Устройство для измерения распределения скоростей подвижных слоев по дальности

Устройство для измерения распределения скоростей подвижных слоев по дальности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к оптической локационной технике. Целью изобретения является обеспечение одновременного измерения параметров движения нескольких подвижных слоев. Указанная цель достигается тем, что в состав устройства, содержащего источник 1 лазерного излучения, первый 2 и второй 4 светоделители,оптически сопряженные с первым 3 и вторым 5 модулятором частоты излучения, управляемыми первым б и вторым 7 генераторами линейно-частотно-модулированных сигналов, управляемые входы которых соединены с выходом генератора 8 синхроимпульса, э также последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник 9. усилитель 10, квадратор 11. согласованный фильтр 12 канала дальности, вычислительный блок 13, синхронизируемый вход которого соединен со вторым выходом генератора 8 синхроимпульса, дополнительно введены последовательно соединенные полосовой фильтр 14, квадратор 15 и второй согласованный фильтр 16 канала скорости, причем вход полосового фильтра 14 соединен с вторым выходом усилителя 10, а выход согласованного фильтра 14 соединен с вторым входом вычислительного блока 13. 2 ил. 'слс^00о о ^ о>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 S 13/48, 17/00

ГОСУДАРСТВЕН.ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

f (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 00

С)

О

О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4828991/22 (22) 23.04.90 (46) 07.12.92,Бюл. М 45 (71) Белорусский государственный университет им. В.И. Ленина (72) В.А. Фираго. В.Л. Козлов и И.А. Малевич (56) Заявка Франции Q 1585053, кл. G 01 $17/00, 25.02.81.

Патент США% 3875395, кл. Н 04 В 9/00, 01;04.75. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ПОДВИЖНЫХ

СЛОЕВ IlO ДАЛЪНОСТИ (57) Изобретение относится к оптической локационной технике, Целью изобретения является обеспечение одновременного измерения параметров движения нескольких подвижных слоев. Указанная цель достигается тем, что в состав устройства, содержащего источник 1 лазерного излучения, первый 2 и второй 4 светоделители,,, ЫÄÄ 1780070 А1 оптически сопряженные с первым 3 и вторым 5 модулятором частоты излучения, управляемыми первым 6 и вторым 7 генераторами линейно-частотно-модулированных сигналов, управляемые входы которых соединены с выходом генератора 8 синхроимпульса, а также последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник

9, усилитель 10, квадратор 11, согласованный фильтр 12 канала дальности, вычислительный блок 13, синхронизируемый вход которого соединен со вторым выходом генератора 8 синхроимпульса, дополнительно введены последовательно соединенные полосовой фильтр I4, квадратор 15 и второй согласованный фильтр 16 канала скорости, Б причем вход полосового фильтра 14 соединен с вторым выходом усилителя 10, а выход согласованного фильтра 14 соединен с вторым входом вычислительного блока 13.

2 ил.

1780070

55

Изобретение относится к оптической локэционной технике и может быть использовано для одновременного измерения дальности и скорости подвижных слоев при лазерном зондировании различных сред (газообразных и жидких), в аэродинамике, гидродинамике и т.д.

Известно устройство для измерения расстояния и скорости объектов, содержащее оптически связанные источник лазерного излучения, ответвитель части излучения для фотосмешения, модулятор частоты излучения, управляемый генераroром линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала с пилообразным изменением частоты, соединенным с генератором импульсов, а также последовательно соединенные фотоприемник, усилитель, два фильтра с различной крутизной преобраэования+К и -К, согласованные с модулирующим сигналом, блок вычисления дальности.

В этом устройстве способ измерения основан на обработке пришедшего с дистанции пилообразного ЛЧМ сигнала крутизны перестройки частоты +К (частота возрастает) и

-К (частота. убь|вает), причем дальность определяется по средней величине задержки возникновения откликов на выходе фильтра, а скорость (из доплеровского сдвига частоты) по разности задержек на выходах фильтров.

Наиболее близкой по технической сущности к устройству является многочастотная оптическая локационная система, содержащая двухчастотный источник оптического излучения и последовательно соединенные фотогетеродинный приемник излучения, паласовой усилитель, обеспечивающий усиление всего диапазона gonneровских сдвигов частоты, нелинейный (квадратичный) усилитель, фильтр, схему вычисления и индикации. В этой системе благодаря использованию двухчастотного зондирующего сигнала удается скомпенсировать доплеровский сдвиг частоты, что дает воэможность измерять параметры движения объектов в широком диапазоне скоростей (доплеровских сдвигов частоты).

Недостатком системы является невозможность измерения дальности и скорости нескольких объектов, одновременно попадающих в поле зрения. Такая система неприменима для лазерного зондирования турбулентных сред, когда необходимо одно-. временное измерение дальности и скорости рассеивающих неоднородностей при прохождении излучения через среду.

Цель изобретения — обеспечение одновременного измерения параметров движения нескольких подвижных слоев.

