Лекция Светодальномеры третьего поколения. Цифровой фазометр.

    Скачать с Depositfiles 

          4.6 Светодальномеры третьего поколения

                   4.6.1 Цифровой фазометр

Суть работы цифровых фазометров сводится к определению малых интервалов времени. Рассмотрим связь между разницами фаз и соответствующими им интервалами времени.

Разница фаз в радианах равна

, (4.29)

а в периодах

, (4.30)

     где — интервал времени между моментом передачи колебания из излучателя на дистанцию и моментом его прихода в приемник.

     Отсюда видно, что разница фаз  пропорциональна интервалу времени . Из теории фазовой дальнометрии известно, что

, (4.31)

 

откуда

(4.32)

     На основании (4.30) и (4.32) можно также записать

, (4.33)

     где  — домер, выраженный в числовой мере.

Из (4.33) следует, что

, (4.34)

     где  — часть периода измерительных колебаний или временной домер на измерительной частоте, равный

(4.34-а)

      Это значит, что аналогично разнице фаз время  является суммой целого числа периодов  и временного домера .

       Аналогичным образом разница фаз опорных и сигнальных колебаний может быть записана как

., (4.35)

      где  — домер, выраженный в числовой мере.

Из (4.35) следует, что

, (4.36)

     где  — часть периода опорных и сигнальных колебаний или временной домер на этих частотах, равный

(4.36-а)

     При понижении частоты способом гетеродирования фазовые домеры на измерительной и низкой частоте являются одинаковыми, т.е. . Приравнивания значения фазовых домеров  и  из (4.34-а) и (4.36-а) получим

(4.37)

    Это соотношение показывает, что временной домер на низкой частоте во столько же раз больше временного домера на измерительной частоте, во сколько раз измерительная частота больше частоты опорных и сигнальных колебаний. Отношение  в дальномерах чаще всего равно 1000 или 10000. Во столько же раз

 больше Благодаря этому снижаются требования к абсолютной точности измерения интервала времени .

           Рассмотрим, как цифровой фазометр измеряет интервал времени  (рис. 4.13).

На фазометр в этом случае поступают два низкочастотных колебания: опорное с фазой  и сигнальное с фазой . Каждое из колебаний проходит свой формирователь импульсов (рис. 4.13). На выходе формирователя импульсов появляются остроугольные импульсы в те моменты времени, когда фаза колебания, идущего на формирователь импульсов, имеет какое-то определенное значение. Например, импульсы могут формироваться тогда, когда на входе в формирователь импульсов колебание меняет знак с минуса на плюс или наоборот, т.е. когда  и .

Рис. 4.13 – Схема цифрового фазометра

Импульсы, получаемые с сигнального формирователя импульсов, являются сдвинутыми по времени относительно импульсов, получаемых с опорного формирователя импульсов, на промежуток времени , т.е. на временной домер на низкой частоте. Импульсы с обоих формирователей импульсов поступают на датчик интервала, представляющий собой триггер с двумя устойчивыми состояниями. На его выходе формируются прямоугольные импульсы с длительностью  (рис. 4.14,д). Следует обратить внимание на то, что длительность этих импульсов не является постоянной величиной. Она зависит от разности фаз колебаний, которые приходят на формирователь импульсов, и может принимать значение от нуля до периода частоты .

Рис. 6.14 – Иллюстрация к работе цифрового фазометра

Электронный ключ открывается в момент прихода импульса с датчика импульсов и является открытым столько, сколько длится импульс . Когда он открыт, то через него на счетчик проходят заполняющие импульсы. Таким образом, они заполняют собою промежуток времени  (рис. 6.14,е).

Источником заполняющих импульсов является кварцевый генератор. Из его колебаний формирователь импульсов формирует кратковременные импульсы с частотой следования, равной частоте кварцевого генератора. Промежуток времени между двумя соседними импульсами равный  является известным и должен быть высокостабильным.

Для уменьшения габаритов приемопередатчика и потребляемой им мощности заполняющие импульсы обычно формируют из измерительных колебаний, которые также генерируются кварцевым генератором, что удовлетворяет требованиям высокой стабильности измерительной частоты и заполняющих импульсов. Поэтому нередко частота следования заполняющих импульсов равна измерительной частоте, т.е. . В некоторых дальномерах она кратна измерительной частоте.

