Широков і Б, Сербії А М, Арутюнян М Л, Пальгов Ф Е Севастопольський національний технічний університет Стрілецька бухта, Студмістечко, м Севастополь, 99053, Україна тел: (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, e-mail: shirokov@stelsebastopolua

Анотація – У роботі проаналізовано проблеми вимірювання малих швидкостей переміщення обєктів і середовищ до-плеровскімі методами Запропоновано метод вимірювання малих доплерівських зсувів частоти мікрохвильовим гомодинного вимірювачем швидкості шляхом введення штучного зсуву частоти, аналогічним доплеровскому зрушенню природного походження Наведено розрахунки і структурна схема даного вимірника, алгоритм його роботи

I                                       Введення

останнім часом проявляється тенденція до впровадження радіохвильових методів контролю параметрів технологічних процесів Радіохвильові методи вимірювань виявляються виключно корисними в інших областях життя і діяльності людини Це пояснюється їх очевидною перевагою перед контактними методами Застосовуючи контактні методи, ми свідомо вносимо похибка вимірювання, повязану з тим, що обєкт дослідження механічно контактує з датчиком вимірювального пристрою

Особливо актуальним є вимірювання швидкості переміщення обєкта або речовини в потоці У цьому випадку вимоги до точності вимірювань, що досить жорсткі, особливо при вимірі малих швидкостей переміщення, коли похибка вимірювання виявляється сумірною з самої вимірюваної величиною

Запропонований в даній статті спосіб вимірювання усуває цю похибку і дозволяє вимірювати дуже малі швидкості аж до міліметрів в секунду і менше В основу даного способу покладений гомодинного метод вимірювання набігу фаз

II                               Основна частина

Гомодинного методи грунтуються на використанні вихідних генеруючих коливань в якості сигналу гетеродина для тих же коливань, але пройшли через досліджувану середу або відбилися від досліджуваного обєкта [1] Початкова фаза і власне частота вихідних коливань при цьому методі вимірювань взаємно віднімаються, дозволяючи отримувати інформативний параметр на виході змішувача вимірювального пристрою

На практиці при вимірюванні швидкості обєкта отримав широке поширення Доплеровский метод, який є окремим випадком гомодинного методів вимірювань

При використанні Доплерівського методу визначення малих швидкостей, ми стикаємося з проблемою вимірювання коливань дуже малої частоти (порядку декількох герц і менш, аж до доль герц) Зокрема, передбачається при цьому проводити посилення і перетворення сигналів на постійному струмі з очевидними при цьому труднощами Крім цього, час вимірювання при цьому істотно збільшується в міру зменшення частоти вимірюваного сигналу і може досягати хвилин і більше, що в ряді випадків є неприпустимим

У даній роботі запропоновано навмисно вносити в один із сигналів додатковий Доплеровский зсув частоти і виробляти вимірювання не різниці частот вихідного і інформативного сигналів, а різниці фаз опорного сигналу і сигналу, отриманого на виході змішувача вимірювального пристрою Вимірювання різниці фаз при цьому будемо виробляти не традиційними методами, а за допомогою спеціалізованих обчислювальних пристроїв, що дозволяють вести підрахунок т н фазових циклів, тобто оцінювати повну (кумулятивну) фазу сигналу

Наведемо деякі теоретичні аспекти даного підходу до проблеми Нехай прийнятий сигнал буде мати вигляд:

де A (t) – амплітуда прийнятого сигналу, в

загальному випадку величина, залежна від часу Вплив цієї величини в измерителях зводять до нуля за рахунок введення обмежень сигналу При цьому повна фаза даного сигналу буде:

а миттєва частота, як похідна фази:

Другий доданок цього виразу в подібного роду измерителях інтерпретують як Доплера-ське зміщення частоти:

яке в ряді випадків можна уявити інший формулою [2]

де– Вихідна частота мікрохвильових коливань– Радіальна складова швидкості пе

міщення обєкта або середовища – Швидкість поширення мікрохвиль в середовищі (для повітря

= С) Так якщо радіальна складова швидкості переміщення обєкта в повітрі становить 1 мм в секунду, то при початковій частоті мікрохвильових коливань 10 ГГц доплеровській зсув частоти складеНавіть якщо виробляти измере

сень протягом не частоти, а періоду цього сигналу, то час вимірювання складе 30 с, не кажучи вже про труднощі визначення моментів переходу сигналу через нуль

Вирішити цю проблему можна за допомогою штучного введення в один із сигналів додаткового доплерівського зсуву частоти Причому значення цієї частоти можна вибрати досить високою, наприклад кілька кілогерц При цьому труднощів посилення і перетворення сигналів не виникає

