СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2010 года по МПК G01C3/08 G01S17/88 

Описание патента на изобретение RU2390724C2

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной импульсной локационной дальнометрии.

Известен способ светолокационного определения дальности [1]. Указанный способ заключается в том, что посылают на цель лазерный зондирующий импульс, принимают отраженный целью сигнал и определяют временной интервал между зондирующим и отраженным импульсами, по которому судят о дальности до цели. Этот способ не позволяет обеспечить необходимую дальность действия при использовании полупроводниковых лазеров, предпочтительных для портативной аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления, включающий серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели [2].

В указанном способе осуществляется процедура цифрового некогерентного накопления [3], реализующая метод статистической проверки гипотез [4]. Недостатком этого способа является необходимость в большом объеме быстродействующей цифровой регистрирующей аппаратуры, требуемой для его реализации. Так, при ширине дискреты времени ΔT=6,667 нс, что соответствует дискретности по дальности 1 м, тактовая частота дискретизации должна составлять 1/ΔТ=150 МГц, а количество статистически независимых каналов накопления К=2Rmax/cΔT, где Rmax - диапазон измеряемых дальностей; с - скорость света. Например, для приведенного примера при Rmax=5 км К=5000. Кроме того, в описанном способе длительность сигнала должна соответствовать длительности временной дискреты, что ограничивает энергию зондирующего сигнала, а следовательно, и максимальную измеряемую дальность.

Задачей изобретения является увеличение максимальной измеряемой дальности и точности измерения дальности без увеличения требуемой тактовой частоты и количества независимых каналов накопления с целью создания портативной аппаратуры с высокой дальностью действия.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления, включающем серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели, в каждом цикле зондирования лазерный зондирующий импульс излучают в течение длительности нескольких дискрет времени, по окончании накопления выделяют дискрету времени, в которой накопленная сумма максимальна, определяют задержку Т отраженного целью сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса как первый начальный момент массива накопленных сумм в окрестности выделенной дискреты времени и по этой задержке определяют дальность до цели R по формуле R=с(Т-То)/2, где с - скорость света, То - аппаратурная константа.

Количество дискрет времени в окрестности выделенной дискреты слева и справа от нее может соответствовать длительности переднего и заднего фронтов лазерного зондирующего импульса. При этом эффективность накопления, то есть степень улучшения отношения сигнал/шум, близка к максимальному значению.

Длительность дискреты времени устанавливают в пределах от 0,1 до 0,5 от длительности лазерного зондирующего импульса по уровню 0,1. При меньшей длительности дискреты повышаются требования к объему и быстродействию аппаратуры, а при большей утрачиваются преимущества предлагаемого способа.

На фиг.1а и 1б приведены примеры заполнения массива данных после накопления соответственно при отношении сигнал/шум 1 и 10.

На фиг.2 показаны два примера заполнения массива данных при отсутствии сигнала.

Проведен анализ предлагаемого способа для режима двухуровневого накопления при следующих исходных данных.

Объем накопления N=200 циклов.

Отношение амплитуды сигнала к величине среднеквадратического отклонения σ шума от 1 до 200.

Уровни первого и второго аналоговых порогов соответственно равны +σ и -σ.

Длительность сигнала по основанию tи=6ΔТ.

Длительность переднего фронта сигнала tфр=2ΔТ.

Задержку отраженного сигнала Тз определяют по формуле первого начального момента [5], в общем случае с весовыми коэффициентами при значениях накопленных сумм

где

j - номер временной дискреты, в которой накопленная сумма максимальна;

К(а) - накопленная сумма в (а)-й дискрете;

k(а) - весовой коэффициент (а)-й дискреты;

m=tфр/ΔТ - количество дискрет, соответствующих длительности переднего фронта лазерного импульса;

tфр - длительность переднего фронта лазерного импульса;

q=tи/ΔT - количество дискрет, соответствующих длительности импульса;

tи - длительность лазерного импульса;

р - поправочное число, характеризующее точку временной привязки сигнала;

ΔT - длительность дискреты.

В рассмотренном варианте длина анализируемого массива принята равной длительности импульса, то есть 6 дискретам, весовые коэффициенты дискрет k(а)=1, поправочное число р=3. Длительность дискреты условно принята равной ΔT=1. Таким образом, оценка задержки импульса проводится в соответствии с алгоритмом

В рассмотренном примере ΔT=1 численно соответствует дискрете дальности 1 м, поэтому оценка задержки Тз≡R, где ≡ - знак численного равенства, R - оценка дальности. Оценку дальности формируют по формуле R=сТз/2, где с - скорость света.

Как следует из фиг.1а и 1б, оценка задержки принимаемого сигнала по предлагаемому способу (показана индексом на временной оси) примерно соответствует максимуму сигнала и сохраняет свое положение в широком диапазоне амплитуд принимаемого сигнала (при отношении сигнал/шум от порогового до уровня переполнения сумматоров в каналах накопителя).

