RU2611601C1 - Doppler method for measuring ground speed - Google Patents
Doppler method for measuring ground speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2611601C1 RU2611601C1 RU2016114269A RU2016114269A RU2611601C1 RU 2611601 C1 RU2611601 C1 RU 2611601C1 RU 2016114269 A RU2016114269 A RU 2016114269A RU 2016114269 A RU2016114269 A RU 2016114269A RU 2611601 C1 RU2611601 C1 RU 2611601C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ground speed
- frequency
- measuring
- waves
- signal
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
- G01S13/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
- G01S13/60—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems wherein the transmitter and receiver are mounted on the moving object, e.g. for determining ground speed, drift angle, ground track
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/91—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for traffic control
- G01S13/92—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for traffic control for velocity measurement
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения путевой скорости транспортных средств с использованием эффекта Доплера для электромагнитных волн.The invention relates to measuring equipment, in particular to methods for measuring the ground speed of vehicles using the Doppler effect for electromagnetic waves.
В настоящее время известны и применяются радиоволновые способы измерения путевой скорости, основанные на эффекте Доплера (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 124-132 с.). Обычно они применяются в радиолокации для определения скорости и координат движущихся объектов. Доплеровский способ измерения заключается в зондировании движущихся объектов электромагнитными волнами СВЧ диапазона и выделении частоты смещения рассеянной волны. Если источник излучения с фиксированной частотой ƒ0 расположен спереди транспортного средства, движущегося со скоростью V, и его антенна направлена под углом α между направлением движения и подстилающей поверхностью, то доплеровская частота ƒD определится по формуле:Currently known and used radio wave methods for measuring ground speed, based on the Doppler effect (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat, 1989. 124-132 from.). They are usually used in radar to determine the speed and coordinates of moving objects. The Doppler method of measurement consists in sensing moving objects with electromagnetic waves of the microwave range and the allocation of the frequency of the displacement of the scattered wave. If a radiation source with a fixed frequency ƒ 0 is located in front of a vehicle moving at a speed V, and its antenna is directed at an angle α between the direction of motion and the underlying surface, then the Doppler frequency ƒ D is determined by the formula:
где - длина волны в среде измерения, а ε - ее диэлектрическая проницаемость, которая для воздуха равна единице, с - скорость света в воздухе. Таким образом, измеряя доплеровскую частоту, можно вычислять скорость по формуле:Where is the wavelength in the measuring medium, and ε is its dielectric constant, which is equal to unity for air, and s is the speed of light in air. Thus, by measuring the Doppler frequency, you can calculate the speed according to the formula:
Однако данный классический способ обладает существенным недостатком. Поскольку реальная антенна не излучает одну волну прямолинейно, а имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка , отраженная волна будет выглядеть не одной гармоникой, а суперпозицией волн, падающих и отраженных с разными углами от подстилающей поверхности. В результате получим некоторый спектр доплеровских частот с шириной ΔƒD:However, this classical method has a significant drawback. Since the real antenna does not emit one wave in a straight line, but has some radiation pattern with the width of the main lobe , the reflected wave will not look like one harmonic, but a superposition of waves incident and reflected from different angles from the underlying surface. As a result, we obtain a certain spectrum of Doppler frequencies with a width Δƒ D :
Это приводит к ошибке в измерении доплеровской частоты, а уменьшить ее за счет уменьшения не представляется возможным из-за увеличения габаритов антенного устройства. Чтобы уменьшить влияние этой ошибки, применяют способы с использованием излучения и приема электромагнитных волн из двух антенн под разными углами к поверхности (например, патент РФ №2334995 от 27.09.2008, G01S 13/58). Совместная обработка двух доплеровских сигналов позволяет частично снизить влияние ошибки от наличия ΔƒD. Однако практически кратное увеличение составных компонентов устройства, реализующего данный способ, соответственно увеличивает и ошибки, вызванные с паразитным просачиванием излучений между антеннами, циркуляторами и другими элементами устройства. Кроме этого повышается стоимость устройства.This leads to an error in the measurement of the Doppler frequency, and to reduce it by reducing It is not possible due to the increase in the dimensions of the antenna device. To reduce the effect of this error, methods are used using radiation and reception of electromagnetic waves from two antennas at different angles to the surface (for example, RF patent No. 2334995 dated 09/27/2008, G01S 13/58). Joint processing of two Doppler signals allows to partially reduce the influence of the error on the presence of Δƒ D. However, an almost multiple increase in the constituent components of a device that implements this method also increases the errors caused by spurious leakage of radiation between antennas, circulators, and other elements of the device. In addition, the cost of the device increases.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения путевой скорости (М.И. Финкельштейн. Основы радиолокации. М., Советское радио. 1973, с. 86), принятый за прототип. Согласно этому способу, СВЧ волны с фиксированной частотой излучают под углом α между направлением движения и поверхностью, принимают отраженные волны, выделяют сигнал разностной частоты на смесителе между частью падающей волны и принятой, путевую скорость определяют по частоте этого сигнала.The closest in technical essence is the method of measuring ground speed (MI Finkelstein. Basics of radar. M., Soviet radio. 1973, p. 86), adopted as a prototype. According to this method, microwave waves with a fixed frequency radiate at an angle α between the direction of motion and the surface, receive reflected waves, extract the difference frequency signal on the mixer between the part of the incident wave and the received one, the ground speed is determined by the frequency of this signal.
