СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Изобретение относится к области техники радиотехнических средств измерения расстояния и может быть использовано, например, для измерения дальностей в локальных навигационных системах при управлении движением надводных объектов при контроле их плавания в прибрежной зоне, захода и прохода по бухте, организации автоматического причаливания.

Известны амплитудные способы измерения дальности (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / под ред. В. В. Дружинина. — М.: Воен. Издат, 1967.) Однако амплитудные способы измерения дальности имеют большую погрешность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения дальности, описанный в Патенте на изобретение № 2657016, Россия, МПК G01S 15/08.

По этому способу измерения дальности генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой , при этом непрерывные колебания подают одновременно на вход передающей рамочной магнитной антенны и на вход передающего акустического преобразователя, оба из которых располагают на одном конце измерительной трассы, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно переменное магнитное поле и акустическую волную. На другом конце измерительной трассы переменное магнитное поле улавливают приемной рамочной магнитной антенной, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, оба из которых располагают на другом конце измерительной трассы. После этого измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя. После этого генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной частотой и повторяют всю процедуру излучения, приема переменного магнитного поля и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями, формируемыми на выходе приемной рамочной магнитной антенны и на выходе приемного акустического преобразователя. Далее определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

,

где — скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной рамочных магнитных антенн не имеет значения.

Однако измерение дальности по указанному способу может быть осуществлено в ограниченном радиусе действия, поскольку переменное магнитное поле, генерируемое передающей рамочной магнитной антенной, убывает обратно пропорционально кубу расстояния, в то время как акустический сигнал может распространяться на значительно большее расстояние. Реально измеряемая дальность имеет некоторый предел, исчисляемый сотней метров. В тоже время, крайне желательно контролировать движение надводного объекта на расстояниях в несколько километров.

Целью настоящего изобретения является повышение радиуса действия системы измерения дальности надводных объектов при организации их движения в прибрежной зоне, захода и прохода по бухте, организации автоматического причаливания.

Поставленная цель достигается следующим образом.

1. Способ измерения дальности, включающий генерирование непрерывных колебаний низкой частоты, излучение акустической волны низкой частоты, прием акустической волны низкой частоты, измерение разности фаз непрерывных колебаний низкой частоты, последовательное изменение частоты непрерывных колебаний,

отличающийся тем, что первоначально генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной низкой частотой , при этом непрерывные колебания низкой частоты подают одновременно на вход модуляции радиочастотного передатчика, к выходу которого подключают передающую радиочастотную антенну, которую располагают над водной поверхностью, и на вход передающего акустического преобразователя, который располагают под водной поверхностью, оба из которых располагают на одном конце измерительной трассы или измерительной станции, и излучают, таким образом, в направлении объекта, расстояние до которого необходимо измерить, одновременно модулированный сигналом низкой частоты радиочастотный сигнал, распространяемый над водной поверхностью, и акустическую волну, распространяемую под водной поверхностью, после чего на другом конце измерительной трассы модулированный радиочастотный сигнал улавливают приемной радиочастотной антенной, которую располагают над водной поверхностью, а акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, который располагают под водной поверхностью, при этом приемную радиочастотную антенну и приемный акустический преобразователь располагают на другом конце измерительной трассы или на объекте, расстояние до которого необходимо измерить, после чего принятый радиочастотной антенной радиочастотный сигнал демодулируют в радиочастотном приемнике и выделяют на его выходе демодуляции исходный сигнал с исходной низкой частотой , после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями низкой частоты, формируемыми на выходе демодуляции радиочастотного приемника и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные колебания с известной фиксированной низкой частотой и повторяют всю процедуру модуляции, излучения, приема, демодуляции радиочастотного сигнала и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными колебаниями низкой частоты, формируемыми на выходе демодуляции радиочастотного приемника и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем и приемным акустическим преобразователем определяют по формуле:

,

где — скорость звука в среде распространения, причем место размещения передающей и приемной радиочастотных антенн не имеет значения, при этом получают значение измеряемой дальности на самом контролируемом объекте.

2. Способ измерения дальности по п. 1,

отличающийся тем, что первично сформированные непрерывные колебания с известной фиксированной низкой частотой подают одновременно на вход модуляции радиочастотного передатчика и на первый вход измерителя разности фаз, при этом, принятый на другом конце измерительной трассы или на контролируемом объекте радиочастотный сигнал демодулируют, и получаемые с выхода демодуляции радиочастотного приемника непрерывные колебания низкой частоты затем усиливают и подают на вход передающего акустического преобразователя, который располагают под водной поверхностью, который устанавливают на другом конце измерительной трассы или контролируемом объекте, и излучают, таким образом, акустическую волну, распространяемую в направлении измерительной станции, после чего акустическую волну улавливают приемным акустическим преобразователем, который располагают под водной поверхностью, который устанавливают на первом конце измерительной трассы или на измерительной станции, после чего сигнал с приемного акустического преобразователя подают на второй вход измерителя разности фаз, после чего измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями низкой частоты, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний низкой частоты, и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего генерируют непрерывные электрические колебания с известной фиксированной низкой частотой и повторяют всю процедуру модуляции излучения, приема, демодуляции радиочастотного сигнала и акустической волны, а также измеряют и фиксируют разность фаз между непрерывными электрическими колебаниями, формируемыми на выходе генератора непрерывных электрических колебаний и на выходе приемного акустического преобразователя, после чего определяют разность фаз , при этом расстояние между передающим акустическим преобразователем, установленным на контролируемом объекте, и приемным акустическим преобразователем, установленным на измерительной станции, определяют по формуле:

,

где — скорость звука в среде распространения, при этом получают значение измеряемой дальности на измерительной станции.

