СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2015 года по МПК G01S17/58 G01S17/88 G01C3/08 

Предлагаемое 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.

Известен способ определения дальности до удаленного объекта путем зондирования его лазерным импульсом, приема отраженного объектом импульса излучения и определения временного интервала между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного объектом импульса, по которому судят о дальности до объекта [1].

Недостатком этого способа является невозможность измерения скорости цели.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта [2], заключающийся в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных. Согласно указанному способу производят многократное моноимпульсное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов и определения в каждом i-м зондировании временного интервала t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, при каждом зондировании определяют и регистрируют значения моментов текущего времени T_i, в которые производят посылки лазерных импульсов, и измеренных интервалов t_i в серии n зондирований, и определяют скорость объекта по формуле:

где

V - скорость объекта;

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

c - скорость света,

задают момент времени T∗, к которому должен быть привязан отсчет дальности, и определяют значение дальности до объекта в этот момент по формуле:

R∗=R₀+V(T∗-T₁),

где

R∗- результат определения дальности до объекта в момент времени T∗;

Указанная процедура реализуема только на малых и средних высотах полета летательного аппарата, поскольку требует достоверности измерений при каждом зондировании объекта. Портативные измерители дальности и скорости не обладают достаточным энергетическим потенциалом для проведения таких измерений на больших высотах. При большой дальности до объекта величина принимаемого сигнала становится соизмеримой с амплитудой шумов, и прием каждого отраженного импульса с заданной вероятностью становится невозможным. В этом случае измерение скорости по указанному алгоритму приводит к недостоверным результатам.

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

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения дальности и/или скорости, заключающемся в многократном зондировании удаленного объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных, производят пробное зондирование, определяют уровень принятого сигнала S, сравнивают его с пороговым значением S₀, определяемым заданной вероятностью F ложного срабатывания, и если S<S₀, то проводят серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают массив принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока величина накопленного массива не превысит пороговое значение, затем по заранее установленному критерию, например по максимуму коэффициента корреляции накопленного массива принятых реализаций с массивом предварительно оцифрованного зондирующего импульса, определяют порядковый номер P ячейки дальности, к которой относится отраженный сигнал, и определяют дальность R до объекта по формуле R=cPΔt/2, где с - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, а если S>S₀, то отключают режим некогерентного накопления и включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют задержку его приема t_i относительно момента зондирования, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где с - скорость света, и определяют дальность до объекта и его относительную скорость путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R₀, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время; V - оценка скорости; R₀ - оценка дальности до объекта при t=0.

Коэффициент корреляции можно определять по формуле , где j - порядковый номер ячейки дальности; P_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}.

Оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент времени t=0 и скорости объекта V можно формировать по формулам:

где

R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени t=0; V - оценка скорости объекта; R_i=c·t_i/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании; T_i - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R_i; c - 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.

На фиг. 1 представлены реализации сигнала, шума и их смеси при амплитуде сигнала и среднеквадратическом значении шума, равных 1. На фиг. 2 показан массив накопленных данных при N=200. На фиг. 3 изображен график R=Vt+R₀ интерполяции результатов измерений дальности в моноимпульсном режиме.

Отраженный от цели сигнал смешан с шумом фотоприемного тракта, имеющим среднеквадратическое отклонение σ. Смесь сигнал+шум сравнивают с пороговым значением S₀ (фиг. 1). На рисунке условно показан уровень S₀-1,8σ, при котором вероятность его превышения шумом составляет F~0,04. На практике его устанавливают выше - на уровне 5-7σ и более, в зависимости от решаемой задачи, динамического диапазона приемного тракта и характеристик аналого-цифрового анализатора. Если, как показано на фиг. 1, смесь сигнал+шум не превышает уровня S₀, то производят измерение дальности с способом некогерентного накопления [3]. По окончании процесса накопления, то есть по достижении накопленной суммы необходимого значения хотя бы в одной ячейке дальности, анализируют массив накопленных данных, определяя положение накопленного массива относительно временной шкалы по установленному критерию, например по центру тяжести массива [4] или по максимуму корреляционной функции , где j - порядковый номер ячейки дальности; P_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}. Далее определяют дальность R до объекта по формуле R=cPΔt/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) измерениями: V=(R_j-R_j-i)/T. На фиг. 2 представлен результат накопления в содержащих сигнал десяти ячейках дальности при объеме накопления N=200. Индексом показано положение центра тяжести массива.

Если при пробном зондировании смесь сигнал+шум превышает уровень S₀, то измерения проводят в моноимпульсном режиме с интерполяцией результатов измерений [2]. В моменты времени T_i производят измерения дальности. Количество m>2 зондирований определяется заданным периодом обновления информации и требованиями по точности. Оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения и скорости объекта V формируют по формулам:

где

R₀ - оценка дальности до объекта в начальный момент t=0; V - оценка скорости объекта; R_i=c·t_i/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании; T_i - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R_i; c - 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 относительную скорость V определяют путем линейной интерполяции результатов измерений в виде регрессии R(t)=Vt+R₀, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время, отсчитываемое от начального момента. Оценка высоты полета ЛА может быть выдана для любого момента времени t, в том числе для момента окончания серии зондирований T_m. Принцип построения регрессии поясняется графиком фиг. 3. Точками показаны результаты отдельных измерений в серии зондирований.

Данный способ 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 [5, 6]. Тем самым подтверждено выполнение 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». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г. С. 189.

2. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта.

Патент РФ №2378705 - прототип.

3. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов.

Патент РФ №2455615.

4. Способ светолокационного определения дальности. Патент РФ №2390724.

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

6. В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев, А.А. Казаков, Б.К. Рябокуль. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. «Мир измерений» №7, 2010 г.

Изобретение относится к способу определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Способ включает в себя многократное зондирование объекта импульсами лазерного излучения, прием и регистрацию отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, образующим ячейки дальности, и статистическую обработку зарегистрированных данных. При этом производят серию зондирований способом некогерентного накопления, если принятый сигнал меньше порогового значения, которое определяется заданной вероятностью F ложного срабатывания. И если принятый сигал больше порогового значения, то зондирование производят в моноимпульсном режиме измерения дальности и скорости. Технический результат - 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. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения дальности и скорости, заключающийся в многократном зондировании удаленного объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных, отличающийся тем, что производят пробное зондирование, определяют уровень принятого сигнала S, сравнивают его с пороговым значением S₀, определяемым заданной вероятностью F ложного срабатывания, и если S<S₀, то проводят серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают массив принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока величина накопленного массива не превысит пороговое значение, затем по максимуму коэффициента корреляции накопленного массива принятых реализаций с массивом предварительно оцифрованного зондирующего импульса определяют порядковый номер P ячейки дальности, к которой относится отраженный сигнал, и определяют дальность R до объекта по формуле R=cPΔt/2, где с - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, а если S>S₀, то отключают режим некогерентного накопления и включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют задержку его приема t_i относительно момента зондирования, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где с - скорость света, и определяют дальность до объекта и его относительную скорость путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R₀, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время; V - оценка скорости; R₀ - оценка дальности до объекта при t=0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент корреляции определяют по формуле , где j - порядковый номер ячейки дальности; P_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент времени t=0 и скорости объекта V формируют по формулам:

где
R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени t=0;
V - оценка скорости объекта;
R_i=c·t/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;
T_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.