3.8. Радиолокационный мониторинг
тормозной системы автотранспорта
Расссмотрим результаты27 разработки прибора и способа обработки доплеровских сигналов трехлучевого автодинного радиолокатора на диодах Ганна, используемого при контроле тормозной системы автотранспортного средства в дорожных условиях. Определены вычислительные алгоритмы предварительного и основного этапов измерений проекций векторов скорости в продольном и поперечном направлениях. Предлагаемый способ обработки полезных сигналов позволяет повысить точность контроля и снизить временные затраты на его осуществление путем учета положения антенной системы относительно подстилающей поверхности непосредственно в процессе измерения тормозного пути АТС и его отклонения (заноса) от прямолинейного движения при торможении.
О том, что проблема безопасности дорожного движения очень остро стоит сегодня не только в России, но и в мире, говорят цифры. Сегодня в авариях погибает в шесть раз больше людей, чем во всех вооруженных конфликтах. Актуальность разработки прибора обусловлена также и вводимой обязательной28 инструментальной проверки технического состояния автотранспортных средств (АТС) при техническом осмотре и обязательностью проверки тормозных систем. Проверка тормозных систем является самой сложной, трудоемкой и ответственной из операций контроля технического состояния автомобиля.
В данном разделе представлены результаты разработки автодинного КВЧ-радиолокатора, реализующего новый метод измерений, не использовавшийся в мире в такой аппаратуре. По своим функциональным возможностям и метрологическим характеристикам он соответствует прецизионным оптическим измерителям параметров движения АТС в продольном и поперечном направлениях, стоимостью более $75 тыс. По удобству, простоте эксплуатации новый прибор намного превосходит известные устройства при меньшей, более чем на порядок, цене.
Принципы построения доплеровских измерителей вектора скорости
Исходные предпосылки. Как известно, эффект Доплера заключается в изменении частоты принимаемых колебаний при относительном движении приемника и передатчика колебаний. Изменение частоты тем больше, чем больше скорость приемника относительно передатчика или наоборот передатчика относительно приемника. Такой же эффект имеет место, если приемник и передатчик неподвижны друг относительно друга и находятся на движущемся объекте, а колебания принимаются после отражения от неподвижного объекта.
Рассмотрим эффект Доплера при непрерывном излучении радиоколебаний при размещении РЛС на движущемся объекте.
Представим напряжение передатчика в виде:
uп = Uпsin(ω0t + φоп), (1)
где ω0, φоп, Uп, uп – угловая частота, начальная фаза, амплитуда и мгновенное значение напряжения передатчика; а принятое колебание а виде:
Uoтpi = Uoтpisin[t – 2Гi /c) + φоп], (2)
где 2Гi/c – временное запаздывание сигнала на входе приемника от i-го отражателя.
Мгновенная частота принимаемых колебаний будет равна:
ωотр i = dφ / dt = ω0 [1 – 2 / c )(dRi/dt]. (3)
Отсюда видно, что отраженные колебания отличаются по частоте от излучаемых колебаний на величину:
ωДi = – (2ω0 / c)(dRi/dt), (4)
называемую доплеровским смещением частоты. При приближении РЛС к i-у отражателю ωДi положительна, при удалении – отрицательна, при неизменном расстоянии (РЛС неподвижна) – ωДi =0.
Величина – dRi/dt в (3) является проекцией вектора полной скорости V на направление визирования i-го отражателя, Т.е. радиальной скоростью Vгi объекта относительно i-го отражателя. Учитывая это, выражение (4) представляется в виде:
FДi = (2V / λ) cosγi. (5)
Полагая в (1.5) скорость V в км/ч и длину волны λ в см. получаем:
FДi (Гц) = (55,6 V/ λ)cosγi. (6)
Так как в силу конечных угловых размеров антенного луча РЛC в него попадает не один элементарный отражатель, результирующий отраженный сигнал должен быть представлен на оси частот не одной частотой, а спектром частот. Положение этого спектра на оси частот но отношению к частоте излучаемых колебаний характеризуется средней доплеровской частотой (FДср).
