Бортовой лазерный дальномер с определением высоты нижнего края облачности
ON-BOARD LASER RANGE FINDER WITH DETERMINATION OF CLOUD BOTTOM EDGE HEIGHT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области, где необходимо определить высоту летательного аппарата над земной или водной поверхностью, а также высоту нижнего края облачности над водной или земной поверхностью.
Известен частотный радиовысотомер - патент РФ №2313107, кл. G01S 13/34. 2007. Частотный радиовысотомер содержит генератор шумового сигнала, RC-фильтр, модулятор, частотно-модулированный генератор, передающую антенну, приемную антенну, смеситель, усилитель разностной частоты, ограничитель, счетный каскад, обеспечивающий выходное напряжение, пропорциональное средней частоте пересечения разностным напряжением нулевого уровня, усилитель постоянного тока и индикатор высоты. Недостатком частотного высотомера является невозможность определения высоты нижнего края облачности над землей с борта летательного аппарата, так как радиосигнал не отражается от нижнего края облачности.
Наиболее близким по техническому решению является лазерный дальномер - патент РФ №2560011, кл. G01C 3/08, 2015. Лазерный дальномер содержит лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, коммутатор, многоканальный накопитель, блок переключения режимов, блок управления, блок временной фиксации, блок интерполяции, тактовый генератор. Несмотря на то, что лазерные лучи имеют свойство отражаться от неоднородных поверхностей, в том числе и от неоднородностей атмосферы (В.Е.Привалов, А.Э. Фотиади, В.Г. Шеманин. Лазеры и экологический мониторинг атмосферы. Изд. «Лань», С-Пб., 288 с.), рассматриваемый лазерный дальномер также не обеспечивает определение высоты нижнего края облачности над землей с борта летательного аппарата, а определяет только высоту летательного аппарата над земной или водной поверхностью. При выполнении полетов в облачности, особенно перед посадкой, пилоту необходимо знание расстояния нижнего края облачности над земной или водной поверхностью. Известный лазерный дальномер определяет расстояние от летательного аппарата только до земли, поэтому не обеспечивает необходимый уровень обеспечения безопасности полетов.
Технической задачей изобретения является повышение безопасности пилотирования летательных аппаратов в условиях облачности на малых высотах за счет дополнения функций бортового лазерного дальномера возможностью определения высоты нижнего края облачности над земной и водной поверхностью.
Технический результат достигается тем, что в бортовой лазерный дальномер, с определением высоты нижнего края облачности, содержащий лазерный передатчик, приемник отраженного объектом излучения, коммутатор, многоканальный накопитель, измеритель дальности, блок переключения режимов, блок управления, блок временной фиксации, блок интерполяции, тактовый генератор, первый выход которого соединен с третьим входом блока интерполяции, а второй выход - со вторым входом многоканального накопителя, выход последнего подключен ко входу измерителя дальности, выход которого соединен со вторым входом блока переключения режимов, первый вход которого подключен ко второму выходу блока интерполяции, первый вход последнего соединен с третьим выходом блока управления, первый и второй выходы которого подключены ко входу лазерного передатчика и второму входу коммутатора, соответственно, первый и второй выходы последнего соединены со входом блока временной фиксации и первым входом многоканального накопителя, соответственно, выход приемника отраженного объекта излучения подключен к первому входу коммутатора, третий вход которого соединен с входом блока управления и выходом блока переключения режимов, введены дополнительный блок интерполяции, определитель количества импульсов, первый ключ и второй ключ, выход последнего соединен со вторым входом дополнительного блока интерполяции, первый и третий входы которого подключены к третьему выходу блока управления и первому выходу тактового генератора, соответственно, первые входы первого и второго ключей соединены с выходом блока временной фиксации входом определителя количества импульсов, первый выход которого подключен ко второму входу второго ключа, а второй выход определителя количества импульсов соединен со вторым входом первого ключа, выход которого подключен ко второму входу блока интерполяции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема бортового лазерного дальномера с определением высоты нижнего края облачности.
