ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР Российский патент 2015 года по МПК G01C3/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо определить скорость движущегося объекта и расстояние до него, в частности для контроля рельефа подстилающей поверхности и управления режимом посадки летательного аппарата (ЛА).

Известен лазерный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель дальности на основе измерителя временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами [1].

Недостатком этого дальномера является недостаточная дальность действия при использовании в качестве передатчика полупроводникового лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер с некогерентным накоплением отраженного сигнала [2], содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности.

Данное устройство позволяет проводить измерения значительных высот [4], но не обладает возможностью измерения вертикальной составляющей скорости ЛА в режимах его взлета и посадки.

Задачей изобретения является обеспечение измерений с борта летательного аппарата его высоты и вертикальной составляющей скорости как в стационарном полете, так и в при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения.

Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности, на выходе приемника введен коммутатор, первый выход которого соединен со входом многоканального накопителя, а на втором выходе коммутатора введены последовательно включенные блок временной фиксации и блок интерполяции, связанный с тактовым генератором, а между управляющим входом коммутатора и выходами измерителя дальности и блока интерполяции введен блок переключения режимов.

На фиг. 1 представлена схема дальномера-скоростемера, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит передатчик 1 и приемник 2, подключенный к коммутатору 3 с двумя выходами. На одном из выходов коммутатора включен многоканальный накопитель 4, связанный с измерителем дальности 5. Между выходом измерителя дальности и управляющим входом коммутатора включен блок переключения режимов 6, связанный также с блоком управления 7. На втором выходе коммутатора 3 включен блок временной фиксации 8, связанный с блоком интерполяции 9. Блок интерполяции и измеритель дальности синхронизируются времязадающим тактовым генератором 10.

В начале процесса измерений высоты и дальности летательного аппарата по команде с блока управления 7 коммутатор 3 переключает выход приемника 2 на вход блока временной фиксации 8, и блок интерполяции вычисляет вертикальную скорость и высоту ЛА. В моменты времени Т_i производят серию измерений дальности в моноимпульсном режиме. Количество m зондирований определяется заданным периодом обновления информации и требованиями по точности. Оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения и скорости объекта V формируются в блоке интерполяции 9 по формулам

где

R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;

V - оценка скорости объекта;

R_i=с·t_i/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;

Т_i - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R_i;

с - скорость света;

m - количество замеров дальности в серии;

t_i - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.

Дальность до объекта R и его относительная скорость V определяются в блоке интерполяции 9 путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R₀, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время, отсчитываемое от начала серии зондирований; V - оценка скорости; R₀ - оценка дальности до объекта при t=0. Оценка дальности может быть определена для любого момента времени t, в том числе для момента окончания серии зондирований t=T_m. Эта оценка подается на вход блока переключения режимов 6.

Если в какой-то момент измеренное значение R начинает превышать заданную величину R_max, то блок переключения режимов 6 переключает выход коммутатора 3 на вход многоканального накопителя 4, синхронизируемого тактовым генератором 10, и производится серия зондирований цели по методу некогерентного накопления [2]. По окончании процесса накопления, то есть по достижении накопленной суммой необходимого уровня хотя бы в одной ячейке дальности, измеритель дальности анализирует массив накопленных данных, определяя положение накопленного массива относительно временной шкалы по установленному критерию [2], например по максимуму корреляционной функции $$W\left(p\right)={\displaystyle \sum _{j=1}^{P_{\max }}{S}_{0j}}\cdot S_{j+p}$$ , где j - порядковый номер ячейки дальности; Р_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; р - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}. Затем измеритель дальности 5 определяет дальность R по формуле R=сРΔt/2, где с - скорость света; Р - номер ячейки дальности, соответствующий положению накопленного массива; Δt - длительность тактового интервала. Вертикальная составляющая скорости V в этом случае может быть определена как относительное приращение высоты R за период Т между j-м и (j-1)-м измерениями V=(R_j-R_j-1)/T.

Если измеренная дальность R больше предварительно заданного значения R_max, определяемого полетным заданием летательного аппарата, то измерения продолжаются в описанном режиме. При посадке летательного аппарата, то есть когда R<R₀, блок переключения режимов переключает коммутатор на выход, связанный с блоком временной фиксации, и измерения проводятся в описанном выше моноимпульсном режиме.

Данное изобретение позволяет:

- увеличить измеряемую высоту летательного аппарата до 1000-2000 м;

- уменьшить минимальную измеряемую высоту до 2 м;

- обеспечить минимальный период обновления информации порядка 1 с на больших высотах и до 0,1 с - на малых;

- обеспечить минимальную ошибку измерения скорости 0,01-0,1 м/с в зависимости от длительности серии зондирований и количества замеров в серии;

- интерполировать результаты к любому моменту периода измерений или экстраполировать их на заданное время вперед.

Эти выводы подтверждены испытаниями макетных образцов высотомера-скоростемера [4, 5]. Тем самым подтверждено решение поставленной задачи - обеспечение измерений с борта летательного аппарата его высоты и вертикальной составляющей скорости как в стационарном полете, так и при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения.

Источники информации

1. В.А. Смирнов. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Советское радио, 1973, с. 189.

2. В.Г. Вильнер и др. Оценка возможностей светолокационного измерителя дальности с накоплением // Фотоника, 2007, №6, с. 22-26 - прототип.

3. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта. Патент РФ №2378705.

4. Малогабаритный лазерный высотомер ДЛ-5М // Фотоника, №3, 2013, с. 55.

5. В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера // Мир измерений, №7, 2010, с. 17-21.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо определить скорость движущегося объекта и расстояние до него, в частности для автоматического определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Лазерный дальномер содержит лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности. При этом на выходе приемника введен коммутатор. Первый выход коммутатора соединен со входом многоканального накопителя, а на втором выходе коммутатора введены последовательно включенные блок временной фиксации и блок интерполяции, связанный с тактовым генератором. Между выходом измерителя дальности и управляющим входом коммутатора введен блок переключения режимов. Технический результат заключается в обеспечении измерений с борта летательного аппарата его высоты и вертикальной составляющей скорости как в стационарном полете, так и в при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения. 1 ил.

Лазерный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности, отличающийся тем, что на выходе приемника введен коммутатор, первый выход которого соединен со входом многоканального накопителя, а на втором выходе коммутатора введены последовательно включенные блок временной фиксации и блок интерполяции, связанный с тактовым генератором, а между управляющим входом коммутатора и выходами измерителя дальности и блока интерполяции введен блок переключения режимов.