Вимірювач складається з двох задаючих генераторів – низькочастотного і високочастотного Сигнал від високочастотного генератора надходить в передавальну антену і на керований фазообертач Під дією керуючого сигналу від низькочастотного генератора з періодом Т, фазообертач забезпечує монотонний зсув фази високочастотного сигналу, що еквівалентно зсуву частоти вихідного коливання на величину Ω = 2л / Т При періоді низькочастотного 1 мс і частоті високочастотного сигналу 10 ГГц на виході фазавращателя ми отримуємо сигнал з частотою 10 “+10 ^ Гц З виходу фазовращателя сигнал надходить на один з входів змішувача, на другий вхід якого подається інформаційний сигнал з прийомної антени, який пройшовши через рухливу середу (або відбилося від рухомого обєкту) придбав додатковий доплеровській зсув частоти На виході змішувача ми отримуємо низькочастотний сигнал з частотою 10 ^ + / дГц За відсутності руху речовини або обєкта, на виході змішувача буде тільки низькочастотний сигнал з частотою, рівній частоті задає низькочастотного генератора Після змішувача сигнал надходить на один з входів обчислювального пристрою На другий вхід обчислювального пристрою надходить сигнал безпосередньо від задає низькочастотного генератора Обчислювальний пристрій робить аналіз різниці повних фаз двох сигналів і обчислення Доплерівського зсуву частоти, за яким обчислює шукану швидкість

Алгоритм обчислення повної фази сигналу представлений на рис 2

Символи PS, PL, PH означають: регістр поточної фази, молодший регістр повної фази і старший регістр повної фази відповідно Числа 025, 05, і 075 означають заповнення відповідного регістру Так, якщо регістр 8-ми розрядний, то заповнення 10 відповідає вмісту цього регістра FFh або різниці фаз сигналів 2π (0)

Регістр PS містить поточні дані вимірювань різниці фаз Регістр PL також містить дані про різниці фаз Але цей реєстр містить дані попереднього вимірювання Іншими словами кожне наступне вимір замінює дані в цьому регістрі

Рис 2 Алгоритм обчислення повної фази

Fig 2 Algorithm of total phase calculation

Рис 1 Структурна сема вимірювача

Fig 1 Velocimeter flowchart

Структурна схема вимірювача малих Доплера-ських частот показана на малюнку 1

Регістр PH містить кількість переходів різниці фаз через О (число фазових циклів) Зєднання регістрів PL і PH являє собою дані про повній фазі сигналу

Аналізуючи зміст пари цих регістрів ми можемо отримати дані швидкості руху обєкта або речовини кожні 1 мс для обраної штучно введеної доплеровской частоти

Звичайно, існує деяке обмеження на вимірювання з згаданим вище алгоритмом Так зміна різниці фаз двох сигналів від першої до наступної процедури вимірювання не повинне перевищувати 90 ° Іншими словами отримані дані будуть дійсні, якщо доплеровській зсув частоти природного походження не перевищуватиме 250 Гц, що відповідає радіальної складової швидкості 7,5 м / с

Ці обмеження обумовлені перевіркою 25% – ного заповнення регістрів, які ми використовували в цьому алгоритмі Для вимірювання більшої швидкості руху потрібно або збільшувати частоту штучно вводиться доплерівського зсуву частоти, або використовувати інший алгоритм, або вимірювати частоту Доплера безпосередньо

Даний метод вимірювання швидкості може бути застосовний і для випадку, коли з різних причин неможливо розмістити окрему приймальну антену Тоді сигнал, відбившись від обєкта, отримує доплеровській зсув частоти і надходить у прийомопередавальну антену Потім, як і в попередньому випадку, даний сигнал з доплеровским зрушенням частоти надходить на змішувач, а потім на обчислювальний пристрій, який визначає шукану швидкість обєкта

III                                   Висновок

Таким чином, в роботі показано істотну перевагу методу вимірювання малих Доплера-ських зрушень частоти мікрохвильовим гомодинного вимірювачем швидкості в порівнянні з контактними методами Показана можливість застосування даного методу в різних середовищах і різних конструкціях Використання гомодинного методів дозволяє реалізувати високу роздільну здатність вимірювача Апаратурна частина вимірювача при цьому виявляється досить простий Деяке ускладнення, повязане з кінцевим знаходженням швидкості за формулою, без праці вирішується засобами мікроконтролерів

IV                            Список літератури

Широков І Б, Синіцин Д В, Шабаліна О В Принципи реалізації та область застосування гомодинного методів вимірювань – В кн: 14-я Міжнар Кримська конф «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології» (КриМіКо2004) Матеріали конф [Севастополь, 1317 сент2004г] – Севастополь: Вебер, 2004, с 635-637

[1]  Вікторов В А, Лункін Б В, Совлуков А С Радіохвильові вимірювання параметрів технологічних процесів – М: Вища школа, 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р