Недостатком способа-прототипа являются значительные ошибки измерения путевой скорости по доплеровской частоте, обусловленные тем, что при облучении подстилающей поверхности непрерывным гармоническим сигналом, излучаемым антенной, луч которой ориентирован под углом α к направлению движения и имеет ширину главного лепестка диаграммы направленности , отраженный сигнал содержит не одну гармоническую составляющую, смещенную на частоту Доплера относительно частоты излучаемого сигнала, а сплошной спектр шириной ΔƒD, согласно формуле (3).The disadvantage of the prototype method is the significant errors in measuring the ground speed at the Doppler frequency, due to the fact that when the underlying surface is irradiated with a continuous harmonic signal emitted by an antenna whose beam is oriented at an angle α to the direction of movement and has the width of the main lobe of the radiation pattern , the reflected signal contains not one harmonic component shifted by the Doppler frequency relative to the frequency of the emitted signal, but a continuous spectrum of width Δƒ D , according to formula (3).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measurement.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения путевой скорости, при котором СВЧ волны излучают под углом α между направлением движения и поверхностью, принимают отраженные волны, выделяют сигнал разностной частоты на смесителе между частью падающей волны и принятой. Дополнительно СВЧ волны линейно модулируют по частоте, определяют огибающую спектра сигнала разностной частоты до начала движения и в текущий момент, вычисляют между ними взаимно-корреляционную функцию, а путевую скорость определяют по частотному смещению, при котором достигается ее максимум.The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring ground speed, in which microwave waves radiate at an angle α between the direction of motion and the surface, receive reflected waves, extract the difference frequency signal on the mixer between the part of the incident wave and the received one. Additionally, microwave waves are linearly modulated in frequency, they determine the envelope of the spectrum of the signal of the difference frequency before the start of movement and at the moment, calculate the cross-correlation function between them, and the ground speed is determined by the frequency offset at which its maximum is reached.
На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.In FIG. 1 is a structural diagram of a device that implements the method.
На Фиг. 2 представлены огибающие спектров сигнала разностной частоты при нулевой скорости и при движении со скоростью V - S0(ƒ) и S(ƒ).In FIG. Figure 2 shows the envelopes of the spectra of the difference frequency signal at zero speed and when moving at a speed of V - S 0 (ƒ) and S (ƒ).
На Фиг. 3 изображена функция взаимной корреляции между S0(ƒ) и S(ƒ).In FIG. 3 shows the cross-correlation function between S 0 (ƒ) and S (ƒ).
Устройство расположено на транспортном средстве и содержит генератор линейно изменяющегося напряжения 1, генератор СВЧ 2, направленный ответвитель 3, циркулятор 4, антенну 5, смеситель 6 и вычислительный блок 7. Антенна ориентирована под углом α к направлению движения.The device is located on a vehicle and contains a
Рассмотрим работу устройства сначала при отсутствии движения. Генератор 1 линейно изменяющимся напряжением с периодом Тm модулирует частоту генератора СВЧ 2 в диапазоне Δƒ12=ƒ2-ƒ1, где ƒ1 и ƒ2 - его начальная и конечная частота. Затем этот СВЧ сигнал поступает через циркулятор на антенну и излучается в сторону подстилающей поверхности 8 под углом α к направлению движения. При этом часть сигнала через направленный ответвитель приходит на первый вход смесителя, а на второй его вход приходит СВЧ сигнал, отраженный от поверхности обратно в антенну и прошедший через циркулятор. Поскольку второй сигнал задержан по отношению к первому на время распространения до поверхности и обратно, его частота будет смещена относительно первого сигнала. В результате на выходе смесителя образуется сигнал разностной частоты или сигнал биений, пропорциональный расстоянию до поверхностиConsider the operation of the device first in the absence of movement.
