СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
METHOD OF OPTICAL LOCATION RANGE FINDING

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной импульсной локационной дальнометрии.
Известен способ светолокационного определения дальности до цели [1]. Указанный способ заключается в том, что посылают на цель лазерный зондирующий импульс, принимают отраженный целью сигнал и определяют временной интервал между зондирующим и отраженным импульсами, по которому судят о дальности до цели. Этот способ не может быть реализован при использовании полупроводниковых лазеров, предпочтительных для портативной аппаратуры, вследствие их недостаточной мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ светолокационного определения дальности до цели методом некогерентного накопления, включающий серию циклов, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, квантуют время на дискрет, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении серии циклов выделяют те дискреты времени, в которых накопленная сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам формируют оценку дальности до цели [2].
В указанном способе осуществляется процедура цифрового некогерентного накопления [3], реализующая метод статистической проверки гипотез [4]. Недостатком этого способа является зависимость оценки дальности до цели от амплитуды отраженного целью сигнала. При большом отношении сигнал/порог в каждом цикле подтверждается гипотеза о наличии сигнала, и накопленные суммы принимают максимально возможное значение, равное числу циклов в серии. Вследствие этого при длительности зондирующего сигнала, превышающей несколько дискрет времени, конфигурация накопленных массивов данных нелинейно зависит от амплитуды принимаемых сигналов, что приводит к изменению оценки дальности.
Задачей изобретения является повышение точности определения дальности в широком диапазоне амплитуд принимаемых сигналов.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе светолокационного определения дальности до цели методом некогерентного накопления, включающем серию циклов, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, квантуют время на дискреты, принимают отраженный целью импульс, вырабатывают в каждой из дискрет времени гипотезу об отсутствии или наличии сигнала путем порогового преобразования принятой смеси сигнала и шума, формирования соответствующего гипотезе числа и накопления формируемых чисел в виде сумм для каждой дискреты времени, по завершении серии циклов выделяют те дискреты времени, в которых накопленная сумма превышает заданное число, по этим накопленным суммам формируют оценку дальности до цели, предварительно проводят калибровку, в процессе которой определяют истинное значение дальности до цели, изменяют амплитуду отраженных целью импульсов в пределах рабочего динамического диапазона, для каждого значения амплитуды определяют оценку дальности, ее смещение относительно истинного значения и сумму накопленных сумм в дискретах времени, находящихся в окрестности дискреты времени с максимальной накопленной суммой, а при рабочем определении дальности после формирования оценки дальности определяют сумму накопленных сумм в дискретах времени, находящихся в окрестности дискреты времени с максимальной накопленной суммой, и в зависимости от этой суммы накопленных сумм вводят в оценку дальности поправку, равную по абсолютной величине и обратную по знаку соответствующему смещению оценки, определенному при калибровке.
На фиг.1а, б приведены примеры заполнения массива данных после накопления соответственно при отношении сигнал/шум 1 и 10.
На фиг.2 представлен пример зависимости оценки задержки от амплитуды сигнала и ее смещения.
Проведен анализ предлагаемого способа для режима двухуровневого накопления при следующих исходных данных.
Объем накопления N=200 циклов.
Отношение амплитуды сигнала к величине среднеквадратического отклонения σ шума от 1 до 200.
Уровни первого и второго аналоговых порогов соответственно равны +σ и -σ.
и
Длительность сигнала по основанию t=6ΔТ, где ΔT - длительность дискреты времени.
фр
Длительность переднего фронта сигнала t=2ΔТ.
з
В рассматриваемом примере задержку отраженного сигнала определяют как первый начальный момент [5] массива накопленных сумм, а оценку дальности R формируют согласно зависимости R=сТ/2, где с - скорость света.
S
k
Как следует из фиг.1а, б, оценка задержки принимаемого сигнала по предлагаемому способу (показана индексом на временной оси) изменяет свое положение в широком диапазоне амплитуд принимаемого сигнала (при отношении сигнал/шум от порогового до уровня переполнения каналов накопителя в нескольких смежных дискретах времени) на величину около 0,5 дискреты времени. Для рассмотренного примера получена зависимость требуемой поправки от суммы накопленных сумм S в окрестности k-й дискреты времени, в которой накопленная сумма S максимальна.
Исправленная оценка дальности R*=R+Δr практически не зависит от отношения сигнал/шум S в широком динамическом диапазоне 0,2<S<100. В данном примере
где R - неисправленная оценка дальности;
Δr - поправка;
k
S - текущая накопленная сумма в k-й дискрете времени, наибольшая по сравнению с накопленными суммами в соседних дискретах времени;
k max
S- предельно возможное значение накопленной суммы;
а - коэффициент, определяемый предварительно при калибровке;
S
S - сумма накопленных сумм;
j
S - накопленная сумма в j-й дискрете времени;
j - текущий индекс;
0
S - коэффициент, определяемый предварительно при калибровке.
S
На фиг.2 область введения поправки ограничена значением S~20, поскольку, во-первых, это соответствует максимальному значению S, учитываемому при формировании оценки (7), а, во-вторых, при отношении сигнал/шум >10-20 целесообразно формировать оценку дальности не по накопленному массиву, а путем прямой временной фиксации принятого сигнала.
R
По сравнению со способами светолокационного определения дальности, в которых не учитывается поправка на величину принимаемого сигнала, предлагаемый способ позволяет в несколько раз уменьшить систематическую ошибку измерения дальности. В рассмотренном выше примере это позволяет уменьшить систематическую ошибку примерно на порядок, благодаря чему реальная погрешность измерения дальности может быть снижена до 0,05 м при ширине дискреты времени 6,67 нс, что соответствует тактовой частоте 150 МГц и дискретности по дальности 1 м. При этом среднеквадратическая погрешность измерения дальности δ в серии зондирования N=200 циклов и дискрете дальности ΔR=1 м составляет
Таким образом, предлагаемый способ светолокационного измерения дальности позволяет обеспечить более высокую точность измерения дальности в широком диапазоне амплитуд принимаемых сигналов.
Источники информации
1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский «Вопросы оптической локации». - М.: Советское радио, 1971 г., стр.177.
2. Международная заявка WO 2005/006016 - прототип.
3. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». - М.: Радио и связь, 1981 г., стр.81-83.
4. В.Е.Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». - М.: Высшая школа, 1977 г., стр.281.
5. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов». - М.: Наука, 1986 г., стр.446.