Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей знакопеременной скорости

Следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей знакопеременной скорости предназначен для использования в устройствах для бесконтактного дистанционного измерения скорости потоков жидкостей и газов, а также твердых диффузно отражающих объектов. Фильтр процессор содержит два квадратурных канала обработки входных сигналов. Каждый квадратурный канал состоит из двух смесителей, сумматора выходных сигналов смесителей, соединенных с низкочастотным фильтром подключенных к последовательно соединенным устройством выборки и хранения сигнала и соответствующим каналом коммутатора. В состав следящего фильтра также входят аналого-цифровой преобразователь, подключенный своим входом к выходу коммутатора, квадратурный генератор перестраиваемой частоты, микропроцессор и интерфейсный блок, подключенный через общую шину к микропроцессору. В предложенном устройстве благодаря тому, что в каждый квадратурный канал дополнительно введены второй смеситель и сумматор, измерение доплеровской скорости и ее знака производится в широком диапазоне частот, включая нулевые частоты.

Формула содержит 1 независимый пункт, 1 илл.

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для обработки сигналов лазерных доплеровских измерителей знакопеременной скорости потоков жидкости и газов, а также твердых диффузно отражающих объектов.

Известны доплеровские измерители скорости, в которых определение знака скорости реализуется в двухчастотных схемах со смещением измеряемой частоты (Ю.Н.Дубнищев, Б.С.Ринкевичус. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М., Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982 [1]; B.C.Соболев, A.M.Щербаченко, Е.Н.Уткин, А.А.Столповский, Г.А.Кащеева, И.В.Филимоненко. Принципы активной интерферометрии со смещением частоты в приложении к доплеровской анемометрии. Восьмая международная научно-техническая конференция. Оптические методы исследования потоков. 28 июня - 1 июля 2005, Москва [2]). В этих измерителях скорости в выходном сигнале оптико-электронного блока помимо сигнала с доплеровской частотой присутствует дополнительный сигнал с частотой, величина которой является заданной и известной.

Для формирования такого сигнала лазерный пучок в оптическом интерферометре [2] направляется на акустооптический модулятор с бегущей ультразвуковой волной. Дифрагированный лазерный пучок фокусируется в исследуемую точку потока или на любой исследуемый объект. Рассеянное излучение проходит обратно через тот же модулятор в лазер. Если исследуемый объект движется, то частота поля, попадающего обратно в лазер, приобретает смещение на величину равную сумме доплеровской частоты и удвоенной частоты напряжения, питающего модулятор. Таким образом, на фотодиод попадает исходное поле излучения лазера и смещенное по частоте усиленное поле рассеяния. Электрический сигнал с фотодиода смешивается с сигналом генератора, частота которого меньше удвоенной частоты напряжения, питающего акустооптический модулятор, что и обеспечивает смещение частоты доплеровского сигнала на фиксированную частоту. Полученная таким образом входная частота измеряется. Частота доплеровского сигнала, пропорциональная скорости движения объекта, равна разности между частотой входного сигнала и частотой смещения.

Значение скорости движущихся объектов вычисляется при умножении доплеровской частоты на постоянный коэффициент, который определяется при калибровке устройства.

Известен следящий фильтр-процессор для обработки сигналов такого лазерного доплеровского измерителя скорости (Патент РФ 2177159. Бюл. 35.[3]), Он содержит два квадратурных канала измерения. Каждый канал состоит из последовательно соединенных смесителя, фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования. Первые входы смесителей являются входами устройства, а вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты. Следящий фильтр-процессор содержит, кроме того, четыре устройства выборки и хранения сигнала (УВХ), последовательно соединенные четырехканальный коммутатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Выходы УВХ соединены с входами коммутатора. Первые входы первого и второго УВХ подключены к выходам соответствующего фильтра низких частот разностной частоты и аналогового блока дифференцирования первого квадратурного канала. Первые входы третьего и четвертого УВХ подключены соответственно к выходам фильтра низких частот и аналогового блока дифференцирования второго квадратурного канала.

Выходные сигналы смесителей первого и второго квадратурных каналов, осуществляющих перемножение входного сигнала Sin_int с частотой _in=_s±_d, равной алгебраической сумме частоты смещения _s и доплеровской частоты _d, и сигналов квадратурного генератора перестраиваемой частоты Sin_gt и Cos_gt с частотой _g равны соответственно

,

где _d - частота доплеровского сигнала, _s - частота смещения, a _g - частота квадратурного генератора перестраиваемой частоты.

