СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК G01C3/08 G01S17/02 

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

Известны локационные способы измерения дальности до удаленных объектов. Известен способ измерения дальности до цели, включающий посылку на цель лазерного импульса S₀(t, t₀), регистрацию момента посылки t₀, прием отраженного целью излучения S(t, t_D), регистрацию момента приема t_D и определение временного интервала τ=t_D-t₀, по которому судят о дальности D до цели [1] по формуле D=сτ/2, где с - скорость света. Согласно этому способу регистрацию момента приема отраженного сигнала (временную привязку) производят в момент превышения сигналом заданного порога (привязка по фронту сигнала). При таком способе погрешность временной привязки велика - порядка длительности фронта принятого сигнала [2]. Другим недостатком описанного в [1] способа является невысокая точность определения временного интервала τ, поскольку в измерителях первого поколения использовались аналоговые методы измерения временных интервалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S₀(t, t₀) длительностью t_s>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S_0i, зарегистрированной в массиве {S_0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, t_D), его оцифровку путем определения и регистрации массива его выборочных значений {S_j} относительно тактовой последовательности, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t₀ - момент излучения зондирующего сигнала, t_D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S_0i относительно тактовой последовательности, К=t_s/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…J_max - порядковый номер выборки принятого сигнала S_j относительно тактовой последовательности, J_max=2D_max/cT - количество выборок принятого сигнала; D_max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S_0i} и {S_j} производят путем последовательного сдвига массива {S_j} на р=1, 2 …J_max шагов, соответствующих шагу Т тактовой последовательности, и определения на каждом шаге коэффициента корреляции . Значение Р, при котором корреляционная зависимость R(P) принимает максимальное значение, считают соответствующим временному положению принятого сигнала и определяют дальность до цели по формуле D=сРТ/2, где с - скорость света.

При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t, t_D), представленного массивом своих выборочных значений {S_j}, точность измерения дальности определяется дискретностью ячеек дальности d=сТ/2.

Задачей изобретения является повышение точности определения дальности.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения дальности, включающем формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S₀(t, t₀) длительностью t_s>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S_0i, зарегистрированной в массиве {S_0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, t_D), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S_j}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t₀ - момент излучения зондирующего сигнала, t_D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S_0i относительно тактовой последовательности, К=t_s/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…J_max - порядковый номер выборки принятого сигнала S_j относительно тактовой последовательности, J_max=2D_max/cT - количество выборок принятого сигнала, D_max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света, момент генерации зондирующего сигнала синхронизируют с одним из импульсов тактовой последовательности, принимая его за начало отсчета, формируют и регистрируют W≥2 массивов выборочных значений {S_0i}_w зондирующего сигнала, где w=1…W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал δt_w=(w-1)T/W, находят такой сдвиг p=P_w массива {S_j} относительно каждого из массивов {S_0j}_w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R_w(P_w), например минимуму суммарного абсолютного отклонения где р=1, 2, …P_max, Р_mах=2D_max/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности D_max, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R_w(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ΔD₀, где с - скорость света, ΔD₀ - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

Массивы {S_0i}_w можно формировать путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S_0iw с периодом Т.

Массивы {S_0i}_w целесообразно размещать так, чтобы выборки с максимальным значением имели одинаковый порядковый номер во всех массивах.

Для быстрого определения оптимального массива с номером w=Q в массиве {S_j} определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S_0i}_w и принятого {S_j} сигналов путем совмещения выборок, имеющих максимальные значения.

Зондирование цели можно производить многократно, а массив выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции формировать в виде суммы выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S_0i} и {S_j}. Фиг.2 иллюстрирует формирование функции На Фиг.3 показаны зависимости вида и полученные при воздействии шума. Фиг.4 иллюстрирует принцип формирования массивов {S_0i}_w=1 и {S_0i}_w=2. На фиг.5 представлены результаты формирования функций при моделировании реального процесса измерения дальности. Фиг.6 поясняет процесс накопления данных при многократном зондировании.