Сравнение предлагаемого изобретения с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности измерения повышенной дальности надводных объектов.

Эти свойства предлагаемого изобретения являются новыми, так как в способе прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в использовании для передачи низкочастотного сигнала синхронизации рамочных магнитных антенн, работающих на этих же низких частотах, измерение расстояний возможно только на ограниченной дальности, не превышающей реально сотни метров.

Указанный способ измерения дальности можно реализовать с помощью устройства, приведенного на фиг. 1 (п. 1 формулы изобретения) и фиг. 2 (п. 2 формулы изобретения).

Устройство измерения дальности по п. 1 формулы изобретения (фиг. 1) состоит из генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1, радиочастотного передатчика 2, передающей радиочастотной антенны 3, приемной радиочастотной антенны 4, радиочастотного приемника 5, передающего акустического преобразователя 6, приемного акустического преобразователя 7, измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8. Радиочастотные антенны устанавливают над водной поверхностью, а акустические преобразователи устанавливают под водной поверхностью.

Выход генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 соединен с входом модуляции радиочастотного передатчика 2 и с входом передающего акустического преобразователя 6, при этом выход радиочастотного передатчика 2 соединен с входом передающей радиочастотной антенны 3, причем выход приемной радиочастотной антенны 4 соединен с входом радиочастотного приемника 5, выход демодуляции которого соединен первым входом измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8, а выход приемного акустического преобразователя 7 соединен со вторым входом измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8.

Устройство измерения дальности по п. 2 формулы изобретения (фиг. 2) состоит из генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1, радиочастотного передатчика 2, передающей радиочастотной антенны 3, приемной радиочастотной антенны 4, радиочастотного приемника 5, передающего акустического преобразователя 6, приемного акустического преобразователя 7, измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8, усилителя низкой частоты 9.

Радиочастотные антенны устанавливают над водной поверхностью, а акустические преобразователи устанавливают под водной поверхностью.

Выход генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 соединен с входом модуляции радиочастотного передатчика 2 и первым входом измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8, при этом выход радиочастотного передатчика 2 соединен с входом передающей радиочастотной антенны 3, причем выход приемной радиочастотной антенны 4 соединен с входом радиочастотного приемника 5, выход демодуляции которого соединен с входом усилителя низкой частоты 9, выход которого соединен с входом передающего акустического преобразователя 6, а выход приемного акустического преобразователя 7 соединен со вторым входом измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8.

Работают устройства, реализующие заявляемые способы измерения дальности следующим образом.

С помощью генератора непрерывных низкочастотных колебаний 1 первоначально генерируют непрерывные колебания с известной частотой , начальной фазой и амплитудой

. (1)

Частота этих колебаний выбирается невысокой. Значение частоты этих колебаний лежит в звуковом диапазоне длин волн.

Эти колебания подают на вход модуляции радиочастотного передатчика 2. При этом тип модуляции может быть произвольным: это может быт амплитудная, частотная или фазовая модуляции. При модуляции чистым тоном, что имеет место в рассматриваемом случае, частотную и фазовую модуляции на приемной стороне не различить. В этом случае, правильно говорить об угловой модуляции сигнала радиочастоты.

С помощью передающей радиочастотной антенны 3 излучают в направлении другого конца измерительной трассы радиочастотный сигнал c частотой , модулированный сигналом низкой частоты . Здесь и далее примем обозначение модуляции сигналов как . Модулированные радиочастотные колебания распространяются от передающей радиочастотной антенны 3 к приемной радиочастотной антенне 2. Эти колебания при распространении на радиочастоте определенно получают известный набег фазы, но этот набег фазы не имеет значения, поскольку он не принимается в расчет в процессе демодуляции сигнала.

С другой стороны, электрические колебания с низкой частотой модуляции при распространении радиочастотного модулированного сигнала c частотой на расстояние от радиочастотной антенны 3 до приемной радиочастотной антенны 4, можно сказать, получают набег фазы , где — скорость света. При низких частотах звукового диапазона и при малых дальностях , составляющих сотни метров, длина волны электромагнитного излучения оказывается много больше измеряемой дальности . Так, например, при частоте звукового сигнала 1 кГц и длине трассы 1 км набег фазы низкочастотного сигнала составит всего 1,2°. И этот сдвиг фазы остается постоянным во времени. Другими словами его можно учесть при калибровке системы, и этим набегом фазы можно пренебречь и можно утверждать, что непрерывные колебания, формируемые на выходе демодуляции радиочастотного приемника, являются синфазными, по отношению к непрерывным колебаниям, поступающим на вход модуляции радиочастотного передатчика. Эти колебания описываются одним и тем же выражением (1). Причем место установки передающей и приемной радиочастотных антенн не принципиально. Непрерывные колебания на входе модуляции радиочастотного передатчика и на выходе демодуляции радиочастотного приемника всегда будут синфазны, в первом приближении. Правомерность использования такого подхода подтверждена полномасштабными теоретическими и экспериментальными исследованиями и нашла отражение в научных трудах и патенте РФ автора № 2595247.

