ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР
LASER RANGE FINDER

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 (ЛА).
Известен лазерный дальномер, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения и измеритель дальности на основе измерителя временного интервала между зондирующим и отраженным целью импульсами [1].
Недостатком этого дальномера является недостаточная дальность действия при использовании в качестве передатчика полупроводникового лазера.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является лазерный дальномер с некогерентным накоплением отраженного сигнала [2], содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности.
Данное устройство позволяет проводить измерения значительных высот [4], но не обладает возможностью измерения вертикальной составляющей скорости ЛА в режимах его взлета и посадки.
Задачей изобретения является обеспечение измерений с борта летательного аппарата его высоты и вертикальной составляющей скорости как в стационарном полете, так и в при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения.
Указанная задача решается за счет того, что в известном лазерном дальномере, содержащем лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, последовательно включенные многоканальный накопитель, связанный с тактовым генератором, и измеритель дальности, на выходе приемника введен коммутатор, первый выход которого соединен со входом многоканального накопителя, а на втором выходе коммутатора введены последовательно включенные блок временной фиксации и блок интерполяции, связанный с тактовым генератором, а между управляющим входом коммутатора и выходами измерителя дальности и блока интерполяции введен блок переключения режимов.
На фиг. 1 представлена схема дальномера-скоростемера, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит передатчик 1 и приемник 2, подключенный к коммутатору 3 с двумя выходами. На одном из выходов коммутатора включен многоканальный накопитель 4, связанный с измерителем дальности 5. Между выходом измерителя дальности и управляющим входом коммутатора включен блок переключения режимов 6, связанный также с блоком управления 7. На втором выходе коммутатора 3 включен блок временной фиксации 8, связанный с блоком интерполяции 9. Блок интерполяции и измеритель дальности синхронизируются времязадающим тактовым генератором 10.
i
0
В начале процесса измерений высоты и дальности летательного аппарата по команде с блока управления 7 коммутатор 3 переключает выход приемника 2 на вход блока временной фиксации 8, и блок интерполяции вычисляет вертикальную скорость и высоту ЛА. В моменты времени Т производят серию измерений дальности в моноимпульсном режиме. Количество m зондирований определяется заданным периодом обновления информации и требованиями по точности. Оценки дальности до объекта R в начальный момент измерения и скорости объекта V формируются в блоке интерполяции 9 по формулам
где
0
1
R - оценка дальности до объекта в момент времени T;
V - оценка скорости объекта;
i
i
R=с·t/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;
i
i
Т - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R;
с - скорость света;
m - количество замеров дальности в серии;
i
t - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.
0
0
m
Дальность до объекта R и его относительная скорость V определяются в блоке интерполяции 9 путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время, отсчитываемое от начала серии зондирований; V - оценка скорости; R - оценка дальности до объекта при t=0. Оценка дальности может быть определена для любого момента времени t, в том числе для момента окончания серии зондирований t=T. Эта оценка подается на вход блока переключения режимов 6.
max
max
0j
j
j
j
j-1
<mrow><mi>W</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mn>0</mn><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>j</mi><mo>+</mo><mi>p</mi></mrow></msub></mrow>
Если в какой-то момент измеренное значение R начинает превышать заданную величину R, то блок переключения режимов 6 переключает выход коммутатора 3 на вход многоканального накопителя 4, синхронизируемого тактовым генератором 10, и производится серия зондирований цели по методу некогерентного накопления [2]. По окончании процесса накопления, то есть по достижении накопленной суммой необходимого уровня хотя бы в одной ячейке дальности, измеритель дальности анализирует массив накопленных данных, определяя положение накопленного массива относительно временной шкалы по установленному критерию [2], например по максимуму корреляционной функции
, где j - порядковый номер ячейки дальности; Р - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S} - массив накопленных значений принятых реализаций; р - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S}. Затем измеритель дальности 5 определяет дальность R по формуле R=сРΔt/2, где с - скорость света; Р - номер ячейки дальности, соответствующий положению накопленного массива; Δt - длительность тактового интервала. Вертикальная составляющая скорости V в этом случае может быть определена как относительное приращение высоты R за период Т между j-м и (j-1)-м измерениями V=(R-R)/T.
max
0
Если измеренная дальность R больше предварительно заданного значения R, определяемого полетным заданием летательного аппарата, то измерения продолжаются в описанном режиме. При посадке летательного аппарата, то есть когда R<R, блок переключения режимов переключает коммутатор на выход, связанный с блоком временной фиксации, и измерения проводятся в описанном выше моноимпульсном режиме.
Данное изобретение 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 [4, 5]. 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. М.: Советское радио, 1973, с. 189.
2. В.Г. Вильнер и др. Оценка возможностей светолокационного измерителя дальности с накоплением // Фотоника, 2007, №6, с. 22-26 - прототип.
3. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта. Патент РФ №2378705.
4. Малогабаритный лазерный высотомер ДЛ-5М // Фотоника, №3, 2013, с. 55.
5. В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера // Мир измерений, №7, 2010, с. 17-21.