СПОСОБ ОЦЕНКИ 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 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 как 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 удаленного объекта, заключающемся 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, производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают выборки принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока накопленная величина 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 c - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют время его приема t_i, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где c - 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, соответствующая t=0, при этом высоту R_min при определении высоты летательного аппарата в процессе его посадки выбирают из условия

h₂+Ltgθ+h_г<R_min<R_D,

где h₂ - высота конечной точки глиссады;

L - протяженность глиссады вдоль посадочной полосы;

θ - угол наклона глиссады;

h_г - вертикальное расстояние между высотомером и глиссадой;

R_D - максимальная высота, на которой вероятность достоверного измерения D в моноимпульсном режиме измерений удовлетворяет заданным требованиям.

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 измерения T₁ и скорости объекта V можно формировать по формулам:

,

,

где R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;

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 представлена схема посадки летательного аппарата по самолетному с аэрофинишером [4].

При посадке ЛА по-самолетному с аэрофинишером справедливы следующие соотношения

R_min=h₂+Ltgθ+h_г,

где R_min - высота ЛА над посадочной полосой в начале посадочной траектории;

h₂ - высота троса аэрофинишера над посадочной полосой;

L - протяженность посадочного участка;

θ - угол наклона глиссады;

h_г - длина поводка с гаком.

Например, при h₂=2 м; L=200 м; θ=10°; h_г=2 м минимальная измеряемая высота R_min ~ 40 м.

Характеристики дальномера-высотомера, реализующего предлагаемый способ, а также условий проведения измерений приведены в таблице.

Характеристики дальномера-высотомера Требование Габариты цели, м >5×5 Коэффициент яркости цели, ρ 0,2 Метеорологическая дальность видимости W, км >10 Вероятность достоверного измерения дальности 0,9 Рабочая длина волны λ, нм 900 Реальная чувствительность приемного тракта E_min, фДж 0,3 Мощность лазерного излучения на выходе дальномера P₀, Вт 30 Длительность импульса лазерного излучения t_и, нс 100 Частота лазерных излучений F, 1/с 8000 Расходимость зондирующего пучка излучения ψ, мрад <5 Коэффициент пропускания объектива приемного канала дальномера, τ₀ 0,9 Диаметр объектива приемного канала D_пр, мм 18 Частота обновления информации при высоте >200 м, 1/с 10 Частота обновления информации при высоте <200 м, 1/с 50

Заданная дальность действия 40 м обеспечивается при соблюдении неравенства, определяемого уравнением лазерной локации [1] при условии согласования полей излучателя и приемника:

,

где E_min - минимальная принимаемая с заданной вероятностью энергия сигнала, обеспечиваемая чувствительностью фотоприемного устройства (реальная чувствительность);

E_пр - энергия сигнала, поступающего на рабочую площадку чувствительного элемента ФПУ;

E_o=P₀ t_и - энергия зондирующего сигнала;

P₀ - мощность зондирующего сигнала;

t_и - длительность зондирующего сигнала;

- коэффициент энергетического перекрытия зондирующего пучка целью (коэффициент использования излучения); при зондировании подстилающей поверхности с малых высот K=ρ;

ρ(x, y) - пространственное распределение коэффициента яркости цели;

Ψ(x, y) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка;

ρ - средний коэффициент яркости цели;

D_пр - диаметр приемного объектива;

- коэффициент пропускания атмосферы на трассе;

µ - показатель ослабления;

τ_o - коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера;

R - дальность до цели.

На малых высотах при W>10 км пропускание атмосферы τ_а=1.

При указанных выше исходных данных и высоте R_min=200 м величина поступающего на приемник сигнала E_пр=1,1 фДж с большим запасом превышает E_min=0,3 фДж, значит измерения высоты могут производиться с высокой достоверностью.

В соответствии с приведенным уравнением лазерной локации высота R_D, на которой E_пр=E_min, для приведенных условий составляет

R_D=R_min[E_пр(R_min)/E_min]^½=200·(1,1/0,3)^½=383 м.

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 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». 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 посадки беспилотного самолета на аэрофинишер. Патент РФ №2399560.

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.

Способ определения дальности и скорости удаленного объекта заключается в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты и статистической обработке зарегистрированных данных. При этом производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления и определяют дальность R до объекта, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости. Технический результат изобретения заключается в обеспечении 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, 1 ил., 1 табл.

1. Способ определения дальности и скорости удаленного объекта, 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, отличающийся тем, что производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают выборки принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока накопленная величина 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 c - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют время его приема t_i, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где c - 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, соответствующая t=0, при этом высоту R_min при определении высоты летательного аппарата в процессе его посадки выбирают из условия
,
где h₂ - высота конечной точки глиссады;
L - протяженность глиссады вдоль посадочной полосы;
θ - угол наклона глиссады;
h_r - вертикальное расстояние между высотомером и глиссадой;
R_D - максимальная высота, на которой вероятность достоверного измерения D в моноимпульсном режиме измерений удовлетворяет заданным требованиям.

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; р - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения T₁ и скорости объекта V формируют по формулам
,
,
где R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;
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.