Главная страница -> VRTP -> Texнологии -> Теория

История началась около месяца назад, когда мне в руки попался ультразвуковой паковочный радар (Картинку прилагаю). Пойгравшись с ним и досконально разобравшись с его схемой, стало довольно скучно, так как работает он на примитивном уровне. И появилась идея сделать учебно тренировочный проект, на котором отработать основные моменты которые происходят в настоящих радиолокаторах, с единственным упрощением, что вместо электромагнитных волн будем использовать ультразвук, но с теоретической стороны суть дела это не меняет.

Я специально разместил эту тему в разделе теория, потому что здесь я в первую очередь поднимаю теорию, а во вторую очередь закрепляю ее практическими экспериментами.

Какую то часть работы я уже провел, а какую-то часть провожу сейчас или буду проводить чуть позже, поэтому буду выкладывать результаты по мере их получения. Не по теме прошу не писать.

И так. глобальная цель - Строим импульсный когерентный сонар.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

Первое с чего начнем, так это с того что такое импульсный и что такое когерентный

У сонаров (радиолокаторов далее не повторяю и подразумеваем одно и тоже), может быть несколько видов зондирующего излучения:

1. Это непрерывное излучение.
2. Импульсным с большой скважностью.
3. Импульсным с малой скважностью.

Как я уже говорил, мы будим строить сонар с импульсным излучением, сейчас можно уточнить, что с импульсным излучением большой скважности. Это значит, что период следования между импульсами, будет существенно больше длительности самих зондирующих импульсов.

Перед тем как разобраться с понятием когерентности, вспомним два термина из курса радиотехнические цепи и сигналы. Первое понятие - видеоимпульс, а второе понятие - радиоимпульс. Так вот радиоимпульс - это видеоимпульс, который заполнен синусоидальным (к примеру) колебанием относительно высокой частоты. Говоря проще если генератор высокой частоты включать на время следования видеоимпульса, то он будет генерировать радиоимпульс. Ну это ладно, к этому мы еще не раз будем возвращаться

И так когерентный и некогерентный радиоимпульс. На микроконтроллере я создал два генератора. Один генерирует когерентные радиоимпульсы, другой генерирует некогерентные радиоимпульсы. Сигналы этих генераторов я записал при помощи осциллографа (смотрим на рисунок).

Излучение считается когерентным, если начальные фазы всех импульсов одинаковы или изменяются от импульса к импульсу по известному закону. Если это условие не соблюдается, то излучение не когерентное.

Два верхних импульса на рисунке когерентны, так как их начальные фазы совпадают. Два нижних импульса некогерентны, так как их начальные фазы случайны.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 23 2014, 10:04 PM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

Интригующее начало..

Забегая немного вперед, чтоб было немного интриги
(как я уже сказал, часть работы у меня уже проведена, просто все сразу выкладывать тяжело, поэтому каждый день по чуть чуть)

У когерентных радиоимпульсов, в отличие от некогерентных, есть одно змечательное свойство - если излучать в пространство когерентный импульс, то отразившись от цели, он вертятся к сонару с какой-то там ее матери фазой, которая зависит от расстояния до цели, естественно заранее знать эту фазу не возможно, но есть одна фишка. Если излучить несколько когерентных импульсов, то отразившись от цели, все они вернуться с одной и той же одинаковой фазой. И если эти радиоимпульсы тупо сложить (да-да-да. тупо сложить знаком + ), то их амплитуда возрастет в N сложений, а шумы со случайными фазами почти не складываются. Таким образом можно существенно повысить амплитуду принятых радио импульсов.

Есть и другая фишка, можно излучать радиоимпульсы с фазой сдвинутой на 180 градусов, тогда после отражения от неподвижной цели они будут друг друга компенсировать, и например местные неподвижные предметы перестают быть видны, а если цель движется, то сигналы будут иметь разные фазы, и не будут друг друга компенсировать. Но к этому мы еще вернемся.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 23 2014, 10:20 PM

По своему богатому опыту (и всем советую) всегда начинать работу с первичных преобразователей. Если наш сонар (или радиолокатор) не будет иметь хорошего первичного преобразователя с конкретными характеристиками, то дальнейшая работа превратиться в шаманство с бубном с трудно предсказуемым результатом.

