акустическая система для измерения расстояния

Формула изобретения

1. Акустическая система для измерения расстояния, содержащая n акустических преобразователей, приемное устройство, включающее последовательно соединенные ограничитель и первый усилитель, последовательно соединенные фильтр и второй усилитель и задающий генератор, передающее устройство, блок синхронизации и электронно-вычислительную машину (ЭВМ), отличающаяся тем, что в приемное устройство системы введены смеситель, управляемый аттенюатор, первый и второй детекторы, первый и второй компараторы, передающее устройство выполнено в виде последовательно соединенных управляемого задающего генератора, управляемого аттенюатора, усилителя мощности и блока согласования, в систему введены также блок обработки информации, первая и вторая приемопередающие антенны, М пассивных приемоответчиков, каждый из которых содержит n упомянутых акустических преобразователей, 2n отражательных решеток, блок согласования и штыревую приемопередающую антенну, причем выход блока согласования передающего устройства подключен к входам-выходам первой и второй приемопередающих антенн, входы-выходы которых подключены к входу ограничителя приемного устройства, выход первого усилителя которого соединен с первым входом смесителя, выход задающего генератора через управляемый аттенюатор соединен с вторым входом смесителя, выход которого соединен с входом фильтра, выход второго усилителя соединен с входами первого и второго детекторов, выход первого детектора соединен с первым входом первого компаратора, выход второго детектора соединен с вторым входом первого компаратора и первым входом второго компаратора, второй вход которого является входом порогового напряжения, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами блока обработки информации, первый, второй, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены соответственно с входом управляемого задающего генератора и вторым входом управляемого аттенюатора передающего устройства, вторым входом управляемого аттенюатора приемного устройства и третьим входом блока обработки информации, четвертый вход которого соединен с выходом ЭВМ, первый и второй выходы блока обработки информации соединены с первым и вторым входами ЭВМ, третий вход которой является входом сигналов от датчика пройденного пути, первая и вторая приемопередающие антенны через эфир соединены со штыревыми приемопередающими антеннами пассивных приемоответчиков, в каждом из М пассивных приемоответчиков вход-выход штыревой приемопередающей антенны через блок согласования соединен с каждым из n акустических преобразователей.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в каждом из М пассивных приемоответчиков n акустических преобразователей выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки и выполненных в виде нескольких вертикально расположенных секций, соединенных между собой электрически и смещенных в горизонтальном направлении одна относительно другой, с каждой стороны от n акустических преобразователей на поверхности пьезоэлектрической подложки расположено n отражательных решеток, выполненных в виде металлических полосок.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из М пассивных приемоответчиков установлен на одном из контрольных объектов, расположенных вдоль железнодорожного пути.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что передающее устройство, приемное устройство, блок синхронизации, блок обработки информации и ЭВМ установлены в вагоне-путеизмерителе, на крыше которого с правого и левого бортов расположены первая и вторая приемопередающие антенны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустической радиолокации и предназначено, в частности, для измерения расстоянии, пройденного вагоном-путеизмерителем, относительно контрольных объектов.

Измерение расстояния необходимо для коррекции данных, полученных с датчика пройденного пути, установленного на колесе вагона-путеизмерителя.

Известно устройство для измерения расстояния, которое содержит контролирующий объект, включающий последовательно соединенные синхронизатор, модулятор, перемножитель, второй вход которого подключен к выходу генератора и усилитель мощности, к которому подключен акустический излучатель, и контролируемый объект, включающий два акустических приемника, подключенные через последовательно соединенные усилитель и фильтр к первому и второму входам вычислителя, третий, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с выходами синхронизатора и блоков задания инвариантной скорости и временных интервалов. Выход вычислителя соединен с индикатором. (Патент РФ N 2037848, кл. G 01 S 15/18, 1995).

Однако известное устройство имеет малые функциональные возможности, так как предназначено для работы в водоемах ограниченных размеров.

Известна акустическая система для измерения расстояния, которая содержит n акустических преобразователей, приемное устройство, включающее последовательно соединенные ограничитель и первый усилитель, последовательно соединенные фильтр и второй усилитель и задающий генератор, передающее устройство, блок синхронизации и электронно вычислительную машину (ЭВМ). (Заявка ЕПВ N 0447076, кл. G 01 S 15/10, 1991).

По своей технической сущности, совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату данная система является наиболее близкой к изобретению и выбрана в качестве прототипа.

Однако данная система имеет малую помехозащищенность, недостаточную точность и отсутствие возможности измерения расстояний при большой скорости движения вдоль контролируемых объектов.

