СПОСОБ ВРЕМЕННОЙ ПРИВЯЗКИ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА Российский патент 2012 года по МПК 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 [1], включающий посылку на цель зондирующего лазерного импульса S_L(t-t₀), где t - текущее время, t₀ - момент посылки, 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 по формуле D=cτ/2, где c - скорость света. Согласно этому способу, регистрацию моментов излучения зондирующего импульса и приема отраженного сигнала (временную привязку) производят в момент превышения сигналом заданного порога (привязка по фронту). При таком способе погрешность временной привязки велика - порядка длительности фронта 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 временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t-t_D) к сигналу тактовой частоты, синхронизированному с зондирующим импульсом S_L(t), путем подсчета количества периодов T тактовой частоты от момента излучения зондирующего импульса, заключающийся в формировании массива {S_i} выборочных значений сигнала S(t-t_D), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном {S_Li}, соответствующим зондирующему импульсу [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S_Li} и {S_j} производят путем последовательного сдвига массива {S_i} на p=1, 2,…, I_max шагов, соответствующих периоду T 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=cPT/2, где c - скорость света. Максимальное количество шагов р=I_max соответствует предельной измеряемой дальности D_max и определяется выражением I_max=2D_max/cT.

При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t), представленного массивом своих выборочных значений {S_i}, точность измерения дальности определяется дискретностью тактового сигнала T.

Задачей изобретения является повышение точности определения дальности. Указанная задача решается за счет того, что в известном способе временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t), где t - текущее время, к сигналу тактовой частоты с периодом T, синхронизированному с зондирующим импульсом S_L(t), заключающемся в формировании массива {S_i} выборочных значений сигнала S(t), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса, цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса S_L(t), с периодом T, в результате чего образуют базовый массив {S_Li}₀ выборочных значений зондирующего импульса S_Ti=S_L(i·T), где i=1, …, I - индекс оцифровки; I=t_и/T - количество выборок в массиве {S_Li}₀; t_и - длительность импульса; после этого массив {S_Li}₀ интерполируют гладкой функцией S_L*(t), а затем формируют массивы {S_Li}_w, где w=1, 2, …, W, образуемые по формуле S_Liw=S_L*(t_iw), где t_iw=(w-1)T/W+(i-1)T, причем при формировании массива {S_Li}₀ начало отсчета времени t=0 выбирают так, чтобы на период от этого момента до вершины зондирующего импульса приходилось не менее чем два периода T тактовой частоты, количество W дополнительных массивов выбирают из условия 2≤W≤T/Δ_T, где Δ_T - неустранимая аппаратурная погрешность временной привязки, а в процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из массивов {S_Li}_w в результате чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку T_t временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала S(t), по формуле T_t=ΔN·T, где ΔN=(w*-1)/W, T - период тактовой частоты.

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S_Li} и {S_i}. Фиг.2 иллюстрирует принцип формирования массивов {S_Li}_w=1 и {S_Li}_w=w. На фиг.3а) и б) приведены результаты представления функции S_L*(t) соответственно кубическими сплайнами и по методу наименьших квадратов.

В момент времени t=0 в направлении цели посылают зондирующий импульс S_L(t) 1, представленный массивами своих выборочных значений {S_Li}_w. Один из таких массивов 2 показан на фиг.1. Момент t=0 излучения зондирующего импульса 1 привязан к тактовой последовательности 4 путем присвоения импульсу тактовой последовательности, совпадающему с моментом t=0, порядкового номера i=0. Тактовые импульсы генерируют с помощью высокостабильного источника с частотой F_T=1/T, где T - период следования тактовых импульсов.

После излучения зондирующего импульса принимают отраженный целью импульс S(t) 3 и производят его оцифровку с периодом тактовой частоты T. Результаты оцифровки сохраняют в массиве {S_i} 5, который затем сравнивают с каждым из массивов {S_Li}_w, образуемых следующим образом.

Базовый массив {S_Li}₁ 6 формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала 1, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала 1, его преобразовании в электрический сигнал, выделении и регистрации его выборочных значений 6 с периодом T, как это показано на фиг.2а). Вслед за этим производят интерполяцию массива {S_Li}₀ гладкой функцией S_L*(t). Эта функция 7 показана на фиг.2. Построив функцию S_L*(t), формируют W массивов ее выборочных значений 2. Каждый из этих массивов образуют по формуле

; .