Измерение составляющих вектора скорости. Итак, сигналом, отраженным от земной поверхности, свойственен целый спектр доплеровских частот. Положение этого спектра на оси частот, характеризуемое средней частотой спектра, определяет радиальную составляющую вектора скорости движущегося объекта относительно отражающей площадки, Т.е. проекцию вектора скорости на направление максимума луча антенны доплеровского измерителя скорости. Так как вектор скорости определяется в общем случае проекциями на три некопланарных (т.е. лежащих не в одной плоскости) направления, то для определения всех трех составляющих вектора скорости необходимо излучать и принимать сигналы минимум по трем антенным лучам. На рис. 3.39 приведен пример расположения лучей антенны и отражающих участков подстилающей поверхности. Доплеровская аппаратура измеряет проекции вектора скорости в системе координат XAYAZA, жестко связанной с антенным устройством и называемой антенной системой координат.
Рис.3.39. Пример расположения лучей антенны и отражающих участков подстилающей поверхности
Для решения задачи необходимо знание составляющих вектора скорости в горизонтальной системе координат. Предполагается, что начало обеих систем координат совпадает с центром масс движущегося объекта, а ось Хг совпадает с проекцией его продольной оси на горизонтальную плоскость.
Рис.3.40. Функциональная схема доплеровского измерителя вектора скорости
Допустим, что трехлучевая антенна доплеровского измерителя (см. рис.3.39) неподвижна но отношению к корпусу объекта. В этом случае антенная система координат ХАYАZА совпадает (с точностью до установки) с системой координат XiYiZi, жестко связанной с объектом и называемой связанной системой координат. Составляющие вектора скорости в этой системе координат связаны со средними доплеровскими частотами сигналов, принимаемых по трем лучам антенны, следующими соотношениями:
VX1= [(FД1 – FД2) λ] / (4cosB0 соsГ0),
VY1 = – [(FД1 + FД3 )λ] /(4sinB0),
VY1 = [(FД 3 – АД 2)λ] / (4соsВ0 sinГ0),
где B0, Г0 – углы, характеризующие положение осей лучей антенны в системе координат XiYiZi. Зная составляющие вектора скорости в связанной системе координат, можно вычислить составляющие этого вектора в горизонтальной системе координат, воспользовавшись известными соотношениями преобразования систем координат.
Функциональная схема доплеровского измерителя представлена на рис. 3.40. В состав измерителя входят:
антенное устройство, формирующее необходимое количество лучей;
приемо-передающее устройство, связанное с антенным устройством либо непосредственно, либо через волноводный коммутатор лучей;
измерительное устройство, преобразующее сигналы с доплеровскими частотами в аналоговые величины либо в последовательности импульсов;
вычислительное устройство, преобразующее эти данные в значения составляющих вектора скорости, определяющее модуль вектора скорости и угловые величины, характеризующие направление вектора скорости в пространстве.
Принцип работы доплеровского измерителя скорости заключается в следующем. Допустим, что антенна формирует в пространстве три луча (см. рис. 3.39), в пределах которых идут излучение и прием непрерывных радиочастотных колебаний.
Когда угол сноса равен нулю и проекция продольной оси движущегося объекта на земную поверхность совпадает с линией пути, антенна измерителя с одинаковой скоростью удаляется от площадок местности, освещаемых правым – 3 и левым – 2 лучами. Поэтому средние доплеровские частоты сигналов этих лучей равны между собой. При наличии угла сноса (см. рис. 3.41) лучи антенны расположены несимметрично относительно линий пути.
Скорости удаления антенны измерителя от площадок местности неодинаковы и, следовательно, средние доплеровские частоты сигналов левого и правого лучей не равны между собой:
FД2 = – (2V / λ) cosB0 соs (Г0 – β),
FД3 = – (2V / λ) cosB0cos (Г0 + β).
Отсюда видно, что чем больше угол сноса транспортного средства, тем больше доплеровские частоты сигналов FД2 и FД3 отличаются друг от друга. Разность этих частот является мерой угла β.
Средняя доплеровская частота сигнала, принятого по лучу 1 определяется выражением:
FД1 = (2V / λ) cosB0соs (Г0 +β).
Разность средних доплеровских частот сигналов, принятых по лучам 1 и 2 является мерой модуля скорости движущегося объекта.
Рис. 3.41. Расположение лучей антенны и пути
Измерив частоты FД1, FД2, FД3 и передав информацию о них в вычислительное устройство, можно определить составляющие вектора скорости в нужной системе координат, а также модуль V и угол β:
tgβ = VZ1/VX1= (FДЗ – FД2) / (FД1 – FД2) ctgГ0,
V = VХ1 /соsβ = [(FД1-FД2) λ] / (4соs В0 соsГ0cosβ).
|
