Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2451904

(19)

RU

(11)

2451904

(13)

C1

(51) МПК G01C3/08 (2006.01)

G01S17/02 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: учтена за 3 год с 19.01.2013 по 18.01.2014

(21), (22) Заявка: 2011101612/28, 18.01.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

18.01.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 18.01.2011

(45) Опубликовано: 27.05.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: US 5805468 А, 08.09.1998. JP 2008145201 А, 26.06.2008. ЕР 0654682 А2, 24.05.1995. ЕР 2116864 А1, 11.11.2009. RU 2249230 С2, 27.03.2005.

Адрес для переписки:

117342, Москва, ул. Введенского, 3, ФГУП НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха, НТЦ "Система" для В.Г. Вильнера

(72) Автор(ы):

Вильнер Валерий Григорьевич (RU),

Волобуев Владимир Георгиевич (RU),

Рябокуль Борис Кириллович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

(57) Реферат:

Способ включает формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S 0 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 S 0i , взятых с интервалом Т, зарегистрированной в массиве {S 0i }. При этом формируют и регистрируют W 2 массивов выборочных значений {S 0i } w зондирующего сигнала, где w=1 W - порядковый номер массива, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал t w =(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=P w массива {S j } относительно каждого из массивов {S 0j } w , при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R w (P w ). Затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R w (p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ D 0 , где с - скорость света, D 0 - 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.

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 S 0 (t, t 0 ), регистрацию момента посылки t 0 , прием отраженного целью излучения S(t, t D ), регистрацию момента приема t D и определение временного интервала =t D -t 0 , по которому судят о дальности D до цели [1] по формуле D=с /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 , 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 S 0 (t, t 0 ) длительностью t s >T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S 0i , зарегистрированной в массиве {S 0i }, прием отраженного целью сигнала S(t, t D ), его оцифровку путем определения и регистрации массива его выборочных значений {S j } относительно тактовой последовательности, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t 0 - момент излучения зондирующего сигнала, t D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1 K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=t s /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1 J max - порядковый номер выборки принятого сигнала S j относительно тактовой последовательности, J max =2D max /cT - количество выборок принятого сигнала; D max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S 0i } и {S j } производят путем последовательного сдвига массива {S j } на р=1, 2 J max шагов, соответствующих шагу Т 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=сРТ/2, где с - скорость света.

При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t, t D ), представленного массивом своих выборочных значений {S j }, 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 S 0 (t, t 0 ) длительностью t s >T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S 0i , зарегистрированной в массиве {S 0i }, прием отраженного целью сигнала S(t, t D ), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S j }, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t 0 - момент излучения зондирующего сигнала, t D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1 K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=t s /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1 J max - порядковый номер выборки принятого сигнала S j относительно тактовой последовательности, J max =2D max /cT - количество выборок принятого сигнала, D max - 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 W 2 массивов выборочных значений {S 0i } w зондирующего сигнала, где w=1 W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал t w =(w-1)T/W, находят такой сдвиг p=P w массива {S j } относительно каждого из массивов {S 0j } w , при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R w (P w ), например минимуму суммарного абсолютного отклонения где р=1, 2, P max , Р mах =2D max /cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности D max , затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R w (p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ D 0 , где с - скорость света, D 0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

Массивы {S 0i } 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 S 0iw с периодом Т.

Массивы {S 0i } 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 {S 0i } w и принятого {S j } 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 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 {S 0i } и {S j }. Фиг.2 иллюстрирует формирование функции На Фиг.3 показаны зависимости вида и полученные при воздействии шума. Фиг.4 иллюстрирует принцип формирования массивов {S 0i } w=1 и {S 0i } w=2 . На фиг.5 представлены результаты формирования функций при моделировании реального процесса измерения дальности. Фиг.6 поясняет процесс накопления данных при многократном зондировании.