Далее работы устройств по п. 1 и п. 2 формулы немного отличаются друг от друга.

По п. 1 формулы изобретения сигнал с выхода генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 подают еще на вход передающего акустического преобразователя 6, установленного на измерительной станции и под водной поверхностью, и излучают с его помощью в направлении другого конца измерительной трассы, в направлении контролируемого объекта на котором устанавливают под водной поверхностью приемный акустический преобразователь 7, акустическую волну. Акустическая волна с частотой при распространении на расстояние от передающего акустического преобразователя 6 до приемного акустического преобразователя 7 также получает свой набег фазы , где — скорость звука в среде распространения. Значением этого набега фазы пренебречь нельзя, поскольку его величина может достигать нескольких тысяч фазовых циклов величиной каждый. Таким образом, на выходе приемного акустического преобразователя 7 формируются непрерывные колебания

. (2)

Непрерывные колебания с выхода демодуляции радиочастотного приемника 5, описываемые выражением (1) и с выхода приемного акустического преобразователя 7, описываемые выражением (2), подают на входы измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8, на выходе которого формируют сигнал, пропорциональный разности фаз сигналов (1) и (2). Однако измеритель разности фаз непрерывных колебаний 8 способен адекватно отобразить измеряемую разность фаз, если величина этой разности фаз лежит в пределах от 0 до . Другими словами измеритель разности фаз формирует сигнал, пропорциональный некоторой величине , которая связана с реальным набегом фазы соотношением

, (3)

где — некоторое целое число, которое может достигать нескольких тысяч и более. Другими словами появляется неоднозначность определения дальности.

Для решения этой проблемы указанное измеренное значение фиксируют, после чего изменяют значение частоты непрерывных колебаний до некоторой известной величины и повторяют всю процедуру излучения и приема модулированного радиочастотного сигнала и акустических волн и вновь измеряют разность фаз непрерывных колебаний на выходе демодуляции радиочастотного приемника 5 и на выходе приемного акустического преобразователя 7, которую вновь фиксируют. После чего определяют разность фаз и вычисляют дальность по формуле

. (4)

При этом значение дальности получают на самом контролируемом объекте.

Важно при этом помнить, что изменение частоты не должно приводить к изменению разности фаз сигналов на величину бóльшую, чем . Другими словами

.

По п. 2 формулы изобретения сигнал с выхода генератора непрерывных колебаний низкой частоты 1 подают одновременно вход модуляции радиочастотного передатчика и на первый вход измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8. В тоже время сигнал с выхода демодуляции радиочастотного приемника 5 подают на вход усилителя низкой частоты 9 и далее с выхода этого усилителя 9 сигнал подают на вход передающего акустического преобразователя 6, устанавливаемого на контролируемом объекте и под водной поверхностью, и излучают тем самым в направлении измерительной станции, направлении приемного акустического преобразователя 7, устанавливаемого на измерительной станции под водной поверхностью, акустическую волну. Акустическая волна с частотой при распространении на то же расстояние от передающего акустического преобразователя 6 до приемного акустического преобразователя 7 также получает тот же набег фазы . Таким образом, на выходе приемного акустического преобразователя 7 формируется непрерывные колебания, описываемые тем же выражением (2), что и по п. 1 формулы.

Сигнал с выхода приемного акустического преобразователя 7 подают на второй вход измерителя разности фаз непрерывных колебаний 8, на выходе которого получают такой же сигнал, который описывается формулой (3).

Как и ранее, неоднозначность измерения разности фаз и, соответственно, неоднозначность определения дальности устраняют путем последовательных изменений частоты исходных низкочастотных колебаний с до с промежуточными фиксациями измеренных разностей фаз и с дальнейшим определением разности фаз и вычислением дальности по формуле (4).

При этом значение дальности получают на измерительной станции.

Народнохозяйственный эффект от использования предлагаемого изобретения связан с появлением возможности измерения повышенной дальности надводных объектов, больше чем сотня метров. Измерение повышенной дальности надводных объектов при этом обеспечивается реализацией канала передачи опорного низкочастотного сигнала путем модуляции этим низкочастотным сигналом сигнала радиочастотного передатчика, с последующей передачей, приемом и демодуляции радиочастотного сигнала на контролируемом объекте. При этом дальность действия радиочастотного канала связи может намного превышать дальность действия акустического канала связи, с помощью которого измеряют дальность контролируемого объекта.

Другой аспект повышения эффективности от использования предлагаемого изобретения связан с возможностью измерения дальности с повышенной точностью, при этом неоднозначность измерений исключается.