Техническим результатом изобретения является создание акустической системы измерения расстояний при больших скоростях движения вдоль контролируемых объектов, имеющую высокую помехозащищенность и точность измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в известную акустическую систему для измерения расстояния, содержащую n акустических преобразователей, приемное устройство, включающее последовательно соединенные ограничитель и первый усилитель, последовательно соединенные фильтр и второй усилитель и задающий генератор, передающее устройство, блок синхронизации и электронно- вычислительную машину (ЭВМ), в ее приемное устройство введены смеситель, управляемый аттенюатор, два детектора и два компаратора. Передающее устройство выполнено в виде последовательно соединенных управляемого задающего генератора, управляемого аттенюатора, усилителя мощности и блока согласования. В систему также введены блок обработки информации, две приемо-передающие антенны, и M пассивных приемоответчиков, каждый из которых содержит n упомянутых акустических преобразователей, 2 n отражательных решеток и блок согласования, вход- выход которого соединен с входом-выходом штыревой приемопередающей антенны.

Выход блока согласования передающего устройства подключен к входам-выходам первой и второй приемопередающих антенн, входы- выходы которых подключены к входу ограничителя приемного устройства, выход первого усилителя которого соединен с первым входом смесителя, выход задающего генератора через управляемый аттенюатор соединен с вторым входом смесителя, выход которого соединен с входом фильтра, выход второго усилителя соединен с входами первого и второго детекторов, выход первого детектора соединен с первым входом первого компаратора, выход второго детектора соединен с вторым входом первого компаратора и с первым входом второго компаратора, второй вход которого является входом порогового напряжения, выходы первого и второго компараторов соединены с первым и вторым входами блока обработки информации, первый, второй, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены соответственно с входом управляемого задающего генератора и с вторым входом управляемого аттенюатора передающего устройства, с вторым входом управляемого аттенюатора приемного устройства, и с третьим входом блока обработки информации, четвертый вход которого соединен с выходом ЭВМ. Первый и второй выходы блока обработки информации соединены с первым и вторым входами ЭВМ, третий вход которой является входом сигналов от датчика пройденного пути. Первая и вторая приемо-передающие антенны через эфир соединены с штыревыми приемопередающими антеннами пассивных приемоответчиков.

В каждом из M пассивных приемоответчиков n акустических преобразователей выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки и выполненных в виде нескольких вертикально расположенных секций, соединенных между собой электрически и смещенных в горизонтальном направлении одна относительно другой. С каждой стороны от n акустических преобразователей на поверхности пьезоэлектрической подложки расположено n отражательных решеток, выполненных в виде металлических полосок.

Каждый из M пассивных приемоответчиков установлен на одном из контрольных объектов, расположенных вдоль железнодорожного пути.

Передающее устройство, приемное устройство, блок синхронизации, блок обработки информации и ЭВМ установлены в вагоне-путеизмерителе, на крыше которого с правого и левого борта расположены первая и вторая приемо-передающие антенны.

На фиг. 1 изображена структурная схема акустической системы измерения расстояния; на фиг.2 - алгоритм работы системы.

Акустическая система для измерения расстояния (фиг. 1) содержит n акустических преобразователей 1, приемное устройство 2, включающее ограничитель 3, первый усилитель 4, фильтр 5, второй усилитель 6, задающий генератор 7, смеситель 11, управляемый аттенюатор 12, первый и второй детекторы 13 и 14, первый и второй компараторы 15 и 16, передающее устройство 8, включающее управляемый задающий генератор 17, управляемый аттенюатор 18, усилитель 19 мощности и блок 20 согласования. Система также содержит блок 9 синхронизации, блок 21 обработки информации, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 10, первую и вторую приемо-передающие антенны 22 и 23, M пассивных приемоответчиков 24, каждый из которых содержит n упомянутых акустических преобразователей 1, 2 n отражательных решеток 25, блок 26 согласования и штыревую приемо-передающую антенну 27.

В приемном устройстве 2 акустической системы для измерения расстояния (фиг. 1) вход ограничителя 3 соединен с входами-выходами первой и второй приемо-передающих антенн 22 и 23, выход ограничителя 3 через последовательно соединенные первый усилитель 4, смеситель 11, фильтр 5 и второй усилитель 6 соединен с входами первого и второго детекторов 13 и 14. Выход детектора 13 соединен с первым входом первого компаратора 15, выход детектора 14 соединен с вторым входом компаратора 15 и с первым входом второго компаратора 16, второй вход которого является входом порогового напряжения. Выход задающего генератора 7 через управляемый аттенюатор 12 соединен с вторым входом смесителя 11.

