Содержание материала

ГОРОЧНЫЕ ДОППЛЕРОВСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ

Допплеровский измеритель скорости (ДИС) сантиметрового диапазона.

Данный измеритель скорости построен (рис. 2.5) по гетеродинной схеме с нулевой промежуточной частотой. Непрерывный СВЧ сигнал с выхода генератора Г через развязывающий ферритовый вентиль VB и циркулятор Э поступает на антенну А и излучается в направлении движущегося отцепа. Тракты передачи и приема развязаны через ферритовый циркулятор, поэтому измеритель имеет одну антенну, являющуюся одновременно передающей и приемной. Отраженный от отцепа сигнал сдвинут по частоте на значение допплеровской частоты, которая пропорциональна скорости движения отцепа. 

Рис. 2.5. Структурная схема измерителя скорости сантиметрового диапазона

Этот сигнал через антенну и циркулятор поступает на смеситель См, на который подается также через циркулятор опорный сигнал с частотой генератора, ослабленный на 15 - 20 дБ относительно выходного уровня генератора Г. На выходе смесителя См выделяется сигнал разностной допплеровской частоты. В качестве генератора СВЧ используется генератор на полупроводниковом лавинно-пролетном диоде (ГЛПД).
При установке измерителя вне колеи предъявляют особые требования к параметрам антенны. Антенна ДИС имеет ширину диаграммы направленности на уровне половинной мощности в горизонтальной плоскости 6°, а в вертикальной - 15°. Такая ширина главного лепестка в горизонтальной плоскости позволяет непрерывно измерять скорость отцепа в любой точке тормозной позиции.
В ДИС применена нерезонансная волноводно-щелевая антенна. Ее особенностью является высокий уровень подавления боковых лепестков диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Это необходимо при установке измерителя вне колеи; уровень мощности сигнала, излучаемого по первому и второму боковым лепесткам, подавляется соответственно на 17 и 20 дБ, а по последующим боковым лепесткам —  более чем на 25 дБ. Это достигается соответствующим распределением мощности излучения за счет наличия 17 щелей, расположенных на узкой стенке волновода, изменением их ширины и угла наклона.
Отцепы облучаются сигналами с горизонтальной поляризацией. В результате изменения поляризации при отражении сигнала от отцепа возможно увеличение мощности сигналов, принимаемых по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны. Поэтому в измерителе скорости применены разделительные блоки, подавляющие сигналы с вертикальной поляризацией. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости формируется пластинами, образующими рупор. Нерезонансная антенна имеет широкую полосу пропускания около 300 МГц, КСВ не более 1,2 и коэффициент усиления 24 дБ.
Сигнал с выхода смесителя поступает в усилитель низкой частоты УНЧ, который построен на операционных усилителях 1УТЧ01А и имеет коэффициент усиления около 20 дБ. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в диапазоне измеряемых допплеровских частот 55 - 560 Гц, соответствующих скоростям отцепов 3—30 км/ч, составляет не более 2 дБ.
Формирователь стандартных импульсов ФСИ преобразует допплеровский сигнал переменной амплитуды в импульсы с постоянной амплитудой и длительностью, частота которых пропорциональна допплеровской. Он содержит формирователь уровня сигнала ФУ (триггер Шмитта), удвоитель частоты f/2f и формирователь действительности импульсов ФДИ. Узлы ФСИ построены на операционных усилителях 1УТ401А. Порог срабатывания триггера Шмитта выбирают таким, чтобы он не срабатывал от собственных шумов ГЛПД. Формирователь длительности импульсов работает как компаратор, на вход которого подаются треугольные импульсы. На выходе компаратора формируются импульсы отрицательной полярности, длительность которых может регулироваться изменением порога срабатывания компаратора в пределах от 0,3 до 0,9 мс.
Измеритель-преобразователь сигнала ИПС (рис. 2.6) преобразует последовательность отрицательных импульсов, поступающих от ФСИ, в постоянное напряжение, пропорциональное значению скорости. Преобразование осуществляется с помощью диодного интегратора R4C2 диода VD2 и конденсатора С1. Входные прямоугольные импульсы усиливаются транзистором VT1 до значения, близкого к напряжению питания. На накопительном конденсаторе С2 при поступлении входных импульсов суммируются единичные заряды конденсатора С1. С началом каждого импульса конденсатор С1 быстро заряжается до напряжения питания, а конденсатор С2 подзаряжается до напряжения, несколько большего того, что было в конце предыдущего импульса.
Емкость конденсатора С1 выбирают сравнительно малой по сравнению с емкостью конденсатора С3. 