Из этих выражений следует, что в каждом квадратурном канале измерения на выходах смесителей доплеровской частоты и частоты перестраиваемого генератора формируются квадратурные сигналы, состоящие из двух сигналов: сигнала разностной частоты (_in-_g) и сигнала суммарной частоты (_in+_g).

Если сигналы суммарной частоты присутствуют в сигналах на выходах смесителей и их фильтрация узкополосным фильтром невозможна, то и измерение частоты в следящем фильтре - процессоре невозможно

Благодаря сдвигу частоты на промежуточную частоту, превышающую полосу низкочастотного фильтра, сигнал суммарной частоты фильтруется этим фильтром, а разностная частота входного сигнала и сигнала генератора перестраиваемой частоты измеряется и корректирует частоту управляемого генератора.

Для определения знака доплеровской частоты микропроцессор следящего фильтра-процессора должен осуществить операцию вычитания значения частоты смещения _s из измеренного значения входной частоты _in=_s±_d.

Одним из недостатков такого следящего фильтра-процессора являются эти дополнительные вычисления, связанные с вычитанием промежуточной частоты и приводящие к уменьшению быстродействия следящего фильтра процессора.

Другим недостатком является то, что при измерении входной частоты, находящейся в области нулевых частот, сами измерения становятся невозможными. Это вызвано тем, что в этом случае в полосе низкочастотного фильтра присутствуют одновременно как сигналы разностной, так и суммарной частот.

Наиболее близким устройством по набору функциональных электронных блоков по отношению к предлагаемому устройству является цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости потоков жидкости и газов, предложенный ранее автором (A.M.Щербаченко, Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости. Патент РФ 108632 на полезную модель от 26.07.79, Бюл. 26, 2011 [4]). Цифровой следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей скорости содержит два квадратурных канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель, управляемый квадратурным генератором перестраиваемой частоты, фильтр низких частот, устройство выборки и хранения (УВХ) сигнала и соответствующий канал коммутатора. Выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, связан с квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), коммутатором и устройствами выборки и хранения информации.

Этот следящий фильтр-процессор, также как и фильтр-процессор [3], не позволяет измерять знакопеременную скорость в области нулевых частот по тем же причинам - одновременному присутствию на выходах узкополосных фильтров квадратурных сигналов как разностной, так и суммарной частоты.

В предлагаемом решении отмеченный недостаток устраняется. Это достигается за счет того, что в цифровом следящем фильтре-процессоре с двумя квадратурными каналами измерения, каждый из которых содержит последовательно соединенные смеситель, фильтр низких частот, устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, при этом первые входы каждого из смесителей объединены вместе и являются входом устройства, их вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, управляет квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем, коммутатором и устройствами выборки и хранения информации, в каждый канал дополнительно введены второй смеситель и сумматор, при этом объединенные первые входы вторых смесителей образуют второй вход фильтра-процессора, вторые входы дополнительно введенных смесителей первого и второго каналов подключены соответственно ко второму и первому выходам управляемого квадратурного генератора перестраиваемой частоты, выходы обоих смесителей первого канала измерения подключены к прямым входам сумматора первого канала, выходы первого и второго смесителей второго канала измерения подключены соответственно к инвертирующему и прямому входам сумматора второго канала, а выходы сумматоров подключены к фильтрам низких частот соответствующего канала измерения.

В предложенном фильтре-процессоре новым по отношению к следящему фильтру-процессору [4] является то, что в каждый из квадратурных каналов дополнительно введены второй смеситель и сумматор.

Принципиально новым техническим решением является то, что в предлагаемом следящем фильтре-процессоре благодаря введению в каждый квадратурный канал измерения новых электронных узлов (смесителя и сумматора) при суммировании в сумматоре выходных сигналов смесителей своего канала на его выходе отсутствует сигнал суммарной частоты входного сигнала и сигнала перестраиваемого генератора частоты. Это позволяет в области нулевых частот осуществлять узкополосную фильтрацию только квадратурных сигналов разностной частоты в широком диапазоне частот и обеспечивать измерение доплеровской скорости и ее знака в широком диапазоне частот.