Любому радиолокатору нужна хорошая антенна с конкретными характеристиками, любому сонару нужен звуковой (ультразвуковой) излучатель-приемник с требуемыми параметрами. Принимаем вышесказанное как за истину, ну или хотябы как за аксиому

Вообще я серьезно, каждый раз когда пытаешься наплевать на это правило натыкаешься на вилы, еще ни разу мне не повезло, чтоб прокоптило на халяву.


И так. Первичный преобразователь - стандартный пьезоэлектрический датчик от парковочного радара с резонансной частотой 40 кГц. Также как и антенна он обладает свойством обратимости - т.е. позволяет как излучать ультразвуковые волны, так и принимать их.

Применение такого датчика считаю полностью обоснованным. Он доступен, имеет защищенное исполнение и может работать в сложных условиях, даже в воде. Максимальная мощность которую он может излучать и чувствительность достаточна для нашего проекта. В случае необходимости всегда вместо этого преобразователя сможем применить другой.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

довольно теоретически, ибо среда не та, вязкая да и скорость звука в воде ~ 1200м\с
против 330м в воздухе сам резонатор координально меняет характеристики добротность
и тд и тп, гидра то тема секретная реальнх конструкций в нете не много

Это сообщение отредактировал Dik - Feb 24 2014, 12:16 AM

Также как и у антенн, у пьезоэлектрического излучателя есть диаграмма направленности. Данный датчик, как и простой диполь имеет широкую диаграмму направленности (ну уж сильно не пинайте за сравнение ).

Такая диаграмма направленности может и идеально подходит для парковки, но категорически не подходит для нашего сонара. Поэтому мы помещаем данный датчик в рупор (ну типо рупорной антенны, а шо, длинна волны 8 милиметров, магу ведь )

В результате диаграмма направленности приобретает вид острого направленного луча, что в свою очередь позволит сконцентрировать больше излучаемой энергии на меньшей площади, что собственно нам и трэба.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

Чтобы не было голословности. Теорию сразу закрепляем практикой. Ставим практический эксперимент. К генератору радиоимпульсов с периодом следования 40 мс, длительностью 200 мкс и заполнением 40 кГц. Поочередно подключаем два выше перечисленных первичных преобразователя и ловим эхо-сигнал при помощи усилителя и осциллографа. Подробности реализации схемы пока опустим, так как не о ней идет речь.

Первый рисунок с датчиком без рупора.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

А этот рисунок содержит осциллограмму датчика с рупором. Т.е. параметры генератора импульсов и усилителя не изменились. Разница только в наличии и отсутствии рупора. Мы видим что амплитуда сигнала увеличилась в 4 раза.

Кстати столь интересная форма радиоимпульса, который мы наблюдаем на осциллографе появилась не случайно и не просто так. Но это мы обсудим чуть позже. На сегодня хватит, мне надо отдохнуть

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 12:48 AM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

"..не согласная я!!.." (с)

Я конечно могу и путать за давностью лет, но я соглашусь с Dik-ом: скорость звука в воде в разы выше чем в воздухе. Из-за этого при той же длительности пачки зондирующих импульсов получим отражение от близкорасположенных препятствий ещё до окончания пакета. Поэтому в эхолотах применяют частоты повыше. Это позволяет сделать более короткую пачку. Почему нужна пачка импульсов, а не допустим один импульс? Я тоже пол года назад косился на парктроник. И понял, что из-за определённой добротности пьезопреобразователя для того, чтобы его раскачать, надо много импульсов. А на частоте 40кГц много не получится. Надо лезть вверх по частоте. До сотен килогерц.

Это сообщение отредактировал Eddy71 - Feb 24 2014, 10:37 AM

Eddy71 Ну я галдешь разводить не хочу

Но всеж отвечу.

