В статье авторы рассматриваются доплеровские измерители скорости и угла сноса (ДИСС) подвижных объектов и предлагается использование ДИСС в промышленности для контроля скорости движения и угла сноса движущихся поверхностей.
Ключевые слава: измерения скорости, угол сноса.
В летательных аппаратах для измерения скорости и угла сноса используют доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС. Они используются для определения путевой скорости летательного аппарата и коррекции своего местоположения. Задачи измерения скорости движения и угла сноса подстилающей поверхности актуальны и в промышленности для изготовления линолеума, древесно-стружечных плит, или изготовления тканей и т. п.
При спектральном анализе рассматриваются составляющие сложного сигнала, а не сравнение его с исходным. При таком подходе не обязательно получать точную копию исходного сигнала, достаточно знать в каком частотном диапазоне появятся гармоники сложного сигнала. Угол сноса будет определятся спектром полученного сигнала.
При падении волны на идеально ровную плоскую поверхность на правление распространения отраженной волны подчиняется закону геометрической оптики (первому закону Снеллиуса). Такое отражение называется зеркальным. В действительности на земной поверхности имеются различные неровности, как мелкие (шероховатая поверхность), так и крупные (холмы, горы, строения и т. д.). Наличие мелких неровностей, размеры которых не превышают размеры существенного для отражения участка, приводит к тому, что радиоволны отражаются в различных направлениях. В результате имеет место не зеркальное, а рассеянное (диффузное) или полурассеянное отражение, а напряженность поля отраженной волны в зеркальном направлении существенно уменьшается. На рисунке 1 показаны различные отражения радиоволн от неровной поверхности [1].
Рис. 1. Диффузное отражение радиоволн от земной поверхности
Из-за таких условий формируется сложная диаграмма вторичного излучения. При облучении поверхности высокочастотным модулированным сигналом из-за диффузионного отражения принимаемый сигнал содержит в себе спектр доплеровских частот [2].
Ширина доплеровского спектра, а также максимальная и минимальная частота доплеровского спектра определяется по формуле ниже. Она зависит от частоты сигнала и диаграммы направленности антенны, а также от скорости движения объекта. Ширина доплеровского спектра берётся по уровню половинной мощности [3].
∆F д — разность частот доплеровского спектра; F min — минимальная частота доплеровского отклонения; F max — максимальная частота доплеровского отклонения; V — скорость объекта; λ –длина волны сигнала; β — угол наклона антенны; θ — диаграмма направленности антенны; γ — угол сноса.
На рисунке 2 показана работа радиолокатора. При сильном боковом ветре возникает смещение в движении летательного аппарата, что вызывает отклонение от курса движения по рысканию (угол гамма γ). Найдя угол отклонения рысканья, мы можем рассчитать угол сноса летательного аппарата и скорректировать своё движение. В линии конвейера при изменении угла сноса доплеровские частоты также изменятся.
![Формирование спектра отражённого сигнала (а), Огибающая спектра отражённого сигнала (б) [2]](https://moluch.ru/blmcbn/91194/img_91194_5.webp)
Рис. 2. Формирование спектра отражённого сигнала (а), Огибающая спектра отражённого сигнала (б) [2]
С помощью преобразования Фурье можно определить частоты гармоник сложного сигнала [4].
S ( ω ) — функция спектральной плотности; S ( t ) — функция сигнала; t — время.
Зная частоты гармоник сложного сигнала, можем ожидать их на входе приёмника с изменением по частоте на небольшом промежутке частот. Далее преобразуем принятую частоту на более низкую для удобства работы с ней. С помощью фильтра низких частот и компаратора обнаружим нижнюю частоту доплеровского спектра, а с помощью фильтра верхних частот и компаратора, соответственно, верхнюю частоту [5].
Зная верхнюю и нижнюю частоту спектра, сможем вычислить среднюю частоту, что будет означать скорость конвейера. Угол сноса будет определяться наличием приращения или уменьшения границы заранее вычисленного спектра.
Рис. 3. Структурная схема спектрального анализатора: УФ — узкополосный фильтр; ФВ –фильтр верхних частот; ФН — фильтр низких частот; К — компаратор; БАИ — блок анализа и выходной интерфейс
Преимуществом такой системы будет менее подверженный к помехам приём, так как ожидаем сигнал в узких частотных диапазонах. Наличием большого числа канала так же увеличивает точность приёма в случае кратковременного выхода одного из канала под действием шума. Структурная схема представлена на рисунке 3.
На рисунке 4 представлены изменения максимальной и минимальной частоты Доплеровского отклонения от угла сноса. Данный расчёт представлен по формуле (2,3).
Рис. 4. Изменения максимальной и минимальной частоты Доплеровского отклонения от угла сноса. Длина волны 100 см, скорость конвейера 10 м/с.
На рисунке 5 по формуле (2,3) представлен график изменения максимально и минимальной доплеровской частоты от скорости конвейера.
Для большей чувствительности аппарата к сносу ленты необходимо брать начальный угол сноса в районе 45 градусов. В этом случае максимальная частота разности частоты уменьшается, но скорость срабатывания остаётся на высоком уровне.
Рис. 5. Изменение разности спектров от скорости конвейера
Структурная схема устройства будет определятся конкретными условиями применения. Она может быть доработана в соответствии с требованиями заказчика.
Литература:
- Общая теория радиолокации и радионавигации. Распространение радиоволн: учебник / А. Н. Фомин, В. А. Копылов, А. А. Филонов, А. В. Андронов; под общ. ред. А. Н. Фомина. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2017. — 318 с.
- Никольский Борис Аркадьевич Никольский, Б. А. Основы радиотехнических систем [Электронный ресурс]: [электрон. учебник] / Б. А. Никольский; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). — Электрон. текстовые и граф. дан. (3,612 Мбайт). — Самара, 2013. — 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
- Радиотехнические системы Автор: Казаринов Ю. М.(ред.) Издательство: М.: Академия, 2008. — 592 с.
- Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. Изд. 4-е, испр. и доп. — М.: ЛЕНАНД, 2016. — 528 с. (Классика инженерной мысли: радиотехника.)
- Свиридов, В. П. Оптико-электронная система измерения скорости на основе спектрального метода / В. П. Свиридов. — Текст: непосредственный // Актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом/сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции № 2. — Новосибирск: ИЦРОН, 2015. — 162 с.