Рис. 2.6. Измеритель-преобразователь сигнала
Постоянная времени его зарядной цепи определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением резистора R3, что обеспечивает независимость входного напряжения интегратора от длительности входных импульсов. В интервале между импульсами накопительный конденсатор С2 разряжается только частично через резистор R4. Возникающие при этом пульсации выходного· напряжения максимальны при минимальной измеряемой допплеровской частоте, соответствующей минимальной скорости 3 км/ч. Для уменьшения пульсаций предусмотрено удвоение допплеровской частоты.
Постоянное выходное напряжение Uвых ИПС пропорционально измеряемой скорости движения отцепа v:

где к - крутизна преобразования.

Для работы измерителя в системе АРС-ЦНИИ крутизну преобразования выбирают равной 0,7 В/км/ч.
Инерционность измерителя определяется постоянными времени τ = R4C2 и τ = R6C3 и не превышает 120 мс при пульсации выходного постоянного напряжения, равной 0,05 В на частоте, соответствующей минимальной скорости движения отцепа. Схема памяти СП (см. рис. 2.5) обеспечивает сохранение выходного напряжения Uвых при пропаданиях нескольких импульсов допплеровского сигнала.
С поста электромеханика подачей сигнала генератора эталонной частоты дистанционно контролируют работоспособность и калибруют ДИС. Это приводит к модуляции сигнала генератора, построенного на лавинно-пролетном диоде, и появлению напряжения, пропорционального модулирующей частоте на выходе ИПС.
Конструктивно измеритель скорости выполнен в литом алюминиевом корпусе с габаритными размерами 430X225X157 мм, обеспечивающем герметичность конструкции. Измеритель имеет блочную структуру, что позволяет быстро заменять блоки. Поворотное устройство дает возможность изменять направление излучения в горизонтальной плоскости на ±15° и в вертикальной плоскости — ±10°. Питание на измеритель подается от сети промышленной частоты напряжением 220 В, общая потребляемая мощность не более 20 Вт.
На железных дорогах США применяется допплеровский измеритель скорости сантиметрового диапазона [52], состоящий из генератора, построенного на диоде Ганна (ГДГ), ферритового циркулятора и диодного смесителя, которые присоединены к антенне и образуют приемно-передающий блок СВЧ.
Устройство работает на частоте 10,525 ГГц. Номинальная мощность ГДГ равна 50 мВт, температурная стабильность частоты 400 кГц/градус. Сигнал с выхода смесителя усиливается до 10 В при сопротивлении нагрузки 600 Ом и подается в систему автоматического управления вагонными замедлителями. Диапазон измеряемых скорости 4,8-48 км/ч при дальности до 67,5 м и 2,4-48 км/ч при дальности действия до 30 м. Потребляемая мощность 60 Вт. Измеритель скорости работает в диапазоне температур οт 30 до 55. Измеритель скорости имеет рупорную антенну.

Допплеровский измеритель скорости миллиметрового диапазона.

На сортировочных юрках СССР внедряется радиолокационный измеритель скорости миллиметрового диапазона РИС-В2 [48]. Он выполнен на полупроводниковых элементах и интегральных микросхемах с использованием полупроводникового генератора СВЧ на лавинно-пролетном диоде. Работа измерителя в миллиметровом диапазоне позволяет упростить его конструкцию, повысить точность и быстродействие по сравнению с подобными измерителями сантиметрового диапазона. Данный измеритель обеспечивает измерение скоростей движения вагонов в диапазоне 2—30 км/ч с относительной погрешностью менее 3 % при дальности действия более 50 м. Чувствительность РИС-В2 более 60 дБ.
Измеритель РИС-В2 работает по гетеродинной схеме с нулевой промежуточной частотой (рис. 2.7). Он состоит из приемно- передающего блока СВЧ, включающего рупорно-линзовую антенну 7; циркулятора 2; генератора на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД) 3; смесителя 4; блока преобразования допплеровского сигнала и блока питания.

