способ измерения дальности

Классы МПК:G01C3/08 с использованием детекторов излучения 
G01S17/02 системы с использованием отражения электромагнитных волн, иных чем радиоволны
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-01-18
публикация патента:

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 S0i , взятых с интервалом Т, зарегистрированной в массиве {S 0i}. При этом формируют и регистрируют Wспособ измерения дальности, патент № 2451904 2 массивов выборочных значений {S0i}w зондирующего сигнала, где w=1способ измерения дальности, патент № 2451904 W - порядковый номер массива, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал способ измерения дальности, патент № 2451904 tw=(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=Pw массива {S j} относительно каждого из массивов {S0j} w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию Rw(P w). Затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+способ измерения дальности, патент № 2451904 D0, где с - скорость света, способ измерения дальности, патент № 2451904 D0 - 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. способ измерения дальности, патент № 2451904

способ измерения дальности, патент № 2451904 способ измерения дальности, патент № 2451904 способ измерения дальности, патент № 2451904 способ измерения дальности, патент № 2451904 способ измерения дальности, патент № 2451904 способ измерения дальности, патент № 2451904

Формула изобретения

1. Способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S0(t, t 0) длительностью ts>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i , зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {Sj}, 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, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1способ измерения дальности, патент № 2451904 К - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=ts /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1способ измерения дальности, патент № 2451904 Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, J max=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала, Dmax - 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 Wспособ измерения дальности, патент № 2451904 2 массивов выборочных значений {S0i}w зондирующего сигнала, где w=1способ измерения дальности, патент № 2451904 W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-ом массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал способ измерения дальности, патент № 2451904 tw=(w-1)T/W, находят такой сдвиг р=Pw массива {Sj} относительно каждого из массивов {S 0j}w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию Rw (Pw), например, минимуму суммарного абсолютного отклонения способ измерения дальности, патент № 2451904 ,

где р=1, 2,способ измерения дальности, патент № 2451904 Рmах; Рmах=2Dmax/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности Dmax, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=c(P+(Q-1)/W)T/2+способ измерения дальности, патент № 2451904 D0, где с - скорость света, способ измерения дальности, патент № 2451904 D0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S0i}w формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S0iw с периодом Т.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S0i}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 {Sj} определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S0i} w и принятого {Sj} 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 способ измерения дальности, патент № 2451904 выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.

Описание изобретения к патенту

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, tD ), регистрацию момента приема tD и определение временного интервала способ измерения дальности, патент № 2451904 =tD-t0, по которому судят о дальности D до цели [1] по формуле D=сспособ измерения дальности, патент № 2451904 /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 способ измерения дальности, патент № 2451904 , 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 ts>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i, зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации массива его выборочных значений {Sj} 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, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1способ измерения дальности, патент № 2451904 K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=ts /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1способ измерения дальности, патент № 2451904 Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, J max=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала; Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S0i} и {Sj} производят путем последовательного сдвига массива {Sj} на р=1, 2 способ измерения дальности, патент № 2451904 Jmax шагов, соответствующих шагу Т тактовой последовательности, и определения на каждом шаге коэффициента корреляции способ измерения дальности, патент № 2451904 . 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 {Sj}, 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 ts >T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i, зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {Sj}, 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, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1способ измерения дальности, патент № 2451904 K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=ts /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1способ измерения дальности, патент № 2451904 Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, J max=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала, Dmax - 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 Wспособ измерения дальности, патент № 2451904 2 массивов выборочных значений {S0i}w зондирующего сигнала, где w=1способ измерения дальности, патент № 2451904 W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал способ измерения дальности, патент № 2451904 tw=(w-1)T/W, находят такой сдвиг p=Pw массива {Sj} относительно каждого из массивов {S 0j}w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию Rw (Pw), например минимуму суммарного абсолютного отклонения способ измерения дальности, патент № 2451904 где р=1, 2, способ измерения дальности, патент № 2451904 Pmax, Рmах=2Dmax/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности Dmax, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+способ измерения дальности, патент № 2451904 D0, где с - скорость света, способ измерения дальности, патент № 2451904 D0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

Массивы {S0i }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 S0iw с периодом Т.

Массивы {S0i}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 {S0i }w и принятого {Sj} 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 способ измерения дальности, патент № 2451904 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 {S0i} и {Sj}. Фиг.2 иллюстрирует формирование функции способ измерения дальности, патент № 2451904 На Фиг.3 показаны зависимости вида способ измерения дальности, патент № 2451904 и способ измерения дальности, патент № 2451904 полученные при воздействии шума. Фиг.4 иллюстрирует принцип формирования массивов {S0i}w=1 и {S 0i}w=2. На фиг.5 представлены результаты формирования функций способ измерения дальности, патент № 2451904 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, tD) 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 FT=1/Т, где Т - период следования тактовых импульсов. Массивы {S0i}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 S0iw 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 {Sj} 5, хранящемся в памяти системы. Массивы {S0i}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 {S0i}w оценочную функцию R(p) 6 путем последовательной генерации чисел р=1, 2, способ измерения дальности, патент № 2451904 Рmах и определения для каждого p величины способ измерения дальности, патент № 2451904 , способ измерения дальности, патент № 2451904 или иной функциональной зависимости, отражающей степень совпадения формы переданного и принятого сигналов, содержащейся в массивах {S0i}w и {Sj}, где р=1, 2, способ измерения дальности, патент № 2451904 , Рmах - номер ячейки дальности; Рmах =2Dmax/cT - количество ячеек дальности, Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света. На фиг.3а) показана зависимость вида способ измерения дальности, патент № 2451904 (6), а на фиг.3б) - зависимость вида способ измерения дальности, патент № 2451904 (7). Затем для каждого массива {S0i}w определяют номер ячейки Р=p(Rmin), 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 Rw (p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию. Если в массивах {S0i}w выборка с максимальным значением находится в одной и той же позиции, то значение Р одинаково для всех массивов, и поиск оптимального массива {S0i }w может быть ускорен путем совмещения максимальных выборок {Sj} с максимальными выборками каждого из массивов {S0i}w и вычисления Rw (p) при сдвиге p=Р, соответствующем такому совмещению без построения всей кривой Rw(p). После определения оптимальных значений Р и Q вычисляют дальность D до цели по формуле D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+способ измерения дальности, патент № 2451904 D0, где с - скорость света, W - количество массивов {S0i}w, Т - период тактовой частоты, способ измерения дальности, патент № 2451904 D0 - поправка, определяемая предварительно при калибровке измерителя на эталонной дистанции.