На фиг.2 показаны примеры заполнения накопителя в отсутствие сигнала, когда суммы, накопленные в дискретах дальности, не превышают порогового значения 20-25. Учитывая, что при отношении сигнал/шум = 1, максимальная накопленная сумма равна 140, в этом случае имеется запас по амплитуде около 6 раз, т.е. пороговое отношение сигнал/шум на входе накопителя составляет 0,15. При этом, как показало моделирование, среднеквадратическая ошибка оценки задержки не превышает 0,4 дискреты при асинхронном старте (когда момент излучения зондирующего лазерного импульса не привязан к тактовой частоте дискретизации) и не превышает 0,25 дискреты при синхронном старте, когда зондирующий импульс излучают при поступлении очередного тактового импульса. Это позволяет производить измерения при меньшей тактовой частоте по сравнению с известными решениями.

По сравнению со способами светолокационного определения дальности, в которых длительность зондирующего импульса соответствует длительности временной дискреты, предлагаемый способ позволяет в несколько раз увеличить эффективно используемую энергию зондирующего лазерного импульса, увеличивая ее за счет существенного увеличения длительности импульса. В рассмотренном выше примере это позволяет увеличить эффективное отношение сигнал/шум примерно в два раза, благодаря чему реально измеряемая дальность возрастет в 1,3-1,5 раза.

Таким образом, предлагаемый способ светолокационного измерения дальности позволяет увеличить максимальную измеряемую дальность и точность измерения дальности без увеличения требуемой тактовой частоты и количества независимых каналов накопления, что позволяет создать портативную аппаратуру с высокой дальностью действия.

Источники информации

1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский «Вопросы оптической локации». Изд. «Советское радио», М., 1971 г., стр.177.

2. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof - прототип.

3. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». Изд. «Радио и связь», М., 1981 г., стр.81-83.

4. В.Е.Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». Изд. «Высшая школа», М., 1977 г., стр.281.

5. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов», Изд. «Наука», М., 1986 г., стр.446.

Похожие патенты RU2390724C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ 2007
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Рудь Евгений Леонидович
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2359227C1
СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ 2007
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Рудь Евгений Леонидович
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2359228C1
СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА 2007
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Вильнер Ирина Вольфовна
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Дубинин Владимир Иванович
  • Значко Константин Витальевич
  • Рудь Евгений Леонидович
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2352903C1
СПОСОБ НЕКОГЕРЕНТНОГО НАКОПЛЕНИЯ СВЕТОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ 2011
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Игнатьев Дмитрий Игоревич
  • Казаков Александр Аполлонович
  • Рябокуль Артем Сергеевич
RU2455615C1
СПОСОБ НЕКОГЕРЕНТНОГО НАКОПЛЕНИЯ СВЕТОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ 2007
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Игнатьев Игорь Иванович
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2359226C1
УСТРОЙСТВО ВРЕМЕННОЙ ПРИВЯЗКИ ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА 2007
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Вильнер Ирина Вольфовна
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Рудь Евгений Леонидович
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2341770C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 2014
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Игнатьев Дмитрий Игоревич
  • Рябокуль Борис Кириллович
  • Седов Виталий Анатольевич
  • Турикова Галина Владимировна
RU2558694C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА 2014
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Ларюшин Александр Иванович
  • Рябокуль Артем Сергеевич
RU2562148C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ 2011
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2451904C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ 2011
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Волобуев Владимир Георгиевич
  • Рябокуль Борис Кириллович
RU2469269C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 390 724 C2

Реферат патента 2010 года СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной импульсной локационной дальнометрии. Способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления включает в себя серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс. После излучения зондирующего импульса квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс и вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума. Формируют соответствующее гипотезе число и накапливают формируемые числа в виде сумм для каждой дискреты времени. По завершении накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели. Заявленное техническое решение направлено на увеличение максимальной дальности и точности измерения дальности без увеличения требуемой тактовой частоты и количества независимых каналов накопления с целью создания портативной аппаратуры в высокой дальностью действия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 390 724 C2

1. Способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления, включающий серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели, отличающийся тем, что в каждом цикле зондирования лазерный зондирующий импульс излучают в течение длительности нескольких дискрет времени, по окончании накопления выделяют дискрету времени, в которой накопленная сумма максимальна, определяют задержку Т отраженного целью сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса как первый начальный момент массива накопленных сумм в окрестности выделенной дискреты времени и по этой задержке определяют дальность до цели R по формуле R=c(T-To)/2, где с - скорость света; То - аппаратурная константа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество дискрет времени в окрестности выделенной дискреты слева и справа от нее соответствует длительности переднего и заднего фронтов лазерного зондирующего импульса.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность дискреты времени устанавливают в пределах от 0,1 до 0,5 от длительности лазерного зондирующего импульса по уровню 0,1.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2390724C2

ВИЛЬНЕР В.Г
и др
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ИМПУЛЬСНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ДАЛЬНОСТИ С НАКОПЛЕНИЕМ
- ФОТОНИКА, 6/2007, с.22-26
ШИРМАН Я.Д
и др
ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ФОНЕ ПОМЕХ
- М.: РАДИО И СВЯЗЬ, 1981, с.81-83
US 2005134832 A1, 23.06.2005
US 6188843 B1, 13.02.2001.

RU 2 390 724 C2

Авторы

Вильнер Валерий Григорьевич

Волобуев Владимир Георгиевич

Рудь Евгений Леонидович

Рябокуль Борис Кириллович

Подставкина Маргарита Викторовна

Седова Надежда Валентиновна

Даты

2010-05-27Публикация

2007-10-10Подача