В момент времени t₀ в направлении цели посылают зондирующий импульс S₀(t, t₀) 1, представленный массивами своих выборочных значений {S_0i}_w. Один из таких массивов 2 показан на фиг.1. Затем принимают отраженный целью импульс S(t, t_D) 3. Момент t₀ излучения зондирующего импульса 1 привязан к тактовой последовательности 4 путем присвоения импульсу тактовой последовательности, совпадающему с моментом t₀, порядкового номера i=0. Тактовые импульсы генерируют с помощью высокостабильного источника с частотой F_T=1/Т, где Т - период следования тактовых импульсов. Массивы {S_0i}_w можно формировать путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S_0iw с периодом Т. Массивы 2 сохраняют в памяти системы и обновляют их в процессе подготовки к измерениям каждый раз, когда это требуется по условиям метрологической калибровки. Принятый сигнал 3 оцифровывают путем определения его выборочных значений S(j) в моменты генерации каждого j-го тактового импульса; нумерация отсчетов S(j) ведется от тактового импульса с номером j=0, совпадающего с моментом t₀. Полученные выборочные значения сохраняют в массиве {S_j} 5, хранящемся в памяти системы. Массивы {S_0i}_w и {S_j} нормируют так, чтобы их выборки с максимальными значениями были равны. При этом минимизируется вредное влияние шумов и динамических искажений на последующую обработку данных. После нормировки формируют для каждого из массивов {S_0i}_w оценочную функцию R(p) 6 путем последовательной генерации чисел р=1, 2, …Р_mах и определения для каждого p величины , или иной функциональной зависимости, отражающей степень совпадения формы переданного и принятого сигналов, содержащейся в массивах {S_0i}_w и {S_j}, где р=1, 2, …, Р_mах - номер ячейки дальности; Р_mах=2D_max/cT - количество ячеек дальности, D_max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света. На фиг.3а) показана зависимость вида (6), а на фиг.3б) - зависимость вида (7). Затем для каждого массива {S_0i}_w определяют номер ячейки Р=p(R_min), соответствующей оптимальному значению критерия (минимальному для зависимости 6 и максимальному для зависимости 7), и номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R_w(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию. Если в массивах {S_0i}_w выборка с максимальным значением находится в одной и той же позиции, то значение Р одинаково для всех массивов, и поиск оптимального массива {S_0i}_w может быть ускорен путем совмещения максимальных выборок {S_j} с максимальными выборками каждого из массивов {S_0i}_w и вычисления R_w(p) при сдвиге p=Р, соответствующем такому совмещению без построения всей кривой R_w(p). После определения оптимальных значений Р и Q вычисляют дальность D до цели по формуле D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ΔD₀, где с - скорость света, W - количество массивов {S_0i}_w, Т - период тактовой частоты, ΔD₀ - поправка, определяемая предварительно при калибровке измерителя на эталонной дистанции.

На фиг.4 представлен пример формирования массивов {S_0i}₁ 8 и {S_0i}₂ 9 при W=2 и, соответственно, при сдвиге выборочных значений второго массива относительно первого на δt_w=(w-1)T/W=δt₂=(2-1)T/2=Т/2. В каждом из этих массивов содержится по восемь выборок зондирующего сигнала, причем выборки с максимальным значением приходятся в обоих случаях на вторую позицию (S₂₁ и S₂₂). На фиг.5а) и 5б) показаны результаты обработки данных при сдвиге сигнала S(t, t_D) 3 на время t_D=8Т (фиг.5а) и t_D=8,5Т (фиг.5б). В обоих случаях сигнал искажен аддитивным нормальным шумом со средним значением, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением σ=0,1 от максимального значения (амплитуды) сигнала S(t). Оценку положения сигнала производят с помощью массивов 8 и 9 путем формирования функции определения позиции Р ее максимума и определения номера массива w=Q с максимальным значением R_w(P). Кривые 10 и 11 построены соответственно с помощью массивов 8 и 9. Аналогично, массивам 8 и 9 соответствуют кривые 12 и 13. На фиг.5а) максимум критерия R_w(P) обеспечивается для функции 10, для которой Q=1, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки t_D сигнала в этом случае составляет t_D=(Р+(Q-1)/W)T=(8+(1-1)/2)Т=8Т. На фиг.5б) максимум критерия R_w(P) обеспечивается для функции 13, для которой Q=2, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки t_D сигнала в этом случае составляет t_D=(8+(2-1)/2)Т=8,5Т. Обе оценки соответствуют истинным значениям задержки.

Таким образом, при использовании двух массивов {S_0i} дискретность определения задержки сигнала уменьшена до Т/2. Аналогично, при увеличении количества W массивов {S_0i} дискретность оценки задержки уменьшается до Т/W.

Практически нет необходимости строить зависимости R_w(p). Достаточно совместить максимальные выборки {S_j} и каждого из массивов {S_0i}_w, определить значения критерия R_w при таком совмещении и определить номер Q массива с наилучшим значением R_w=Q.