На фиг.4 представлен пример формирования массивов {S0i }1 8 и {S0i}2 9 при W=2 и, соответственно, при сдвиге выборочных значений второго массива относительно первого на способ измерения дальности, патент № 2451904 tw=(w-1)T/W=способ измерения дальности, патент № 2451904 t2=(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 (S 21 и S22). На фиг.5а) и 5б) показаны результаты обработки данных при сдвиге сигнала S(t, tD) 3 на время tD=8Т (фиг.5а) и tD=8,5Т (фиг.5б). В обоих случаях сигнал искажен аддитивным нормальным шумом со средним значением, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением способ измерения дальности, патент № 2451904 =0,1 от максимального значения (амплитуды) сигнала S(t). Оценку положения сигнала производят с помощью массивов 8 и 9 путем формирования функции способ измерения дальности, патент № 2451904 определения позиции Р ее максимума и определения номера массива w=Q с максимальным значением Rw(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 Rw(P) обеспечивается для функции 10, для которой Q=1, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки tD сигнала в этом случае составляет tD=(Р+(Q-1)/W)T=(8+(1-1)/2)Т=8Т. На фиг.5б) максимум критерия Rw(P) обеспечивается для функции 13, для которой Q=2, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки tD 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 {S0i} дискретность определения задержки сигнала уменьшена до Т/2. Аналогично, при увеличении количества W массивов {S0i} дискретность оценки задержки уменьшается до Т/W.

Практически нет необходимости строить зависимости Rw(p). Достаточно совместить максимальные выборки {Sj} и каждого из массивов {S0i }w, определить значения критерия Rw при таком совмещении и определить номер Q массива с наилучшим значением Rw=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 способ измерения дальности, патент № 2451904 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 способ измерения дальности, патент № 2451904 минимальное значение которой соответствует наилучшему совпадению массивов {S0i}w и {Sj }. 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 FT=25 МГц (тактовый период Т=40 нс, что соответствует дискретности по дальности способ измерения дальности, патент № 2451904 D=6 м). Количество массивов {S0i} W=100. Критерий способ измерения дальности, патент № 2451904 вычисляется в одной точке - в ячейке дальности p=Р, соответствующей совпадению максимальных выборок массивов {S0i} и {S j}. Максимальные выборки всех массивов {S0i} 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.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2451904

patent-2451904.pdf

Класс G01C3/08 с использованием детекторов излучения 

устройство калибровки, система измерения расстояния, способ калибровки и программа калибровки -  патент 2529594 (27.09.2014)
приемная линзовая система и оптический дальномер -  патент 2529439 (27.09.2014)
способ измерения линейных перемещений объекта -  патент 2521220 (27.06.2014)
способ обнаружения объектов, измерения скорости, дальности и угловых координат и устройство для его осуществления -  патент 2521203 (27.06.2014)
лазерный дальномер -  патент 2518588 (10.06.2014)
лазерный дальномер -  патент 2516165 (20.05.2014)
телевизионно-лазерный визир-дальномер -  патент 2515766 (20.05.2014)
лазерный монокулярный дальномер -  патент 2515418 (10.05.2014)
способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера -  патент 2515083 (10.05.2014)
способ измерения расстояний на цифровой фотокамере -  патент 2485443 (20.06.2013)

Класс G01S17/02 системы с использованием отражения электромагнитных волн, иных чем радиоволны

система импульсной лазерной локации -  патент 2528109 (10.09.2014)
устройство лазерной локации заданной области пространства -  патент 2516376 (20.05.2014)
гидроакустическая станция для надводного корабля -  патент 2502085 (20.12.2013)
имитатор морской поверхности для статистического исследования распределения морских бликов при работе лазерных доплеровских локаторов по низколетящим ракетам -  патент 2488138 (20.07.2013)
лазерный измеритель расстояний -  патент 2471203 (27.12.2012)
лазерный локатор -  патент 2456636 (20.07.2012)
способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала -  патент 2451950 (27.05.2012)
имитатор бликовых переотражений лазерного излучения морской поверхностью -  патент 2451302 (20.05.2012)
способ регистрации статистического распределения переотражений лазерного излучения от низколетящей ракеты бликами морской поверхности и устройство для его реализации -  патент 2451301 (20.05.2012)
лазерная система -  патент 2450397 (10.05.2012)
Наверх