где R - высота расположения антенны устройства над поверхностью.where R is the height of the device’s antenna above the surface.
Далее этот сигнал в вычислительном блоке преобразуется в частотный спектр, синхронно с модулирующим сигналом периодичностью Тm. В идеальном случае это была бы единственная гармоника согласно формуле (4), однако антенна имеет некоторую диаграмму направленности с шириной главного лепестка , поэтому отраженная волна является суперпозицией i волн, падающих и отраженных с разными углами от подстилающей поверхности и, таким образом, прошедших разные расстояния. В результате, спектр сигнала разностной частоты будет состоять из i гармоник. Огибающая кривая этого спектра S0(ƒ), представленная на Фиг. 2 сплошной линией, записывается в память устройства:Further, this signal in the computing unit is converted into a frequency spectrum, synchronously with a modulating signal with a periodicity of T m. In the ideal case, this would be the only harmonic according to formula (4), however, the antenna has some radiation pattern with the width of the main lobe , therefore, the reflected wave is a superposition of i waves incident and reflected with different angles from the underlying surface and, thus, past different distances. As a result, the spectrum of the difference frequency signal will consist of i harmonics. The envelope curve of this spectrum S 0 (ƒ), shown in FIG. 2 solid line, is recorded in the device memory:
При начале движения со скоростью V все частоты этого спектра будут смещаться на доплеровскую частоту ƒD, согласно формуле (1) и с сохранением формы огибающей спектра S(ƒ)=S0(ƒ)+ƒD, поскольку расстояние до подстилающей поверхности и угол α при этом не меняются. Вид обеих графиков приведен на Фиг. 3.At the beginning of motion at a speed V, all frequencies of this spectrum will shift to the Doppler frequency ƒ D , according to formula (1) and with the shape of the spectrum envelope S (ƒ) = S 0 (ƒ) + ƒ D , since the distance to the underlying surface and the angle α do not change. Both graphs are shown in FIG. 3.
Если вычислить взаимно-корреляционную функцию двух массивов данных огибающих этих спектров S0(ƒ) и S(ƒ), то максимальное значение этой функции будет достигаться при таком сдвиге частоты, когда графики функций совпадут. Очевидно, что этот сдвиг будет соответствовать доплеровской частоте, по которой можно определить скорость в соответствии с формулой (2). График взаимно-корреляционной функции C(ƒ/ƒmax) в относительных единицах, где ƒ - разностная частота, а ƒmах - максимально возможная доплеровская частота при максимально возможной скорости, представлен на фиг. 3.If we calculate the cross-correlation function of two data sets of the envelopes of these spectra S 0 (ƒ) and S (ƒ), then the maximum value of this function will be achieved with such a frequency shift when the graphs of the functions coincide. Obviously, this shift will correspond to the Doppler frequency, from which the speed can be determined in accordance with formula (2). A graph of the cross-correlation function C (ƒ / ƒ max ) in relative units, where ƒ is the difference frequency and ƒ max is the maximum possible Doppler frequency at the maximum possible speed, is shown in FIG. 3.
