УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ И СКОРОСТИ
DEVICE FOR DETERMINING DISTANCE AND SPEED

Предлагаемое 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.
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 ограниченная дальность действия при использовании полупроводникового лазера в качестве передатчика.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу 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 [5], 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 при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения.
0
0
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 дополнительным выходом многоканального накопителя и управляющим входом коммутатора введен блок переключения режимов, причем многоканальный накопитель состоит из последовательно включенных многоуровневого аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и многоканального цифрового накопителя (ЦН), связанных с тактовым генератором, а выход многоуровневого АЦП, соответствующий порогу S, подключен ко входу блока переключения режимов, где порог S - уровень сигнала, при котором обеспечивается заданная вероятность правильного обнаружения сигнала при заданной вероятности ложной тревоги в режиме моноимпульсного зондирования.
На фиг. 1 представлена схема дальномера-скоростемера, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 показана структура многоканального накопителя 4.
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. Многоканальный накопитель 4 содержит последовательно включенные многоуровневый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11 и многоканальный цифровой накопитель (ЦН) 12. АЦП и ЦН связаны с тактовым генератором 10. Второй выход АЦП связан со входом блока переключения режимов 6.
R
0
R
max
0j
j
j
В полетном режиме в начале процесса измерений высоты и дальности летательного аппарата по команде с блока управления 7 коммутатор 3 переключает выход приемника 2 на свой первый выход, тем самым обеспечивая работу многоканального накопителя 4, синхронизируемого тактовым генератором 10. Момент излучения передатчиком 1 зондирующего импульса фиксируется в качестве начала временной шкалы, задаваемой тактовым генератором. Каждый такт нумеруется в многоканальном накопителе 4, образуя ячейку дальности, привязанную к текущему времени. Отраженный целью импульс излучения поступает на приемник 2 с задержкой t=2R/c, где R - дальность до цели, а c - скорость света. АЦП преобразует аналоговый сигнал с выхода приемника в цифровую форму [2] для последующей обработки в многоканальном ЦН 12, причем помимо одного или более уровней квантования, необходимых для аналого-цифрового преобразования сигнала, существует пороговый уровень S для формирования управляющего сигнала для блока переключения режимов 6. Если этот порог не превышен, то дальнейшая работа устройства происходит по методу некогерентного многоканального накопления [2] до тех пор, пока положение сигнала t на шкале времени не будет установлено с необходимой вероятностью. Измеритель дальности анализирует массив накопленных данных, определяя положение накопленного массива относительно временной шкалы по заданному критерию [2], например по положению центра тяжести накопленного массива данных [3] или 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; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S}. Дальность R до объекта определяется по формуле R=cPΔt/2, где c - скорость света; P - номер ячейки дальности, соответствующий положению накопленного массива; Δt - длительность тактового интервала. Скорость V в этом случае может быть определена как относительное приращение высоты R за период T между j-м и (j-1)-м измерениями:
j
j-1
V=(R-R)/T.
0
0
0
Если в многоуровневом АЦП будет отмечено превышение порога S, то на коммутатор 3 подается сигнал, переключающий выход приемника на второй выход коммутатора, и дальнейшая работа устройства производится в моноимпульсном режиме с линейной интерполяцией результатов измерений в виде R(t)=Vt+R, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время; V - оценка скорости; R - оценка дальности до объекта при t=0.
,
,
где
0
R - оценка дальности до объекта в момент времени t=0;
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;
c - 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.
m
Оценка дальности может быть выдана для любого момента времени t, в том числе для момента окончания серии зондирований t=T.
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 [5, 6]. 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 светолокационного определения дальности. Патент РФ №2390724.
4. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта. Патент РФ №2378705.
5. Малогабаритный лазерный высотомер ДЛ-5М. Фотоника, 2013, № 3. С. 55.
6. В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. Мир измерений, 2010, №7. С. 17-21.