Формирование шаблона в виде W массивов, формируемых по формуле (1), и осуществление временной привязки массива {S_i} путем его поочередного сравнения с каждым из этих массивов {S_Li}_w дает возможность уменьшить дискретность измерения дальности в W раз, поскольку результаты такого сравнения зависят от порядкового номера массива {S_Li}_w. Благодаря этому существенно повышается точность измерения без увеличения тактовой частоты F_T.

Рассмотренный способ формирования шаблона позволяет произвести оцифровку зондирующего сигнала стандартными техническими средствами без увеличения тактовой частоты и без необходимости многократных пробных зондирований с введением сдвига оцифровки t_w=wT/W при каждом таком зондировании. Это позволяет исключить аппаратные ошибки формирования шаблона, связанные с погрешностью задания сдвига t_w, неоднозначностью воспроизведения амплитуды и формы сигнала при каждом пробном зондировании, воздействии помех и других факторов, присущих аналого-цифровой обработке. На фиг.3 показаны примеры интерполяции зондирующего сигнала S_L(t) 1, представленного массивом своих выборочных значений {S_Li}₀ 6, с помощью кубических сплайнов (кривая 9) и аппроксимации по методу наименьших квадратов (кривая 11) [4]. Ошибки аппроксимации показаны на тех же графиках в масштабе 50:1 - кривая 10 при сплайн-интерполяции и кривые 12, 13 - при аппроксимации полиномами соответственно степени 7 и 9. При любом из указанных методов аппроксимации предлагаемый способ при оцифровке массивов {S_Li}_w обеспечивает погрешность порядка 0,1% и менее. Такая точность недостижима при непосредственном аналого-цифровом преобразовании зондирующего сигнала.

Данный способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F_T=25 МГц (тактовый период T=40 нс, что соответствует дискретности по дальности ΔD=6 м). Количество массивов W=100. Общее количество выборок в каждом массиве {S_Li}_w K=5. Среднеквадратичная ошибка измерения дальности не превышает 0,06 м и определяется неустранимой аппаратурной погрешностью временной привязки. У известных дальномеров ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.

Предлагаемый способ 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. И.Н.Бронштейн, K.A.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986 г.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения дальности до цели. Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала к сигналу тактовой частоты, синхронизированному с зондирующим импульсом, заключается в формировании массива выборочных значений сигнала и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса. Цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса, в результате чего образуют базовый массив выборочных значений зондирующего импульса; после этого массив интерполируют гладкой функцией, а затем формируют дополнительные массивы. В процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из дополнительных массивов, в результате чего формируют оценки, характеризующие близость базового и дополнительных массивов, например, в виде суммарного абсолютного отклонения, определяют порядковый номер, при котором оценка в наибольшей степени характеризует близость массивов, и формируют поправку временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала. 3 ил.

Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t), где t - текущее время, к сигналу тактовой частоты с периодом Т, синхронизированному с зондирующим импульсом S_L(t), заключающийся в формировании массива {S_i} выборочных значений сигнала S(t) с периодом выборок Т и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса, отличающийся тем, что цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса S_L(t) с периодом Т, в результате чего образуют базовый массив {S_Li}₀ выборочных значений зондирующего импульса S_Ti=S_L(i·T), где i=1, …, I - индекс оцифровки; I=t_и/T - количество выборок в массиве {S_Li}₀; t_и - длительность импульса; после этого массив {S_Li}₀ интерполируют гладкой функцией S_L*(t), а затем формируют массивы {S_Li}_w, где w=1, 2, …, W, образуемые по формуле S_Liw=S_L*(t_iw), где t_iw=(w-1)T/W+(i-1)T, причем при формировании массива {S_Li}₀ начало отсчета времени t=0 выбирают так, чтобы на период от этого момента до вершины зондирующего импульса приходилось не менее чем два периода Т тактовой частоты, количество W дополнительных массивов выбирают из условия 2≤W≤T/Δ_T, где Δ_T - неустранимая аппаратурная погрешность временной привязки, а в процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из массивов {S_Li}_w, в результате чего формируют W оценок R_w=R({S_1i}_w, {S_2i}), характеризующих близость массивов {S_1i)_w и {S_2i}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R_w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S_1i}_w и {S_2i}, и формируют поправку Т_t временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала S(t), по формуле T_t=ΔN·T, где ΔN=(w*-1)/W, Т - период тактовой частоты.