содержимому этого регистра FFh или разности фаз сигналов 2π (0).

Регистр PS содержит текущие данные измерений разности фаз. Регистр PL также содержит данные о разности фаз. Но этот регистр содержит данные предыдущего измерения. Другими словами каждое последующее измерение заменяет данные в этом регистре.

Рис. 2. Алгоритм вычисления полной фазы.

Fig. 2. Algorithm of total phase calculation

Рис. 1. Структурная сема измерителя.

Fig. 1. Velocimeter flowchart

Структурная схема измерителя малых доплеров- ских частот показана на рисунке 1.

Регистр PH содержит количество переходов разности фаз через О (число фазовых циклов). Соединение регистров PL и PH представляет собой данные о полной фазе сигнала.

Анализируя содержание пары этих регистров мы можем получить данные скорости движения объекта или вещества каждые 1 мс для выбранной искусственно введенной доплеровской частоты.

Конечно, существует некоторое ограничение на измерения с упомянутым выше алгоритмом. Так изменение разности фаз двух сигналов от первой до следующей процедуры измерения не должно превышать 90°. Другими словами полученные данные будут действительны, если доплеровский сдвиг частоты естественного происхождения не будет превышать 250 Гц, что соответствует радиальной составляющей скорости 7,5 м/с.

Эти ограничения обусловлены проверкой 25 %- ного заполнения регистров, которые мы использовали в этом алгоритме. Для измерения большей скорости движения требуется либо увеличивать частоту искусственно вводимого доплеровского сдвига частоты, либо использовать другой алгоритм, либо измерять частоту Доплера непосредственно.

Данный метод измерения скорости может быть применим и для случая, когда по различным причинам невозможно разместить отдельную приёмную антенну. Тогда сигнал, отразившись от объекта, получает доплеровский сдвиг частоты и поступает в приёмопередающую антенну. Затем, как и в предыдущем случае, данный сигнал с доплеровским сдвигом частоты поступает на смеситель, а затем на вычислительное устройство, которое определяет искомую скорость объекта.

III.                                   Заключение

Таким образом, в работе показано существенное преимущество метода измерения малых доплеров- ских сдвигов частоты микроволновым гомодинным измерителем скорости по сравнению с контактными методами. Показана возможность применения данного метода в различных средах и различных конструкциях. Использование гомодинных методов позволяет реализовать высокую разрешающую способность измерителя. Аппаратурная часть измерителя при этом оказывается достаточно простой. Некоторое усложнение, связанное с конечным нахождением скорости по формуле, без труда решается средствами микроконтроллеров.

IV.                            Список литературы

Широков И. Б., Синицын Д. В., Шабалина О. В. Принципы реализации и область применения гомодинных методов измерений. – В кн.: 14-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2004). Материалы конф. [Севастополь, 1317 сент.2004г.].- Севастополь: Вебер, 2004, с. 635-637.

[1]  Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. – М.: Энергоатомиздат, 1989.- 208 с.

MEASUREMENTS OF SMALL DOPPLER FREQUENCY SHIFTS USING MICROWAVE HOMODYNE VELOCIMETERS

Shirokov I. B., Serbin A. М.,

Arutyunyan M. L., Palgov F. Ye.

Chair of Radio Engineering,

Sevastopol National Tech-nical University Streletskaya Вау Sevastopol, 99053, Ukraine Ph.: +380 (692) 550005, fax 554145, e-mail: shirokov@stel. sebastopol. ua

Abstract – The paper discusses principles of measuring small velocities using Doppler techniques.

I.                                         Introduction

Microwave techniques of process control have found wide usage recently.

A measurement technique proposed in this paper eliminates errors inherent in contact methods and allows for very small velocities to be measured at millimeters per second and below. This technique is based on a homodyne method of measuring phase incursion.

II.                                        Main Part

The Doppler method is extensively applied in velocity measurements, although the problem of measuring very low- frequency (units or fractions of a cycle) oscillations is usually encountered here.

This paper suggests that an additional Doppler frequency shift be introduced into one of signals and phase difference, as opposed to frequency difference, be measured.

The velocimeter flowchart is shown in Fig. 1.

The RF oscillator feeds the transmitting antenna and controlled phase shifter. Under the action of controlling signal from the LF oscillator the phase shifter provides monotonous phase shift equivalent to the frequency shift in initial oscillations by Ω=2π/Τ. At the phase shifter output the signal is fed into a mixer input, while the other input is supplied with an information signal from the receiver antenna. An LF signal at 10^+ffl Hz is obtained at the mixer output and fed to a computer input, while an LF master oscillator signal is directly fed to the other input. The computer subsequently measures the phase difference between the two signals and calculates the required speed.

The algorithm of calculating the signal total phase is shown in Fig. 2.

III.                                       Conclusion

The application of homodyne techniques allows for high- resolution velocimeters to be designed and implemented in a broad variety of environments and tools.

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