ЗО

Поставленная цель достигается тем, что вустройство,,содержащее оптически связанные источник лазерного излучения, первый и второй светоделители, оптически сопряженные с первым и вторым модуляторами частоты излучения, управляемыми первым и вторым генераторами ЛЧМ сигнала, управляющие входы которых соединены с выходом генератора синхроимпульсов, а также последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник, усилитель, квадратор, согласованный фильтр, вычислительный блок, синхронизирующий вход «оторого соединен с вторым входом генератора синхроимпульсов, вводятся последовательно соединенные полосовой фильтр, второй квадратор и второй согласованный фильтр, причем вход полосового фильтра соединен с выходом усилителя, а выход согласованного фильтра соединен с вторым входом вычислительного блока.

К существенным отличительным признакам заявляемого устройства по сравнению с прототипом относятся следующие. в схему введены полосовой фильтр, полоса частот которого выбрана так, что при отсутствии доплеровского сдвига частоты входные сигналы проходят через него без искажений, а при наличии доплеровского сдвига будут соответствующим образом ос лабляться, второй квадратор. второй согласованный фильтр, идентичный фильтру прототипа. Таким образом заявляемый объект соответствует критерию "новизна".

Свойство, появляющееся у заявляемого объекта вследствие перечисленных существенных признаков, следующее: воэможность одновременного измерения дальности и скорости нескольких диффузноотрэжающих объектов. попадающих в поле зрения, например, подвижных атмосферных слоев при лазерном зондировании среды.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит оптически связанные источник 1 лазерного излучения, первый светоделитель 2, модулятор 3 частоты излучения, второй светоделитель 4, модулятор 5 частоты излучения, генераторы 6 (+К) и 7 (-К) линейно-частотно-модулированного сигнала с противоположными значениями крутизны перестройки частоты, а также генератор 8 синхроимпульсов, гетеродинный фотоприемник 9, усилитель 10, квадратор

11, согласованный фильтр 12 канала дальности, блок 13 вычисления дальности и скорости, широкополосовой П-образный фильтр i 80070

14, квадратор 15, согласованный фильтр 16 канала скорости.

Излучение лазера 1 делится светоделителями 2 и 4 на два взаимно параллельных пучка одинаковой интенсивности. Первый пучок, проходя через модулятор 3, модулируется по частоте сигнала с генератора 6

ЛЧМ сигнала, а второй пучок, проходя через модулятор 5, соответственно модулируется сигналом с генератора 7. Затем через передающую оптическую систему эти пучки посылаются на дистанцию. Часть излучения от светоделителя 4 используется как опорный сигнал для оптического гетеродирования при приеме отраженного от рассеивающих обьектов излучения.

Таким образом в заявляемом устройстве посылаемое на дистанцию зондирующее излучение представляетдва оптических сигнала, линейно модулированных по частоте с противоположными значениями крутизны перестройки.

Устройство работает следующим образом.

Б начальный момент времени синхроимпульсы с генератора 8 запускают генераторы 6 и 7, которые формируют по одному периоду ЛЧМ сигналов с девиацией частоты

Ю=п и длительностью. тм, поступающих соответственно на модуляторы 3 и 5 излучения лазера 1. П роходя щее через модулятор излучение лазера модулируется по частоте по линейному закону (возрастающему для модулятора 3 и убывающемудля модулятора 5, фиг.2а) 1® и fz(t) и посылается на дистанцию. Отраженное от рассеивающих частиц зондирующее излучение с частотами тт(т) и f3(t) через приемную оптическую систему попадает на фотоприемник 9, где смешивается с немодулированным гетеродинным излучением лазера. При этом на выходе фотоприемника 9 в результате фотогетеродинирования выделяются два

ЛЧМ сигнала с частотами f3 (t) f3 (t) (фиг.

2б), задержанные относительно модулирующего на интервал времени х = 2 D/ñ, где

D — расстояние до рассеивающего центра;

С вЂ” скорость света, и имеющие доплеров2 wp ский сдвиг частоты т" = V где 1 p— частота излучения лазера; У вЂ” скорость движения рассеивающего центра, Эти сигналы на интервале модуляции описываются выражением

Щ (т) = Lj sin ((E4+No+Ng} t+

+p t(t -)1: (i)

U3q (t) = LI sin ((N + ац) t â€,В t (t -r)) (2) 5

50 где N =2zrf>, Np =2zrfp, и =2 fg, Для упрощения последующих преобразований введем переменные а = (аъ + аь + мц) + j3 t (t - r); р =(к +в )-pt(t — г).

После усилителя 10 сигнал поступает в канал дальности, где преобразуется квадратором 11. На выходе образуется квадрат суммы входных сигналов

uk(t) = (u8i (t) + М2()) .

Применяя известные из тригонометрии формулы, последнее выражение можно привести к виду

0к (t) = F4 (1 + cos (а-P} — cos (a+$7 —.— cos а- — cos 2P) .