Под воду мы пока не лезем. Но все же если уж приподнять железный занавес секретности, то я вам по секрету скажу, что в подводных сонарах используют как раз не высокие частоты а низкие, в области звуковых частот. Это связано с тем чтобы раскачать колебания в воде на высокой частоте требуется значительно больше энергии чем на низкой частоте. А затухание ультразвуковых волн намного больше чем звуковых (по той же причине). А проблемы малых расстояний там нету, сонару не требуется обнаруживать подводную лодку на расстоянии 10 метров, там оперируют растояниями по более.

По поводу пачки импульсов. То что я приводил выше на картинках это не пачка импульсов, а один радиоимпульс. Пачка РАДИОимпульсов понадобится для их когерентного накопления или вычитания. Вообщем слухайте мою историю дальше и все станет ясно.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 01:04 PM

Извиняюсь, протупил: пропустив слово "сонар" подумал про эхолот. Я его лет 20+ назад делал потому и запомнилось..

Чтобы было понятнее, рассмотрим структурную схему будущего сонара.

Он будет состоять из:

1. Ультразвукового излучателя с рупором для придания нужной диаграммы направленности.

2. Генератора когерентных радиоимпульсов с нужными параметрами.

3. Амплитудный ограничитель (что-то типа разрядника в РЛС), амплитудный ограничитель препятствует прохождению высоковольтных импульсов к усилителю. В какой то степени может выполнять роль примитивного антенного переключателя.

4. Оптимальный фильтр одиночных радиоимпульсов.

5. Усилитель радиосигналов.

6. Микроконтроллер с быстродействующим АЦП.

Из схемы уже понятно, что мы будем производить цифровую обработку сигналов прямо на радиочастоте 40 кГц.



Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

Начнем с передающей части. так как она проще для понимания. Ну и в целом проще

Перед нами стоит задача преобразовать радиоимпульс в механические колебания воздуха нужной амплитуды и частоты. Чем большую амплитуду колебаний воздуха мы сможем получить, тем выше будет дальность действия сонара.

Так как в качестве первичного преобразователя мы выбрали пьезоэлектрический датчик, то для преобразования механических колебаний воздуха в электрические мы будем использовать пьезоэлектрический эффект. А для преобразования электрического сигнала в механические колебания воздуха, мы будем использовать обратный пьезоэлектрический эффект.

Суть этого эффекта заключается в следующем - если мы приложим переменное электрическое напряжение к поверхности кристалла, то он будет деформироваться (сжиматься и разжиматься) т.е. колебаться. Так как кристалл окружает воздух, то воздух тоже будет колебаться. Что собственно нам и нужно.

Но есть некоторые тонкости, которые некоторые могут не знать.

1. Это напряжение приложенное к кристаллу обязательно должно быть переменное. То есть глупо будет посадить одну сторону на землю и на вторую сторону подавать положительное относительно этой земли напряжение.

2. Чем выше напряжение, там больше деформация. Нельзя получить большую амплитуду колебаний подавая маленькое по амплитуде переменное напряжение.

3. У кристалла существует некоторая резонансная частота, на которой его механические колебания достигают наивысшей амплитуды. Это в первую очередь важно при использовании прямого пьезоэффекта, т.е. в качестве приемника ультразвуковых колебаний. Как показывает практика при достаточно большом напряжении приложенному к кристалу, он деформируется на любой частоте бо деваться ему некуда (тут как говорится можно кого угодно петь заставить, вопрос лишь в том какое напряжение подать )

4. Если подать напряжение очень большой амплитуды кристалл не сможет его переварить и разрушится.

Теперь рассмотрим принципиальную схему генератора ультразвуковых импульсов.

В первую очередь нам понадобится генератор радиоимпульсов, на сегодняшний день простейший генератор (к тому же еще и когерентных) радиоимпульсов с частотой 40 кГц можно собрать используя таймер микроконтроллера. Тут я думаю особых пояснений не нужно. Микроконтроллер в нужный нам момент выдаст радиоимпульс требуемой нам длительности, с нужной нам начальной фазой.

Но микроконтроллер может выдать радиоимпульс маленькой амплитуды (ну в лучшем случае 5В), которой недостаточно для получения механических колебаний нужной амплитуды. Поэтому нам понадобится повышающий трансформатор, который увеличивает амплитуду радиоимпульса до 120..150В.