В передающем устройстве 8 акустической системы для измерения расстояния (фиг. 1) выход управляемого задающего генератора 17 через управляемый аттенюатор 18 соединен с входом усилителя 19 мощности, выход которого через блок 20 согласования подключен к входам-выходам первой и второй приемо-передающих антенн 22 и 23. Выходы компараторов 15 и 16 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 21 обработки информации.

Первый, второй, третий и четвертый выходы блока 9 синхронизации соединены соответственно с входом управляемого задающего генератора 17, с вторым входом управляемого аттенюатора 18 передающего устройства 8, с вторым входом управляемого аттенюатора 12 приемного устройства 2, и с третьим входом блока 21 обработки информации, четвертый вход которого соединен с выходом ЭВМ 10. Первый и второй выходы блока 21 обработки информации соединены с первым и вторым входами ЭВМ 10, третий вход которой является входом сигналов от датчика пройденного пути.

Приемо-передающие антенны 22 и 23 через эфир соединены с штыревыми приемо-передающими антеннами 27 M пассивных приемоответчиков 24. В каждом из M пассивных приемоответчиков 24 вход-выход штыревой приемо-передающей антенны 27 через блок 26 согласования соединен с каждым из n акустических преобразователей 1, которые выполнены в виде встречно-штыревых преобразователей поверхностных акустических волн, расположенных на поверхности пьезоэлектрической подложки и выполненных в виде нескольких вертикально расположенных секций, соединенных между собой электрически и смещенных в горизонтальном направлении одна относительно другой. С каждой стороны от n акустических преобразователей 1 на поверхности пьезоэлектрической подложки расположено n отражательных решеток 25, выполненных в виде металлических полосок.

Система работает следующим образом.

Пассивные приемоответчики 24 закрепляются на контрольных объектах, расположенных вдоль железнодорожного полотна. В качестве контрольных объектов могут быть использованы металлические опоры, мачты электропередачи, железобетонные опоры мостов, местоположение которых заранее определено в заданной системе координат.

Приемное устройство 2, передающее устройство 8, блок 9 синхронизации, блок 21 обработки информации и ЭВМ 10 представляют собой приемо-передающую станцию, которая установлена в вагоне- путеизмерителе, на крыше которого с правого и левого борта расположены первая и вторая приемо-передающие антенны 22 и 23. Наличие двух антенн 22 и 23 вызвано тем, что контрольные объекты с пассивными приемоответчиками 24 могут быть расположены по обе стороны от движущегося вагона-путеизмерителя.

При движении вагона-путеизмерителя антенны 22 и 23 излучают запросные импульсные сигналы длительностью 300 нс и периодом повторения 500 мкс.

При прохождении мимо контрольного объекта приемное устройство 2 приемо-передающей станции принимает отраженный от пассивного приемоответчика 24 сигнал, который после обработки в блоке 21 обработки информации поступает на первый вход ЭВМ 10, где фиксируется момент времени его поступления и ставится в соответствие с заранее определенной координатой данного контрольного объекта. Затем координата контрольного объекта сравнивается с данными, полученными с датчика пройденного пути, которые в виде сигналов от датчика пройденного пути (ДПП) поступают на третий вход ЭВМ 10, и на основе этого сравнения проводится коррекция данных о пройденном вагоном-путеизмерителем расстоянии.

Точность измерения расстояния зависит от расстояния между контрольным объектом и железнодорожным полотном, от скорости движения вагона-путеизмерителя, а также от времени обработки сигнала.

Влияние этих факторов уменьшается путем фиксирования моментов начала и окончания приема сигнала и последующего определения среднего значения времени приема сигнала. Время обработки сигнала составляет 1 - 3 мкс, что при скорости движения вагона-путеизмерителя 200 км/ч соответствует расстоянию менее 0,5 м.

Так как приемное устройство 2 и передающее устройство 8 имеют общие антенны 22 и 23, требуется защита тракта приемного устройства 2, обладающего высокой чувствительностью (50 мкВ), от мощного сигнала передающего устройства 8 (мощность около 2 Вт), которая обеспечивается разнесением во времени периодов функционирования передающего и приемного устройств 8 и 2 и защитой приемного устройства 2 ограничительной цепью.

Передающее устройство 8 формирует сигнал в виде прямоугольного радиоимпульса с малой длительностью около 300 нс с периодом повторения около 500 мкс и несущей частотой 322,5 МГц.