1 1

2 2 (3)

Подставляя выражения для а и Р во второй член получим

О„cos (а — P) = 0, cos (а t + аР t (t — r)), (4) т.е, второй член представляет собой не содержащий доплеровского сдвига частоты

ЛЧМ сигнал с удвоенным значением крутизны перестройки частоты (фиг. 2в).

Передаточная характеристика фильтра

12 выбирается согласованной с сигналом (4), и поэтому, пропуская сигнал через фильтр 12, по задержке отклика на его выходе относительно запускающего сигнала определяется дальность до рассеивающего центра независимо от величины скорости

его перемещения. Оставшиеся члены формулы (4) имеют удвоенное значение, Таким образом на выходе согласованного фильтра канала дальности образуется сигнал, задержка которого определяется только расстоянием до рассеивающих центров, а амплитуда — мощностью отраженного сигнала.

Сигнал в канал скорости поступает с усилителя 10 через П-образный широкополосный фильтр 14 с полосой пропускания частот AF> = 10+ 2Л 0, где fp — начальный сдвиг частоты между зондирующим сигналами и центральным значением частоты

1ц = 1н + fp/2 (фиг. 2б). Полоса фильтра 14 выбрана так, что при отсутствии доплеровского сдвига сигналы (1) и (2) проходят через фильтр без ослабления. При наличии доплеpoBcKot.o сдвига частот, т.е. при радиальном движении рассеивающих центров. часть одного из ЛЧМ сигналов не попадает s полосу и будет подавляться фильтром (например, как показано на фиг. 2б, вторая половина сигнала f3 (t)). При этом на выходе квадратора образуется часть ЛЧМ сигнала, согласованного с передаточной характеристикой фильтра 16 (фиг, 2г ), с длительностью

1780070 гд — тм тм

Остальная часть сигнала на выходе квадратора 15 будет не согласована с характеристикой фильтра 16 и не будет давать вклада в амплитуду отклика на его выходе.

Затем этот сигнал поступает на согласованный фильтр канала скорости, аналогичный фильтру в канале дальности. Амплитуда огибающей сигнала на выходе согласованного фильтра для прямоугольного радиоимпульса, частотно-модулированного по линейному закону, определяется известным выражением (31.

0 =10 т з3п(лК 1 — )

2 ц лКу

t r где у=1—

Из формулы видно, что максимальное значение амплитуды огибающей отклика определяется только длительностью сигнала гя поступившего в согласованный фильтр. Так как часть ЛЧМ сигнала с усилителя 10 подавлена фильтром 14, амплитуда отклика на выходе фильтра 16 будет меньше на соответствующую .величину. На выходе канала скорости при этом формируется сигнал, аналогичный по форме сигналу на выходе канала дальности, но его амплитуда зависит от абсолютной величины доплеровского сдвига частоты

u, = u, = u, (- -1.

r» /f/

Как видно из фиг.2, значение Uv уменьшается при увеличении доплеровского сдвига.

В устройстве 13 вычисления дальности и скорости фиксируется время появления сигнала на выходах согласования фильтров

12 и 16, амплитудные значения которых затем преобразуются в цифровой код и записываются в память. После этого по времени появления сигнала на выходе фильтров определяется расстояние до рассеивающих центров, а радиальная скорость перемещенего введены последовательно соединен40 ные полосовой фильтр, квадратор и второй согласованный фильтр, причем вход полосового фильтра соединен с вторым выходом усилителя, а выход согласованного фильтра соединен с вторым входом вычислительного

45 блока.

30 ния центров вычисляется по величине отношения амплитудс помощью следующего выражения ч= — (1 — — ) ..

AFc Uv

2vc Оц (5)

Таким образом на выходах согласованных фильтров каналов дальности и скорости формируются сигналы. задержка которых определяется только расстоянием до рассеивающих центров, а отношение амплитуд— радиальной скоростью перемещения этих центров, Возможность одновременного измерения дальности и скорости позволяет за один период модуляции определить непрерывное распределение радиальных скоростей подвижных атмосферных слоев по дальности вдоль линии распространения зондирующего лазерного излучения.

Формула изобретения

Устройство для измерения распределения скоростей подвижных слоев по дальности, содержащее источник лазерного излучения, первый и второй светоделители, оптически спряженные с первым и вторым модуляторами частоты излучения,управляемыми первым и вторым генераторами линейно-частотно-модулированных сигналов, управляемые входы которых соединены с выходами генератора синхроимпульса, а также содержащее последовательно соединенные гетеродинный фотоприемник, усилитель, квадратор, согласованный фильтр, вычислительный блок, синхронизированный вход которого соединен с вторым выходом генератора синхроимпульса, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения одновременного измерения параметров движения нескольких подвижных слоев, в

l780070 б) г)

- Составитель В. Таценко

Редактор С. Кулакова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор И, Муска

Заказ 4436 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101