Но есть одно но, энергия не берется из ниоткуда, пьезокристалл можно рассмотреть как небольшой конденсатор, емкостью несколько тысяч пикофарад, и в каждый полупериод колебаний нам нужно перезаряжать емкость этого конденсатора напряжением другой полярности. В этот момент через пьезокристал течет большой ток, а через первую обмотку трансформатора течет еще больший ток эдак в раз 30 больше чем через пьезокристал. Возникает естественный вопрос, откуда бабки?

Нас спасает тот момент, что длительность радиоимпульса от генератора всего 200 мкс, а значит хоть ток и большой, но течет он не долго. Поэтому мы просто ставим накопительный конденсатор С, который в период между радиоимпульсами заряжается через резистор R. Конденсатор С способен в короткое время отдавать большой ток, в несколько ампер.

Как бы получается, что в импульсе мы излучаем громадную мощность, но импульс короткий, и период следования между импульсами относительно большой, поэтому средняя мощность излучения невелика.

Кстати. Если замкнуть резистор R, и подключить трансформатор к источнику способному в длительном режиме отдавать большой ток, а также поставить довольно мощный транзистор VТ, и подать длительный радиоимпульс с генератора, то можно разрушить пьезокристал.

P.S. Коты на столь мощьный и длительный сигнал реагируют, где то как на апельсин. То есть если в упор поднести и включить то они убегают, а если из далека светить, то делают кислую морду

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 03:11 PM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

На улице когерентной обработки сигналов может не получиться из-за того, что воздух не является неподвижной средой (наличие ветра).

Это больше вопрос периода следования ультразвуковых импульсов, чем больше период, тем больше влияние внешних факторов. С другой стороны как я уже писал некогерентность отраженных импульсов тоже может быть использована с пользой. Я подразумеваю несколько режимов работы. В крайнем случае дополнительно получится анемометр

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 04:25 PM

Следующая задача которую нам нужно решить - это произвести оптимальную фильтрацию одиночного радиоимпульса. Оптимальная фильтрация позволит получить максимальное соотношение сигнал/шум перед входом усилителя.

Рассмотрим рисунок. На нем изображен радиоимпульс(зеленый) и его амплитудно частотный спектр (красный). Видно что максимум амплитуды сигнала приходится на частоту 40 кГц, что в принципе не должно вызывать бурления говн.

Однако, так как сигнал у нас представляет собой импульс, то спектр несколько расширяется, и представляет собой не идеальную палку, а приобретает колокольчато-образную форму. Причем ширина этого спектра будет зависеть от длительности радиоимпульса, чем короче радиоимпульс тем шире спектр. Для точки в -3дБ грубо можно сказать что ширина спектра равняется 1/τ, где т - длительность радиоимпульса. В нашем случае ширина спектра по уровню -3дБ составляет 5000Гц (1 / 0,0002 ).

АЧХ оптимального фильтра который нам нужно создать, должна полностью совпадать с АЧХ нашего одиночного радиоимпульса.

ФЧХ фильтра мы пока обсуждать не будем.

Как будем создавать этот оптимальный фильтр напишу чуток позже, надо пойти баблос поделить

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 08:26 PM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

вы такой оригинал... почти как я
схема не факт... надо снять эквивалентную схему датчика, там будет как у ПАВа или кварца...
типично у датчиков собственная емкость 1000пФ и схема согласования для получения мощности может быть и по сложней.

Это сообщение отредактировал Dik - Feb 24 2014, 09:26 PM

Позволю себе уточнить, что шумы таки тоже складываются. Но результат сложения будет корень квадратный из N...

Позволю себе уточнить, что шумы таки тоже складываются. Но результат сложения будет корень квадратный из N...

Ну, таки, я согласен

Dik если есть что-то конкретное то прошу предлагать. Я ж не супрать народных масс.

Но я не хочу тратить время на пустую на болтовню.