Управляемый задающий генератор (УЗГ) 17 представляет собой гибридную микросборку, состоящую из усилителя, собранного на трех транзисторах, буферного каскада и линии задержки на поверхностных акустических волнах с рабочей частотой 322,5 МГц. Для того, чтобы приемное устройство 2 через 1,5 мкс после передачи импульса в эфир принимало отраженный от пассивного приемоответчика 24 сигнал, ослабленный до 90 дБ, осуществляется быстрое отключение усилителя 19 мощности и УЗГ 17 после формирования импульса. Отключение УЗГ 17 осуществляется сигналом, поступающим с первого выхода блока 9 синхронизации непосредственно, а отключение усилителя 19 мощности осуществляется сигналом, поступающим с второго выхода блока 9 синхронизации через управляемый аттенюатор 18, который выполнен в виде гибридной микросборки и служит для формирования прямоугольного радиоимпульса длительностью 300 нс с несущей частотой 322,5 МГц.

УЗГ 17 имеет высокую стабильность, но большую инерционность, поэтому сигналом от блока 9 синхронизации осуществляется также его включение, т.к. требуется время для выхода на режим.

Усилитель 19 мощности усиливает выходную мощность сигнала до 2 Вт и через блок 20 согласования выходной сигнал поступает на приемо-передающие антенны 22 и 23.

Приемное устройство 2 принимает сигналы синусоидальной формы, отраженные от пассивных приемоответчиков 24, и усиливает их в усилителе 4, который является усилителем высокой частоты (УВЧ) и собран на двух малошумящих широкополосных микросхемах, имеющих на входе и выходе T-образные LC-фильтры, настроенные на частоту 322,5 МГц. Усиленный сигнал поступает на смеситель 11, где смешивается с сигналом от задающего генератора (ЗГ) 7 с частотой 255 МГц.

ЗГ 7 представляет собой гибридную микросборку, состоящую из усилителя, собранного на трех транзисторах, буферного каскада и линии задержки на поверхностных акустических волнах с рабочей частотой 255 МГц.

Сигнал от ЗГ 7 поступает на второй вход смесителя 11 через управляемый аттенюатор 12, причем сигнал в смеситель 11 поступает только в том случае, если на управляемый вход аттенюатора 12 приходит сигнал с третьего выхода блока 9 синхронизации.

Выходной сигнал промежуточной частоты фильтруется затем фильтром 5, представляющим собой LC-фильтр и усиливается в усилителе 6, который представляет собой селективный усилитель, собранный на двух транзисторах с коэффициентом усиления 40 - 50 дБ.

Усиленный отраженный сигнал пассивного приемоответчика 24, представляющий собой определенную последовательность импульсов одинакового уровня синусоидальной формы симметричных относительно оси X, поступает на входы первого и второго детекторов 13 и 14, которые имеют разные постоянные времени детектирования. Детектор 13 выделяет огибающую отраженного сигнала, которая поступает на первый вход первого компаратора 15, на второй вход которого подается сигнал с выхода детектора 14, который "заряжается" первым импульсом отраженного сигнала и в дальнейшем практически поддерживает постоянный уровень сравнения для всех последующих отраженных сигналов пассивного приемоответчика, поступающих в течении 10 мкс. Таким образом на выходе компаратора 15 формируются прямоугольные импульсы, длительность которых практически не зависит от уровня входного сигнала. Последовательность этих прямоугольных импульсов постоянной длительности, называемая двоичным кодом пассивного приемоответчика, передается на первый вход блока 21 обработки информации.

Сигнал с выхода детектора 14 подается также на первый вход второго компаратора 16, где он сравнивается с сигналом постоянного уровня, поступающим на его второй вход. На выходе компаратора 16 формируется сигнал "уровень порога срабатывания", наличие которого на выходе компаратора 16 означает, что пассивный приемоответчик 24 находится в зоне приема. Этот сигнал подается на второй вход блока 21 обработки информации.

Блок 9 синхронизации приемо-передающей станции формирует управляющие импульсы, обеспечивающие заданные временные интервалы работы приемного устройства 2, передающего устройства 8 и блока 21 обработки информации. Блок 9 синхронизации содержит кварцевый задающий генератор с тактовой частотой 13 МГц и 8 ждущих мультивибраторов с времязадающей дифференцирующей RC-цепочкой.

Блок 21 обработки информации приемо-передающей станции осуществляет следующие операции: принимает цифровой сигнал приемного устройства 2 с последовательным кодом, преобразует последовательный код в параллельный, принимает сигнал "уровень порога срабатывания", производит сравнение на соответствие принятого сигнала коду данного из M пассивных приемоответчиков и обеспечивает помехоустойчивость работы системы.