В момент времени t 0 в направлении цели посылают зондирующий импульс S 0 (t, t 0 ) 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, t D ) 3. 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/Т, где Т - период следования тактовых импульсов. Массивы {S 0i } 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 S 0iw 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 t 0 . Полученные выборочные значения сохраняют в массиве {S j } 5, хранящемся в памяти системы. Массивы {S 0i } 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 {S 0i } w оценочную функцию R(p) 6 путем последовательной генерации чисел р=1, 2, Р mах и определения для каждого p величины , или иной функциональной зависимости, отражающей степень совпадения формы переданного и принятого сигналов, содержащейся в массивах {S 0i } w и {S j }, где р=1, 2, , Р mах - номер ячейки дальности; Р mах =2D max /cT - количество ячеек дальности, D max - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света. На фиг.3а) показана зависимость вида (6), а на фиг.3б) - зависимость вида (7). Затем для каждого массива {S 0i } w определяют номер ячейки Р=p(R min ), 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 R w (p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию. Если в массивах {S 0i } w выборка с максимальным значением находится в одной и той же позиции, то значение Р одинаково для всех массивов, и поиск оптимального массива {S 0i } w может быть ускорен путем совмещения максимальных выборок {S j } с максимальными выборками каждого из массивов {S 0i } w и вычисления R w (p) при сдвиге p=Р, соответствующем такому совмещению без построения всей кривой R w (p). После определения оптимальных значений Р и Q вычисляют дальность D до цели по формуле D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ D 0 , где с - скорость света, W - количество массивов {S 0i } w , Т - период тактовой частоты, D 0 - поправка, определяемая предварительно при калибровке измерителя на эталонной дистанции.

На фиг.4 представлен пример формирования массивов {S 0i } 1 8 и {S 0i } 2 9 при W=2 и, соответственно, при сдвиге выборочных значений второго массива относительно первого на t w =(w-1)T/W= t 2 =(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 S 22 ). На фиг.5а) и 5б) показаны результаты обработки данных при сдвиге сигнала S(t, t D ) 3 на время t D =8Т (фиг.5а) и t D =8,5Т (фиг.5б). В обоих случаях сигнал искажен аддитивным нормальным шумом со средним значением, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением =0,1 от максимального значения (амплитуды) сигнала S(t). Оценку положения сигнала производят с помощью массивов 8 и 9 путем формирования функции определения позиции Р ее максимума и определения номера массива w=Q с максимальным значением R w (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 R w (P) обеспечивается для функции 10, для которой Q=1, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки t D сигнала в этом случае составляет t D =(Р+(Q-1)/W)T=(8+(1-1)/2)Т=8Т. На фиг.5б) максимум критерия R w (P) обеспечивается для функции 13, для которой Q=2, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки t D 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 {S 0i } дискретность определения задержки сигнала уменьшена до Т/2. Аналогично, при увеличении количества W массивов {S 0i } дискретность оценки задержки уменьшается до Т/W.

Практически нет необходимости строить зависимости R w (p). Достаточно совместить максимальные выборки {S j } и каждого из массивов {S 0i } w , определить значения критерия R w при таком совмещении и определить номер Q массива с наилучшим значением R w=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 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 минимальное значение которой соответствует наилучшему совпадению массивов {S 0i } w и {S j }. 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 F T =25 МГц (тактовый период Т=40 нс, что соответствует дискретности по дальности D=6 м). Количество массивов {S 0i } W=100. Критерий вычисляется в одной точке - в ячейке дальности p=Р, соответствующей совпадению максимальных выборок массивов {S 0i } и {S j }. Максимальные выборки всех массивов {S 0i } 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.

Формула изобретения

1. Способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S 0 (t, t 0 ) длительностью t s >T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S 0i , зарегистрированной в массиве {S 0i }, прием отраженного целью сигнала S(t, t D ), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S j }, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, где t - текущее время, t 0 - момент излучения зондирующего сигнала, t D - момент приема отраженного целью сигнала, i=1 К - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S 0i относительно тактовой последовательности, К=t s /T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1 J max - порядковый номер выборки принятого сигнала S j относительно тактовой последовательности, J max =2D max /cT - количество выборок принятого сигнала, D max - 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 W 2 массивов выборочных значений {S 0i } w зондирующего сигнала, где w=1 W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-ом массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал t w =(w-1)T/W, находят такой сдвиг р=P w массива {S j } относительно каждого из массивов {S 0j } w , при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию R w (P w ), например, минимуму суммарного абсолютного отклонения ,

где р=1, 2, Р mах ; Р mах =2D max /cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности D max , затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка R w (p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=c(P+(Q-1)/W)T/2+ D 0 , где с - скорость света, D 0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S 0i } w формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S 0iw с периодом Т.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S 0i } 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 {S j } определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S 0i } w и принятого {S j } 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 выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.

РИСУНКИ