Я делаю на уровне своих знаний и опыта. Основная задача у нас не получить оригинальную конструкцию, а создать работающий учебно тренировочный макет, для исследования алгоритмов обработки радиосигналов. Тут не оригинальность нужна, а наоборот никакой оригинальности, мы просто вспоминаем теорию и ставим интересные эксперименты.

Все что я тут уже привел проверено на практике и работает. Если у тебя есть какая то теоретическая идея подкрепленная практическим экспериментом, то выкладывай.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 24 2014, 09:52 PM

Так вот фильтр. К сожалению не все в нашем мире идеально, и полностью оптимальный фильтр осуществить невозможно. И для одиночного радиоимпульса вместо оптимального фильтра мы применим квазиоптимальный фильтр, кароче говоря сделаем фильтр наиболее близкий к оптимальному.

Уже по спектру сигнала видно, что наиболее подходящей будет обычная LCR цепь. Мы тупо построим такой фильтр, у которого полоса пропускания на уровне -3дБ будет наиболее близка к АЧХ нашего сигнала, (ну те самые 1/t шо вышей намалёваны)

Вообщем бомбим фильтр согласно приведенной схеме. Поясню откуда такие параметры.

У меня завалялся дроссель с индукитвностью 3,3 мГн, я его подключил к точному прибору и он показал 3,16 мГн. В принципе нормально. Далее я посчитал его реактивное сопротивление на частоте 40 кГц, и XL = 2ПИ*f*L = 794.2 Ом. Остается только подобрать конденсатор соответствущей емкости, у которого на этой же частоте будет такое же реактивное сопротивление. XC = XL = 1 / 2ПИ*f*C, C = 1 / 2ПИ*f*XL = 5000,5 пФ Просто супер совпало. Берем два последовательно включенных конденсатора на 10нФ и в добрый пусть. Резистор нужен для ограничения максимального тока, на нем будет падать лишнее напряжение когда мы подключим ентот фильтр к генератору способнуму работать на низкоомную нагрузку (незабываем что на частотах вне полосы пропускания фильтра он будет иметь хоть и малое, но все же конечное сопротивление)

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 25 2014, 02:09 PM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

Подключаем выше приведенный фильтр к генератору качающейся частоты (можно к генератору шума, но с ГКЧ проще). Выход фильтра подключаем к прибору который в состоянии начертить спектр.

Тут я дико извиняюсь что картинки у меня разного плана, но я работаю на тех приборах которые сейчас свободны.

Вообщем подключаем, и созерцаем, шо нам таки крупно повезло и АЧХ нашего фильтра довольно таки хорошо подходит к АЧХ нашего сигнала. если отойти от пика на -3дБ то полоса пропускания составит 7 кГц. Ну канешно не 5, но всеж не плохо. В конце концов вдруг мы перейдем на импульсы меньшей длительности.

Ура теперь у нас есть квазиоптимальный фильтр.

P.S. Если пропустить через данный фильтр прямоугольный радиоимпульс параметрами t = 200 мкс, то он превращается в ромбовидный (в случае оптимального фильтра) ну или близким к ромбовидному. в случае квазиоптимального фильтра. Именно по этому, на рисунке где мы тестили первичные преобразователи (с рупором) мы видели такую форму сигнала.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 25 2014, 01:34 PM

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

ИМХО, возиться с оптимизацией и фильтрацией входного сигнала УЗ приема особого смысла нет. Сам УЗ приемопередатчик является неплохой избирательной системой.
Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть ее АЧХ...
По крайней мере, когда я этой темой занимался достаточно плотно, видел большую корреляцию с приведенными результатами.
Есть возможность сопоставить принимаемые сигналы с фильтрацией и без нее?

Это сообщение отредактировал majorPAE - Feb 25 2014, 03:23 PM

ИМХО, возиться с оптимизацией и фильтрацией входного сигнала УЗ приема особого смысла нет. Сам УЗ приемопередатчик является неплохой избирательной системой.
Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть ее АЧХ...
По крайней мере, когда я этой темой занимался достаточно плотно, видел большую корреляцию с приведенными результатами.
Есть возможность сопоставить принимаемые сигналы с фильтрацией и без нее?