При этом принятый сигнал считается достоверным, если его амплитуда на входе приемного устройства 2 выше определенного уровня (наличие на входе блока 21 обработки информации сигнала "уровень порога срабатывания"), а также если этот сигнал в четырех подряд произведенных сеансах приема-ответа три раза правильно повторяет код принятого сигнала от пассивного приемоответчика 24.

Для исключения неустойчивого приема сигнала в момент входа пассивного приемоответчика 24 в зону приема и выхода из нее, информация на выходе блока 21 обработки информации представляется в виде прямоугольного импульса, причем состоянию "1" соответствует нахождению пассивного приемоответчика 24 в зоне приема, а состоянию "0" - его нахождение вне зоны приема. В момент входа пассивного приемоответчика 24 в зону приема и выхода из нее из-за помех, например шумов, раскачивания антенн 22 и 23 на вагоне- путеизмерителе и т. п, возможен неустойчивый прием сигнала и на выходе это выглядело бы как постоянное чередование нулей и единиц.

С целью устранения этого эффекта на третий вход блока 21 обработки информации поступает код пройденного пути с выхода ЭВМ 10, на третий вход которой поступают сигналы с датчика пройденного пути (ДПП), установленного на колесе вагона-путеизмерителя. С помощью этого кода на границах зоны приема создаются области принудительного состояния выходного сигнала: "1" - при входе в зону приема на расстоянии около 1,6 м, "0" - при выходе из зоны приема на расстоянии 25 м.

Для обеспечения устойчивости к помехам, вызванным отражениями сигнала антенн 22 и 23 от больших железо-бетонных конструкций, находящихся на расстоянии 1-2 км от вагона-путеизмерителя в пределах прямой видимости, так как существует вероятность такого расположения железо-бетонных конструкций в зоне приема антенн 22 и 23, когда интерференция отраженных и переотраженных сигналов от них может привести к появлению сигнала, совпадающего по виду с кодом пассивного приемоответчика. С целью исключения попадания в ЭВМ подобной ложной информации в блоке 21 обработки информации предусмотрено формирование сигнала об ошибке, который поступает на второй вход ЭВМ. Распознавание достоверности сигнала основано на разной длительности рабочего сигнала пассивного приемоответчика 24 и сигнала помехи. Однако длительность этих сигналов в большой степени зависит от скорости движения вагона-путеизмерителя, поэтому критерием для формирования "сигнала ошибки" служит не время приема сигнала, а расстояние, пройденное вагоном-путеизмерителем за время приема сигнала, при этом "сигнал ошибки" на выходе блока 21 обработки информации появляется, если это расстояние превышает 10 м.

Работа пассивного приемоответчика 24 основана на использовании поверхностных акустических волн (ПАВ). При поступлении электрического сигнала от передающего устройства 8 приемо-передающей станции на приемо-передающую антенну 27, а следовательно, и на вход n встречно-штыревых акустических преобразователей 1 во всех его секциях возбуждаются ПАВ, которые распространяются по поверхности подложки в обе стороны от акустических преобразователей 1. Достигнув отражательных решеток 25, ПАВ отражаются от них и поступают вновь на акустические преобразователи 1, вызывая на его выходе появление электрического сигнала, который поступает в антенну 27 и излучается.

Так как каждая секция в акустическом преобразователе 1 смещена в горизонтальном направлении относительно предыдущей, время распространения ПАВ до отражательных решеток 25 и обратно различно, поэтому на выход поступает временная последовательность сигналов, количество которых соответствует количеству акустических каналов. Наличие отражательных решеток 25 обусловливает наличие или отсутствие соответствующего сигнала в последовательности сигналов на выходе, следовательно выходной сигнал пассивного приемоответчика 24 имеет определенный код.

Конструктивно пассивный приемоответчик 24 выполнен в виде интегральной микросхемы в металлостеклянном корпусе со штыревыми выводами, которая распаивается на печатной плате. На этой же печатной плате закрепляется штыревая приемопередающая антенна 27. Печатная плата в свою очередь крепится к металлической скобе, являющейся элементом крепления пассивного приемоответчика 24 к контрольному объекту. На печатной плате установлен также блок 26 согласования.

Акустическая система измерения расстояния, разработанная на основе изобретения, позволит применить ее для повышения достоверности контроля состояния рельсового пути при скорости движения вагона- путеизмерителя до 250 км/ч. Акустическая система измерения расстояния имеет высокую помехозащищенность и точность измерений. Вышеперечисленное обеспечивает практическую применимость изобретения.