Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2451950

(19)

RU

(11)

2451950

(13)

C1

(51) МПК 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: 2011101615/28, 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: RU 2288449 С2, 27.11.2006. RU 2390724 С2, 27.05.2010. US 5805468 А, 08.09.1998. US 2010128247 A1, 27.05.2010. JP 2002368720 A, 20.12.2002. US 5179286 A, 12.01.1993.

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),

Казаков Александр Аполлонович (RU),

Рябокуль Артем Сергеевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

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

(54) СПОСОБ ВРЕМЕННОЙ ПРИВЯЗКИ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения дальности до цели. Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала к сигналу тактовой частоты, синхронизированному с зондирующим импульсом, заключается в формировании массива выборочных значений сигнала и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса. Цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса, в результате чего образуют базовый массив выборочных значений зондирующего импульса; после этого массив интерполируют гладкой функцией, а затем формируют дополнительные массивы. В процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из дополнительных массивов, в результате чего формируют оценки, характеризующие близость базового и дополнительных массивов, например, в виде суммарного абсолютного отклонения, определяют порядковый номер, при котором оценка в наибольшей степени характеризует близость массивов, и формируют поправку временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала. 3 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 [1], включающий посылку на цель зондирующего лазерного импульса S L (t-t 0 ), где t - текущее время, t 0 - момент посылки, 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 по формуле D=c /2, где c - скорость света. Согласно этому способу, регистрацию моментов излучения зондирующего импульса и приема отраженного сигнала (временную привязку) производят в момент превышения сигналом заданного порога (привязка по фронту). При таком способе погрешность временной привязки велика - порядка длительности фронта 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 временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t-t D ) к сигналу тактовой частоты, синхронизированному с зондирующим импульсом S L (t), путем подсчета количества периодов T тактовой частоты от момента излучения зондирующего импульса, заключающийся в формировании массива {S i } выборочных значений сигнала S(t-t D ), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном {S Li }, соответствующим зондирующему импульсу [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S Li } и {S j } производят путем последовательного сдвига массива {S i } на p=1, 2, , I max шагов, соответствующих периоду T 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=cPT/2, где c - скорость света. Максимальное количество шагов р=I max соответствует предельной измеряемой дальности D max и определяется выражением I max =2D max /cT.

При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t), представленного массивом своих выборочных значений {S i }, точность измерения дальности определяется дискретностью тактового сигнала T.

Задачей изобретения является повышение точности определения дальности. Указанная задача решается за счет того, что в известном способе временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t), где t - текущее время, к сигналу тактовой частоты с периодом T, синхронизированному с зондирующим импульсом S L (t), заключающемся в формировании массива {S i } выборочных значений сигнала S(t), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса, цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса S L (t), с периодом T, в результате чего образуют базовый массив {S Li } 0 выборочных значений зондирующего импульса S Ti =S L (i·T), где i=1, , I - индекс оцифровки; I=t и /T - количество выборок в массиве {S Li } 0 ; t и - длительность импульса; после этого массив {S Li } 0 интерполируют гладкой функцией S L *(t), а затем формируют массивы {S Li } w , где w=1, 2, , W, образуемые по формуле S Liw =S L *(t iw ), где t iw =(w-1)T/W+(i-1)T, причем при формировании массива {S Li } 0 начало отсчета времени t=0 выбирают так, чтобы на период от этого момента до вершины зондирующего импульса приходилось не менее чем два периода T тактовой частоты, количество W дополнительных массивов выбирают из условия 2 W T/ T , где T - неустранимая аппаратурная погрешность временной привязки, а в процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из массивов {S Li } w в результате чего формируют W оценок R w =R({S 1i } w , {S 2i }), характеризующих близость массивов {S 1i } w и {S 2i }, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S 1i } w и {S 2i }, и формируют поправку T t временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала S(t), по формуле T t = N·T, где N=(w*-1)/W, T - период тактовой частоты.

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S Li } и {S i }. Фиг.2 иллюстрирует принцип формирования массивов {S Li } w=1 и {S Li } w=w . На фиг.3а) и б) приведены результаты представления функции S L *(t) соответственно кубическими сплайнами и по методу наименьших квадратов.

В момент времени t=0 в направлении цели посылают зондирующий импульс S L (t) 1, представленный массивами своих выборочных значений {S Li } w . Один из таких массивов 2 показан на фиг.1. 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/T, где T - период следования тактовых импульсов.