Рис. 2.7. Структурная схема РИС-В2

Сигнал с выхода ГЛПД через циркулятор поступает в антенну, которая излучает его в направлении движущегося отцепа. Отраженный сигнал принимается той же антенной и через циркулятор поступает на СВЧ смеситель. Ферритовый циркулятор 08ЦВ-3 обеспечивает развязку трактов передачи и приема с затуханием, близким к 20 дБ. Поэтому на вход смесителя поступает также сигнал непосредственно с ГЛПД и на выходе смесителя выделяется разностная допплеровская частота, пропорциональная скорости отцепа: fд=70 В/км/ч.
Мощность излучаемого сигнала составляет 20-50 мВт. С целью повышения стабильности частоты генератора и уменьшения погрешности измерения скорости ГЛПД содержит стабилизирующий резонатор с малым коэффициентом линейного расширения а=0,5·10-6 град"Поэтому уход частоты генератора в диапазоне температур от —40 до +60° С не превышает 0,1 %.
Ширина диаграммы направленности антенны измерителя в горизонтальной и вертикальной плоскостях θ1=θ2 = 6°, коэффициент усиления больше 28 дБ.
Применение рупорной антенны позволяет: обеспечить требуемое по условиям эксплуатации подавление боковых лепестков диаграммы направленности антенны не менее 25 дБ при углах излучения в пределах 25-45° и не менее 30 дБ при углах излучения в пределах 45 - 90°; обеспечить измерение скорости с требуемой точностью при установке измерителя в междупутье с углом облучения отцепов 8-12° и исключить влияние отцепов, движущихся по соседним путям.
Допплеровский сигнал с выхода смесителя подается в блок преобразования сигнала, содержащий усилитель низкой частоты 5, два компаратора 6 и 7, узел формирования счетных и стробирующих импульсов 8, формирователь длительности счетных импульсов 9, преобразователь допплеровского сигнала в аналоговый со схемой памяти 10 и эмиттерный повторитель 11.
В связи с тем что допплеровский сигнал модулирован по амплитуде, в целях повышения точности измерения импульсы допплеровского сигнала считаются при уровнях сигнала, в 2-3 раза превышающих уровень собственных шумов устройства (шумов ГЛПД). 

Последовательность импульсов формируется компаратором 6, построенным на операционном усилителе. Порог срабатывания компаратора 7 ниже уровня собственных шумов, поэтому на его выходе формируется последовательность импульсов и при пропаданиях допплеровского сигнала. Обе последовательности импульсов поступают на узел формирования счетных импульсов, состоящий из триггера с раздельными входами и формирователей по каждому каналу коротких прямоугольных импульсов. На выходах формирователей образуются последовательности импульсов, передние фронты которых совпадают. В формирователе стробирующих импульсов эти последовательности вычитаются, а разностная последовательность импульсов подается на один из входов триггера, на другой вход которого поступает последовательность информационных импульсов. На выходе триггера формируются стробирующие импульсы, соответствующие моментам времени, когда допплеровский сигнал пропадает или имеет амплитуду ниже порога срабатывания компаратора 6. Последовательность стробирующих импульсов управляет работой схемы памяти.
Последовательность импульсов запускает ждущий мультивибратор, формирующий прямоугольные импульсы постоянной длительности с частотой следования, равной допплеровской частоте. Для получения импульсов высокой стабильности мультивибратор собран по схеме с мостовой времязадающей цепью.
Для уменьшения влияния токов частотой 50 Гц, существенно ограничивающих чувствительность измерителя, в РИС-В2 изменена структурная схема блока питания 12. Напряжение промышленной частоты 50 Гц преобразуется в низкие постоянные напряжения высокочастотным преобразователем на транзисторах. Преобразователи данного типа не содержат низкочастотных элементов, поэтому конструктивные размеры таких источников питания значительно меньше типовых. Частота высокочастотного преобразователя выбрана равной 8-10 кГц, что более чем в 4 раза превышает максимальную частоту допплеровского сигнала. Влияние наводок этой частоты исключено ограничением полосы УНЧ. Применение источника питания с высокочастотным преобразователем позволило повысить чувствительность измерителя скорости на 6—8 дБ. Блок питания обеспечивает стабилизированное по току питание ГЛПД до 150 мА и наличие стабилизированных напряжений значением 12, -30 и -5 В.
Дистанционный контроль работоспособности и проверка правильности калибровки измерителя скорости могут выполняться с поста электромеханика сигналом, поступающим от генератора низкой частоты. При этом высокочастотный сигнал ГЛПД модулируется низкочастотным, что вызывает появление напряжения, пропорционального частоте генератора низкой частоты на выходе измерителя.
Конструктивно РИС-В2 выполнен в герметизированном корпусе с габаритными размерами 510Х195Х 170 мм. Его устанавливают в междупутье на высоте 0,5-1 м от уровня головки рельса. Имеется возможность изменять направление излучения сигнала в горизонтальной плоскости на 15°; в вертикальной плоскости на 10°.