Незабываем что мы в разделе теория и тут нужно возиться. В конце концов в радиолокации так принято

Не факт что мы будем в дальнейшем использовать только пьезоэлектрический датчик.

Когда у нас на входе стоит оптимальный фильтр, который согласован с излучаемым импульсом по спектру, мне будет всегда спокойно - я знаю после фильтра у нас будет гарантировано сигнал с определенным спектром.

К примеру, представим ситуацию, что наш УЗ датчик в состоянии принимать импульсы длительностью 50 мкс, т.е. в два периода колебаний (а он реально на это способен), это полоса пропускания в 20 кГц, а мой сигнал занимает полосу в 5 кГц, возникает вопрос зачем мне усиливать всякую хрень, когда я могу отрезать ее фильтром.

Выше я уже писал - оптимальный фильтр позволит получить максимальное соотношение сигнал/шум перед входом усилителя и я его получил.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 25 2014, 03:48 PM

Вообще чтоб было меньше всяких предложений, в стиле "нафиг надо" и "зачем возится" я по секрету расскажу, что после создания сонара, мы будем ставить ему различные активные помехи и смотреть как он на них реагирует.

Так вот сейчас уже задумайтесь, как будет вести себя сонар в случае если ему на вход подадут широкополосную заграждающую помеху. С вариантом А - на входе сонара стоит оптимальный фильтр, который пропускает только спектр своего сигнала, вариант Б - оптимальный фильтр отсутствует и сонар принимает сигнал который в состоянии принять его антенна (антенна я сказал специально)

Ну что ж мутим дальше. Пытаемся синтезировать схему усилителя радиоимпульсов. Так как аналоговые схемы в любом случае подлежат макетированию, то особо не выпендриваемся и сначала продумываем на бумаге, потом крутим в симуляторе, потом собираем макет и корректируем исходник.

Я попытался определить какой уровень сигнала дает сам первичный преобразователь, но я потерпел полный крах. Ни один прибор из имеющихся под рукой не смог выдать вменяемый результат, было лишь ясно что амплитуда сигнала очень маленькая и лежит в диапазоне мВ.

Было принято решение подключить внешнюю разведку и техническую разведку, чтобы получить ответ на вопрос - какая амплитуда сигнала приходит с датчика. Данные службы сказали, что у наших западных коллег фигурирует информация что амплитуда сигнала от данных первичных преобразователей может быть 2...20 мВ в похожих условиях.

Так как сигнал очень маленький, я решил его предварительно усилить до фильтрации. чисто в учебных целях, чтобы хоть как то его можно было видеть осциллографом, а уже после оптимальной фильтрации до усилить его до необходимого уровня.

Проект усилителя двухкаскадный, первый каскад имеет Кус 10.6 на частоте 40 кГц, второй каскад имеет Кус 20.23 на частоте 40 кГц. Коэффициент усиления по постоянному току равен 1. т.е. если подать на вход сигнал в 10мВ и частотой 40 кГц, то на выходе усилителя будет амплитуда 2.15В при той же частоте сигнала. Далее собираем макет схемы и проверяем ее характеристики при помощи генератора с аттенюатором в 40 дБ и осциллографа. В случае необходимости корректируем параметры.

Если есть дополнительные вопросы по схеме, то я готов ответить на них.

Присоединённое изображение (Нажмите для увеличения)

эт прям диплексер какой то получился....в полосе входное болшое а за пределами полосы нагрузка R/

Это сообщение отредактировал Dik - Feb 25 2014, 08:36 PM

Только один: если схема уже собрана, можно увидеть форму отклика на выходе первого ОУ?

эт прям диплексер какой то получился....в полосе входное болшое а за пределами полосы нагрузка R/

А шо такое депликсер?

Вообще без резистора выход ОУ будет замкнут на землю по постоянному току, что является не самым лучшим режимом работы ОУ. Наверное мона влупить конденсатор разделительный, как перед входом второго каскада. Это мы проверим. Но приведенный вариант тоже работает.

Это сообщение отредактировал Philin05 - Feb 26 2014, 12:40 AM