После излучения зондирующего импульса принимают отраженный целью импульс S(t) 3 и производят его оцифровку с периодом тактовой частоты T. Результаты оцифровки сохраняют в массиве {S i } 5, который затем сравнивают с каждым из массивов {S Li } w , образуемых следующим образом.

Базовый массив {S Li } 1 6 формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала 1, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала 1, его преобразовании в электрический сигнал, выделении и регистрации его выборочных значений 6 с периодом T, как это показано на фиг.2а). Вслед за этим производят интерполяцию массива {S Li } 0 гладкой функцией S L *(t). Эта функция 7 показана на фиг.2. Построив функцию S L *(t), формируют W массивов ее выборочных значений 2. Каждый из этих массивов образуют по формуле

; .

Формирование шаблона в виде W массивов, формируемых по формуле (1), и осуществление временной привязки массива {S i } путем его поочередного сравнения с каждым из этих массивов {S Li } w дает возможность уменьшить дискретность измерения дальности в W раз, поскольку результаты такого сравнения зависят от порядкового номера массива {S Li } w . Благодаря этому существенно повышается точность измерения без увеличения тактовой частоты F T .

Рассмотренный способ формирования шаблона позволяет произвести оцифровку зондирующего сигнала стандартными техническими средствами без увеличения тактовой частоты и без необходимости многократных пробных зондирований с введением сдвига оцифровки t w =wT/W при каждом таком зондировании. Это позволяет исключить аппаратные ошибки формирования шаблона, связанные с погрешностью задания сдвига t w , неоднозначностью воспроизведения амплитуды и формы сигнала при каждом пробном зондировании, воздействии помех и других факторов, присущих аналого-цифровой обработке. На фиг.3 показаны примеры интерполяции зондирующего сигнала S L (t) 1, представленного массивом своих выборочных значений {S Li } 0 6, с помощью кубических сплайнов (кривая 9) и аппроксимации по методу наименьших квадратов (кривая 11) [4]. Ошибки аппроксимации показаны на тех же графиках в масштабе 50:1 - кривая 10 при сплайн-интерполяции и кривые 12, 13 - при аппроксимации полиномами соответственно степени 7 и 9. При любом из указанных методов аппроксимации предлагаемый способ при оцифровке массивов {S Li } w обеспечивает погрешность порядка 0,1% и менее. Такая точность недостижима при непосредственном аналого-цифровом преобразовании зондирующего сигнала.

Данный способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F T =25 МГц (тактовый период T=40 нс, что соответствует дискретности по дальности D=6 м). Количество массивов W=100. Общее количество выборок в каждом массиве {S Li } w K=5. Среднеквадратичная ошибка измерения дальности не превышает 0,06 м и определяется неустранимой аппаратурной погрешностью временной привязки. У известных дальномеров ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.

Предлагаемый способ 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. И.Н.Бронштейн, K.A.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986 г.

Формула изобретения

Способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t), где t - текущее время, к сигналу тактовой частоты с периодом Т, синхронизированному с зондирующим импульсом S L (t), заключающийся в формировании массива {S i } выборочных значений сигнала S(t) с периодом выборок Т и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса, отличающийся тем, что цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса S L (t) с периодом Т, в результате чего образуют базовый массив {S Li } 0 выборочных значений зондирующего импульса S Ti =S L (i·T), где i=1, , I - индекс оцифровки; I=t и /T - количество выборок в массиве {S Li } 0 ; t и - длительность импульса; после этого массив {S Li } 0 интерполируют гладкой функцией S L *(t), а затем формируют массивы {S Li } w , где w=1, 2, , W, образуемые по формуле S Liw =S L *(t iw ), где t iw =(w-1)T/W+(i-1)T, причем при формировании массива {S Li } 0 начало отсчета времени t=0 выбирают так, чтобы на период от этого момента до вершины зондирующего импульса приходилось не менее чем два периода Т тактовой частоты, количество W дополнительных массивов выбирают из условия 2 W T/ T , где T - неустранимая аппаратурная погрешность временной привязки, а в процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из массивов {S Li } w , в результате чего формируют W оценок R w =R({S 1i } w , {S 2i }), характеризующих близость массивов {S 1i ) w и {S 2i }, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R w в наибольшей степени характеризует близость массивов {S 1i } w и {S 2i }, и формируют поправку Т t временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала S(t), по формуле T t = N·T, где N=(w*-1)/W, Т - период тактовой частоты.

РИСУНКИ