Счетчик подсчитывает число  заполняющих импульсов, прошедших через электронный ключ за время . Это число  может высвечиваться на табло. Считав число и зная период заполняющих импульсов , можно определить промежуток времени 

(4.38)

Точность определения промежутка времени  является не меньше одного периода заполняющих импульсов. С целью увеличения точности его определения необходимо увеличивать частоту заполняющих импульсов и уменьшать частоту опорных и сигнальных колебаний, т.е. увеличивать отношение частот . Теоретически так можно поступать до бесконечности, но практически точность ограничивает влияние внешней среды, особенно флуктуационные процессы в атмосфере. Соотношение  в дальномерах чаще всего равно 1000 или 10000. Поэтому промежуток времени  определяют с точностью до одной тысячной или одной десятитысячной части периода опорных или сигнальных колебаний.

Определив промежуток времени  можно вычислить  — фазовый домер в периодах разницы фаз опорного и сигнального колебаний, поступающих на фазометр. Для этого необходимо всего лишь знать частоту  опорных и сигнальных колебаний:

(4.39)

     Фазовый домер на измерительной частоте, как неоднократно говорилось выше, равен фазовому домеру на низкой частоте :

(4.40)

    Таким образом, с помощью цифрового фазометра можно получить фазовый домер на измерительной частоте.

    При измерении линий главной задачей является определение не фазовых, а линейных домеров . Линейный домер может быть получен непосредственно через временной домер как

 (4.41)

или, учитывая (4.37),

(4.42)

       Подставив в (4.42) выражение для  из (4.38) получим

. (4.43)

      Поскольку в правой части (4.43) все значения величин известны, то, следовательно, это выражение можно использовать для вычисления линейного домера.

Например, если скорость распространения сигнала в атмосфере приближенно принять 300000000 м/с, измерительную частоту и частоту следования заполняющих импульсов 15000 КГц, а соотношение частот  равным 1000, то подставив указанные значения в (4.43) получим значение линейного домера , соответствующее одному заполняющему импульсу, т.е. :

Для получения на табло показаний фазометра в линейных единицах необходимо, чтобы измерительная частота численно равнялась половине скорости несущих колебаний в атмосфере. Этим объясняется то, что основной рабочей частотой во многих светодальномерах является частота 14985 кГц. Однако в дальномерах, оснащенных встроенным программным обеспечением, возможны и другие значения измерительной частоты. Переход к линейным единицам в этом случае возможен за счет введения дополнительного множителя – коэффициента приведения к линейным единицам.

Пример.

Имеется светодальномер с основной, измерительной, частотой 14985 кГц и двумя дополнительными частотами, соответственно в 10 и в 100 раз меньшими по сравнению с основной. Частота следования заполняющих импульсов равна измерительной частоте , частота опорных и сигнальных импульсов в 1000 раз меньше измерительной частоты, т.е. . Стандартное значение половины скорости распространения несущих колебаний в атмосфере принято 149850000 м/с.

Выполняются измерения.

На частоте , которой соответствует длина полуволны 10 метров, получен линейный домер , который можно представить в виде . Он не может быть больше длины полуволны, т.е. больше 10 м. Действительно, 2.562<10.

Для разрешения неоднозначности необходимо использовать следующую частоту в 10 раз меньшую от первой, которой соответствует длина полуволны 100 метров. В результате измерения получен линейный домер  или в общем виде . В компьютере дальномера количество метров и дециметров этого домера сравниваются с домером на первой частоте. Если разница между ними допустима, то второй домер  уточняется, и из него выбираются только десятки метров, т.е. 20 метров. Это означает, что на данном этапе известна только младшая часть длины линии 26.562 м.

Далее дальномер переходит на третью частоту, в 100 раз меньшую основной и которой соответствует длина полуволны 1000 метров. В результате измерений получен линейный домер  или в общем виде . В компьютере дальномера десятки и единицы этого домера сравниваются с домером  на предыдущей частоте. При допустимой разнице из третьего домера извлекаются сотни метров, и формируется общее показание длины линии, высвечиваемое на табло: 126.562.

Таким образом, три частоты дают возможность однозначного получения длины измеряемой линии до 1000 метров. Окончательное значение длины линии с точностью до 1000 метров будет равно в данном случае .

    Скачать с Depositfiles