Точность измерения дальности может быть значительно увеличена методом накопления [5] за счет увеличения эффективного отношения сигнал/шум путем многократного зондирования цели и формирования массива 14 выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции в виде суммы выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.

Для повышения устойчивости к шумам и помехам можно формировать критерий совпадения массивов в виде функции минимальное значение которой соответствует наилучшему совпадению массивов {S_0i}_w и {S_j}. Из фиг.3 видно, что такая зависимость 6 имеет более острый экстремум по сравнению с корреляционной зависимостью 7. Это снижает вероятность ошибки при воздействии возмущающих воздействий.

Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F_T=25 МГц (тактовый период Т=40 нс, что соответствует дискретности по дальности ΔD=6 м). Количество массивов {S_0i} W=100. Критерий вычисляется в одной точке - в ячейке дальности p=Р, соответствующей совпадению максимальных выборок массивов {S_0i} и {S_j}. Максимальные выборки всех массивов {S_0i}_w находятся во 2-й позиции, а общее количество выборок К=5. Дальномер работает в режиме накопления с частотой зондирований 8000 Гц. Объем накопления N устанавливается автоматически в зависимости от величины отраженного сигнала - от N=128 при сильном сигнале до N=8000 при слабом сигнале. Среднеквадратичная ошибка измерения дальности не превышает 0,06 м. У известных дальномеров ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.

Предлагаемый способ измерения дальности по сравнению с известными способами обеспечивает значительно более точную оценку положения отраженного сигнала по массиву его выборочных значений в условиях воздействия шумов, в том числе при многократном зондировании и накоплении данных. В результате обеспечивается существенное повышение точности определения дальности до цели.

Источники информации

1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский. Вопросы оптической локации. М.: Советское радио, 1971 г., с.176.

2. Е.А.Мелешко. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1977, с.77.

3. United States Patent No 5805468, September 8, 1998, Method and apparatus for determining the light transit time over a measurement path arranged between a measuring apparatus and a reflecting object. - Прототип.

4. B.E.Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977.

5. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

Способ включает формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S₀ длительностью t_s>Т, при этом момент генерации зондирующего сигнала синхронизируют с одним из импульсов тактовой последовательности, принимая его за начало отсчета. Форма зондирующего сигнала соответствует заданной последовательности его выборочных значений S_0i, взятых с интервалом Т, зарегистрированной в массиве {S_0i}. При этом формируют и регистрируют W≥2 массивов выборочных значений {S_0i}_w зондирующего сигнала, где w=1…W - порядковый номер массива, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал δt_w=(w-1)T/W. Осуществляют прием отраженного сигнала S, его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S_j}, находят такой сдвиг р=P_w массива {S_j} относительно каждого из массивов {S_0j}_w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R_w(P_w). Затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R_w(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ΔD₀, где с - скорость света, ΔD₀ - величина, которую определяют путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки. Технический результат заключается в повышении точности определения дальности. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S₀(t, t₀) длительностью t_s>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S_0i, зарегистрированной в массиве {S_0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, t_D), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S_j}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, где t - текущее время, t₀ - момент излучения зондирующего сигнала, t_D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…К - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S_0i относительно тактовой последовательности, К=t_s/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…J_max - порядковый номер выборки принятого сигнала S_j относительно тактовой последовательности, J_max=2D_max/cT - количество выборок принятого сигнала, D_max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света, отличающийся тем, что момент генерации зондирующего сигнала синхронизируют с одним из импульсов тактовой последовательности, принимая его за начало отсчета, формируют и регистрируют W≥2 массивов выборочных значений {S_0i}_w зондирующего сигнала, где w=1…W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-ом массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал δt_w=(w-1)T/W, находят такой сдвиг р=P_w массива {S_j} относительно каждого из массивов {S_0j}_w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R_w(P_w), например, минимуму суммарного абсолютного отклонения ,
где р=1, 2,… Р_mах; Р_mах=2D_max/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности D_max, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R_w(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=c(P+(Q-1)/W)T/2+ΔD₀, где с - скорость света, ΔD₀ - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S_0i}_w формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S_0iw с периодом Т.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S_0i}_w размещают так, чтобы выборки с максимальным значением имели одинаковый порядковый номер во всех массивах.

4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что в массиве {S_j} определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S_0i}_w и принятого {S_j} сигналов путем совмещения выборок, имеющих максимальные значения.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирование цели производят многократно, а массив выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции формируют в виде суммы выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.