На фиг 1. представлена блок-схема следящего фильтра-процессора для обработки сигналов доплеровского измерителя знакопеременной скорости.

Входные квадратурные сигналы для следящего фильтра-процессора, как показано в (B.C.Соболев, A.M.Щербаченко, Г.А.Кащеева, А.И.Скурлатов, Е.Н.Уткин, М.Н.Прокопенко, В.И.Козлов, А.Г.Верхогляд. Лазерная доплеровская система нового поколения как датчик скорости для автоматизации научного эксперимента и технологических процессов. Датчики и системы, 2, 2000, [5]), предварительно формируются в оптико-электронном блоке доплеровского измерителя скорости на выходе двух смесителей. На первые входы смесителей поступают квадратурные сигналы генератора, питающего акустооптический модулятор, а на вторые входы смесителей сигнал с фотоприемника. Квадратурные сигналы с выходов смесителей оптико-электронного блока являются входными для заявляемого следящего фильтра-процессора.

Предлагаемый следящий фильтр-процессор содержит два квадратурных канала измерения 1(2), состоящих из первых 3(8) и вторых 4(9) смесителей и последовательно соединенных сумматора 5(10), фильтра низких частот 6(11), устройства выборки и хранения сигнала 7(12). При этом первые входы первых смесителей 3(8) объединены и являются первым входом следящего фильтра-процессора. Первые входы вторых смесителей 4(9) также объединены и являются вторым входом следящего фильтра-процессора. На эти входы поступают квадратурные сигналы Sin(_dt) и Cos(_dt) доплеровской частоты. Выходы смесителей 3 и 4 первого канала соединены с прямыми входами сумматора 5, а выходы смесителей 8 и 9 второго канала подключены соответственно к инверсному и прямому входам сумматора 10. Вторые входы смесителей 3 и 9, как и вторые входы смесителей 4 и 8, подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора 13 перестраиваемой частоты. Цифровой следящий фильтр-процессор содержит также последовательно соединенные коммутатор 14 и аналого-цифровой преобразователь 15, а также интерфейсный блок 16, связанный посредством шины 18 с микропроцессором 17 мгновенных значений разностной частоты.

Выход АЦП подключен к входу интерфейсного блока, который соединен первым, вторым, третьим и четвертым выходами с управляющими входами АЦП 15, квадратурного генератора перестраиваемой частоты 13, двух УВХ (7 и 12) и коммутатора 14, к первым и вторым входам которого подключены выходы указанных УВХ.

На входы следящего фильтра-процессора поступают два квадратурных доплеровских сигнала -Sin(_dt) и Cos(_dt). Эти сигналы поступает на первые входы смесителей каждого квадратурного канала. На вторые входы смесителей поступают сигналы Sin(_gt) и Cos(_gt) от квадратурного генератора перестраиваемой частоты.

Первый из них поступает на вторые входы смесителей 3 и 9, а второй на вторые входы смесителей 4 и 8.

Смесители осуществляют перемножение входных сигналов, благодаря чему на выходах смесителей одновременно формируются сигналы суммарной _d+_g и разностной _d-_g частоты доплеровского сигнала _d и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты _g. Для первого квадратурного канала выходные сигналы смесителей 3, 4 представлены математическими выражениями 3, 4

,

а для второго канала выходные сигналы смесителей 8,9 - выражениями 5,6

После суммирования сигналов смесителей 3,4, соответствующих математическим выражениям 3 и 4, в выходном сигнале сумматора 5 пропадает косинусная составляющая суммарной частоты и на входе фильтра 6 первого квадратурного канала измерения остается косинусная составляющая разностной частоты =_d-_g, а именно - U(t)=Cos()t.

При суммировании сигналов смесителей 8, 9, соответствующих математическим выражениям 5, 6, благодаря инвертированию сигналов смесителя 8 в выходном сигнале сумматора 10 пропадает синусная составляющая суммарной частоты и на входе фильтра 11 второго квадратурного канала измерения остается только синусная составляющая разностной частоты =_d-_g, а именно - V(t)=-Sin()t.

Таким образом, в предлагаемом устройстве на выходах фильтров 6, 11 присутствуют квадратурные сигналы только j разностной частоты, которые и используются микропроцессором 17 для ее измерения и коррекции кода квадратурного генератора перестраиваемой частоты 13, частота которого и соответствует измеряемой частоте.