Устройство содержит лазерный передатчик 1, приемник отраженного объектом излучения 2, коммутатор 3, многоканальный накопитель 4, измеритель дальности 5, блок переключения режимов 6, блок управления 7, блок временной фиксации 8, блок интерполяции 9, тактовый генератор 10, дополнительный блок интерполяции 11, определитель количества импульсов 12, первый ключ 13, второй ключ 14, выход последнего соединен со вторым входом блока 11, первый и третий входы которого подключены к третьему выходу блока 7 и первому выходу генератора 10, соответственно, первые входы ключей 13 и 14 соединены с выходом блока 8 и входом определителя 12, первый выход которого подключен ко второму входу ключа 14, а второй выход определителя 12 соединен со вторым входом ключа 13, выход которого подключен ко второму входу блока 11, первый выход генератора 10 соединен с третьим входом блока 9, а второй выход - со вторым входом накопителя 4, выход последнего подключен ко входу измерителя 5, выход которого соединен со вторым входом блока 6, первый выход которого подключен ко второму выходу блока 9, первый вход последнего соединен с третьим выходом блока 7, первый и второй выходы которого подключены ко входу передатчика 1 и второму входу коммутатора 3, соответственно, первый и второй выходы последнего соединены со входом блока 8 и первым входом накопителя 4, соответственно, выход приемника 2 подключен к первому входу коммутатора 3, третий вход которого соединен со входом блока 7 и выходом блока 6.
i
0
Устройство работает следующим образом. В начале процесса измерений высоты и дальности летательного аппарата по команде с блока 7 коммутатор 3 переключает выход приемника 2 на вход блока 8. Блок 8 осуществляет фиксацию времени появления отраженных импульсов. При отсутствии облачности на периоде следования импульсов передатчика 1 появляется только одна временная отметка отраженного от земной или водной поверхности импульса. Этот импульс поступает на вход определителя 12 со второго выхода которого поступает сигнал, открывающий ключ 13 и обеспечивающий передачу сигнала с блока 8 на блок 9. В этом случае процесс определения дальности и вертикальной скорости определяется в соответствии с алгоритмом прототипа, то есть блок 9 вычисляет вертикальную скорость и высоту летательного аппарата. В моменты времени T производят серию измерений дальности в моноимпульсном режиме. Количество m зондирований определяется заданным периодом обновления информации и требованиями по точности. Оценки дальности R до объекта в начальный момент измерения и скорости V объекта формируются в блоке 9 по формулам:
где
0
1
R - оценка дальности до объекта в момент времени Т;
V - оценка скорости объекта;
i
i
R=c⋅t/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;
i
i
T - 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 R до объекта и его относительная скорость V определяются в блоке 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 со второго выхода блока 9 на первый вход блока 6.
max
max
0j
j
j
j
j-1
Если в какой-то момент измеренное значение R начинает превышать заданную величину R, то блок 6 переключает выход коммутатора 3 на вход накопителя 4, синхронизируемого генератором 10, и производится серия зондирований цели по методу некогерентного накопления. 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, например по максимуму корреляционной функции  где j - порядковый номер ячейки дальности; P - 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=cPΔt/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.
В случае наличия облачности лазерный луч, направленный вниз с летательного аппарата, претерпевает два отражения. Первое отражение от границы раздела двух сред облако-воздух. Второе отражение от границы раздела двух сред воздух-земля (вода). В этом случае блок 8 фиксирует два отраженных импульса. Эти импульсы поступают на вход определителя 12 с первого выхода которого поступает разрешающий сигнал на второй вход ключа 14 с выхода которого последовательность этих импульсов поступает на второй вход блока 11. Блок 11 осуществляет расчет высоты нижнего края облачности над водной или земной поверхностью по формуле
imax
imin
imax
imin
Δh=R-R=(c⋅t/2)-(с⋅t/2),
imax
где R - расстояние от летательного аппарата до земной или водной поверхности;
imin
R - расстояние от летательного аппарата до границы раздела двух сред облако-воздух;
imax
t - время прихода отраженного лазерного луча от границы раздела двух сред облако-воздух после выдачи импульса с передатчика 1;
imin
t - время прихода отраженного лазерного луча от границы раздела двух сред облако-воздух после выдачи импульса с выхода передатчика 2.
Таким образом, введение в устройство блока 11, ключей 13 и 14, определителя 12 позволит дополнительно определять расстояние (высоты) нижнего края облачности над земной или водной поверхностью, что обеспечивает пилоту летательного аппарата необходимую информацию для безопасного продолжения полета или снижения.