Таким образом, ошибка, связанная с неточным определением доплеровской частоты из-за наличия в сигнале спектральной полосы устраняется. При этом следует отметить, что на точность устройства не влияет степень линейности модуляции СВЧ генератора, что уменьшает стоимость устройства. Дополнительно способ приобретает новое свойство - позволяет определить направление скорости вперед или назад по знаку частоты сдвига при максимуме взаимно-корреляционной функции.Thus, the error associated with inaccurate determination of the Doppler frequency due to the presence of a spectral band in the signal is eliminated. It should be noted that the accuracy of the device is not affected by the degree of linearity of modulation of the microwave generator, which reduces the cost of the device. Additionally, the method acquires a new property - it allows you to determine the direction of speed forward or backward by the sign of the shear frequency at the maximum of the cross-correlation function.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016114269A RU2611601C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Doppler method for measuring ground speed |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016114269A RU2611601C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Doppler method for measuring ground speed |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2611601C1 true RU2611601C1 (en) | 2017-02-28 |
Family
ID=58459075
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016114269A RU2611601C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Doppler method for measuring ground speed |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2611601C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2654931C1 (en) * | 2017-08-18 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring vector of vehicle ground speed |
| RU2686676C1 (en) * | 2018-09-21 | 2019-04-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring displacement vector of a vehicle |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1141355A1 (en) * | 1983-02-07 | 1985-02-23 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | Ground speed determination device |
| US5243564A (en) * | 1991-08-05 | 1993-09-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Doppler-effect vehicle ground-speed detecting apparatus having means for detecting vehicle body inclination |
| RU2126164C1 (en) * | 1997-10-28 | 1999-02-10 | Манукьян Арменак Ашикович | Method measuring speed of movement of vehicle |
| US6445337B1 (en) * | 1998-12-29 | 2002-09-03 | Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh | Method for measuring the speed of a vehicle |
| WO2005050240A2 (en) * | 2003-11-18 | 2005-06-02 | Elop Electro-Optics Industries Ltd. | Method and system for determining the range and velocity of a moving object |
| RU73491U1 (en) * | 2008-02-06 | 2008-05-20 | Александр Александрович Талов | DOPPLER SPEED METER |
-
2016
- 2016-04-13 RU RU2016114269A patent/RU2611601C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1141355A1 (en) * | 1983-02-07 | 1985-02-23 | Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова | Ground speed determination device |
| US5243564A (en) * | 1991-08-05 | 1993-09-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Doppler-effect vehicle ground-speed detecting apparatus having means for detecting vehicle body inclination |
| RU2126164C1 (en) * | 1997-10-28 | 1999-02-10 | Манукьян Арменак Ашикович | Method measuring speed of movement of vehicle |
| US6445337B1 (en) * | 1998-12-29 | 2002-09-03 | Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh | Method for measuring the speed of a vehicle |
| WO2005050240A2 (en) * | 2003-11-18 | 2005-06-02 | Elop Electro-Optics Industries Ltd. | Method and system for determining the range and velocity of a moving object |
| RU73491U1 (en) * | 2008-02-06 | 2008-05-20 | Александр Александрович Талов | DOPPLER SPEED METER |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ФИЛЬКЕНШТЕЙН М.И. Основы радиолокации. Москва, Советское радио, 1973Б с.86. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2654931C1 (en) * | 2017-08-18 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring vector of vehicle ground speed |
| RU2686676C1 (en) * | 2018-09-21 | 2019-04-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for measuring displacement vector of a vehicle |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110988862B (en) | Ultra-close millimeter wave radar sensing method and system | |
| CN110850400A (en) | Multi-target detection method for LFMCW radar based on interferometer direction finding | |
| KR101239166B1 (en) | Frequency modulated continuous wave proximity sensor | |
| US11630189B2 (en) | Multi-tone continuous wave detection and ranging | |
| CN105738889A (en) | Frequency modulated continuous wave speed measurement and distance measurement method | |
| US20230140139A1 (en) | Radar Detection Method and Related Apparatus | |
| US10761205B2 (en) | Systems for determining target direction and methods therefor | |
| CN103176183A (en) | Short-range high-resolution detection imaging method and device for implementing same | |
| CN101788671B (en) | Multicycle modulation method applied to laser ranging device using chirp amplitude modulation based on heterodyne detection | |
| RU2334995C1 (en) | Doppler meter of absolute speed | |
| CN112654895A (en) | Radar detection method and related device | |
| RU2611601C1 (en) | Doppler method for measuring ground speed | |
| CN107346022B (en) | High-precision ship measuring radar and speed measuring method based on microwave interferometer | |
| RU2626405C2 (en) | Homodyne radar | |
| KR102610917B1 (en) | Continuous wave radar and ranging method using the continuous wave radar | |
| RU2611440C1 (en) | Doppler ground velocity system | |
| CN104199019A (en) | Continuous wave detector testing system | |
| RU2637817C1 (en) | Method of determining distance to earth surface | |
| WO2022000332A1 (en) | Radar detection method and related device | |
| RU2669016C2 (en) | Doppler ground velocity meter | |
| KR101634455B1 (en) | Radar using linear frequency modulation signal and noise signal, and method for controlling the same | |
| RU2530542C1 (en) | Method and device for measurement of angular height of object of search in surveillance non-linear radars | |
| Kravchenko et al. | An extended simulink model of single-chip automotive FMCW radar | |
| RU2492504C1 (en) | Method of determining non-radial projection of target velocity vector | |
| JP2013217853A (en) | Radar device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210414 |