Принципиально новым техническим решением является то, что в предлагаемом следящем фильтре-процессоре благодаря введению в каждый квадратурный канал измерения новых электронных узлов (смесителя и сумматора) при суммировании в сумматоре выходных сигналов смесителей своего канала на его выходе исключается сигнал суммарной частоты входного сигнала и сигнала квадратурного генератора перестраиваемой частоты.

Это позволяет в области нулевых частот осуществлять в широком диапазоне частот узкополосную фильтрацию квадратурных сигналов только разностной частоты и обеспечивать измерение доплеровской скорости и ее знака.

Следящий фильтр-процессор осуществляет поиск, захват и слежение за входной частотой.

В режиме поиска и захвата доплеровской частоты код управления частотой генератора линейно возрастает от минимального до некоторого максимального значения. Квадратурные сигналы разностной частоты с фильтров низких частот поступают на входы УВХ и запоминаются ими. Эти данные через коммутатор поступают далее на АЦП, оцифровываются и заносятся в память микропроцессора. Микропроцессор вычисляет амплитуду вектора комплексной огибающей сигнала разностной частоты в соответствии с выражением

Микропроцессор сравнивает это значение с заданным порогом, превышение которого говорит о том, что сигнал разностной доплеровской частоты попал в полосу фильтра низких частот.

С этого момента следящий фильтр-процессор начинает следить за частотой доплеровского сигнала. Микропроцессор вычисляет мгновенную фазу сигнала разностной частоты как арктангенс текущих значений квадратурных сигналов разностной частоты, зафиксированных УВХ. По двум значениям текущей фазы сигнала разностной частоты микропроцессор вычисляет значение разностной доплеровской частоты в соответствии с выражением

.

Значение разностной частоты да», которое преобразуется в компьютере в код разностной частоты, суммируется с кодом, хранящемся в памяти микропроцессора и поступает на квадратурный генератор перестраиваемой частоты. Таким образом, осуществляется слежение за частотой доплеровского сигнала.

При уменьшении амплитуды сигнала ниже установленного программой микропроцессора значения следящий фильтр-процессор переходит в режим хранения, при котором данные на входе квадратурного генератора перестраиваемой частоты не изменяются в течение заданного программой временного интервала.

Если в течение этого временного сигнала амплитуда сигнала доплеровской частоты превысит установленный порог, цифровой следящий фильтр-процессор возвращается в режим слежения, в противном случае следящий фильтр-процессор переходит в режим поиска и захвата частоты.

Испытание следящего фильтра-процессора было проведено на созданном экспериментальном макете. Оно подтвердило тот факт, что исключение на выходах фильтров низких частот сигналов суммарной частоты доплеровского сигнала и сигнала следящего генератора перестраиваемой частоты позволило устойчиво измерять широком диапазоне частот, включая нулевые частоты, как саму доплеровскую частоту, так и ее знак.

Следящий фильтр-процессор для обработки сигналов доплеровских измерителей знакопеременной скорости, содержащий два квадратурных канала измерения, каждый из которых содержит смеситель и последовательно соединенные фильтр низких частот, устройство выборки и хранения сигнала и соответствующий канал коммутатора, при этом первые входы каждого из смесителей объединены вместе и являются входом устройства, их вторые входы подключены соответственно к первому и второму выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и интерфейсный блок подключен к входу микропроцессора, который через общую шину и интерфейсный блок, управляет квадратурным генератором перестраиваемой частоты, аналого-цифровым преобразователем, коммутатором и устройствами выборки и хранения информации, отличающийся тем, что в каждый квадратурный канал дополнительно введены второй смеситель и сумматор, при этом объединенные первые входы вторых смесителей образуют второй вход фильтра-процессора, вторые входы дополнительно введенных смесителей первого и второго каналов подключены соответственно ко второму и первому выходам квадратурного генератора перестраиваемой частоты, выходы смесителей первого канала измерения подключены к прямым входам сумматора первого канала выходы первого и второго смесителей второго канала измерения подключены соответственно к инвертирующему и прямому входам сумматора второго канала, а выходы сумматоров подключены к фильтрам низких частот соответствующего канала измерения.