СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
RANGE-FINDING METHOD

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.
0
0
0
0
D
D
0
Известны способы лазерного зондирования удаленных объектов для получения информации об их дальности и других характеристиках. Известен способ определения дальности, включающий посылку на цель лазерного импульса S(t,t), регистрацию момента посылки t, прием отраженного целью излучения S(t,t), регистрацию момента приема t и определение временного интервала τ=t-t, по которому судят о дальности D до цели [1] по формуле D=сτ/2, где с - скорость света. Согласно этому способу, регистрацию момента приема отраженного сигнала (временную привязку) производят в момент превышения сигналом заданного порога (привязка по фронту сигнала). При таком способе погрешность временной привязки велика - порядка длительности фронта принятого сигнала [2]. Другим недостатком описанного в [1] способа является невысокая точность определения временного интервала τ, поскольку в измерителях первого поколения использовались аналоговые методы измерения временных интервалов.
0
0
s
0i
0i
D
j
0
0
0i
s
max
j
max
max
max
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S(t,t) длительностью t>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных [значений S, зарегистрированной в массиве {S}, прием отраженного целью сигнала S(t,t), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t - момент излучения зондирующего сигнала, t - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S относительно тактовой последовательности, К=t/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…J - порядковый номер выборки принятого сигнала S относительно тактовой последовательности, J=2D/cT - количество выборок принятого сигнала; D - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света [3].
0i
j
j
max
В указанном источнике сравнение массивов {S} и {S} производят путем последовательного сдвига массива {S} на р=1,2,…J шагов, соответствующих шагу Т 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=сРТ/2, где с - скорость света.
D
j
При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t,t), представленного массивом своих выборочных значений {S}, обычно возникает проблема определения максимального значения зависимости  вследствие того, что функции такого типа имеют плоскую вершину. Из-за этого возможно ошибочное определение максимума при искажении выборочных значений помехами, шумами, ошибками округления и т.п. Для устранения этого в известном техническом решении [3] определяют максимум функции R(p) не по самой вершине, а по точке пересечения касательных к ее фронту и спаду. При этом теряется преимущество корреляционного метода как оптимальной реализации функции отношения правдоподобия [4] и появляются дополнительные источники ошибки, связанные с искажениями фронтов функции R(p), например, вследствие нелинейных искажений.
Задачей изобретения является повышение точности определения дальности.
0
0
s
0i
0i
D
j
0
D
0i
s
max
j
max
max
max
0i
j
max
jp
p-1+i
min
min
0i
j
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения дальности, включающем формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S(t,t) длительностью t>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S, зарегистрированной в массиве {S}, прием отраженного целью сигнала S(t,t), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {S}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t - момент излучения зондирующего сигнала, t - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S относительно тактовой последовательности, K=t/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…J - порядковый номер выборки принятого сигнала S относительно тактовой последовательности, J=2D/cT - количество выборок принятого сигнала, D - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света, производят сравнение массивов {S} и {S} путем генерации чисел 1≤р≤J, формирования массивов выборочных значений принятого сигнала в виде {S}={S}, где i=1…K, и определения величин R (р) в виде суммы абсолютных отклонений , затем из этого ряда выделяют величину с минимальным значением R(p), определяют соответствующее ей значение параметра p(R)=Р и вычисляют дальность D до цели по формуле D=сРТ/2, причем массивы {S} и {S} нормируют так, чтобы их выборки с максимальными значениями были равны.
0i
0i
Массив {S} можно получать путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S с периодом Т.
j
Зондирование цели можно производить многократно, а выборочные значения принятого сигнала в каждой j-й позиции массива {S} формировать в виде суммы  выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.
0i
j
На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S} и {S}. Фиг.2 иллюстрирует формирование функции . На Фиг.3 показаны зависимости R(p) для известного а) и предлагаемого б) способов. Фиг.4 поясняет процесс накопления данных при многократном зондировании.
0
0
0
0i
D
0
0
T
0i
T
0
j
0i
j
max
max
max
max
min
min
0
0
и
j
jm
В момент времени t в направлении цели посылают зондирующий импульс S(t,t) 1, представленный массивом своих выборочных значений {S} 2 и затем принимают отраженный целью импульс S(t,t) 3. Момент t излучения зондирующего импульса 1 привязан к тактовой последовательности 4 путем присвоения импульсу тактовой последовательности, совпадающему с моментом t, порядкового номера i=0. Тактовые импульсы генерируют с помощью высокостабильного источника с частотой F=1/Т, где Т - период следования тактовых импульсов. Зондирующему импульсу 1 соответствует массив 2 его выборочных значений {S}. Массив 2 получают предварительно путем пробной посылки зондирующего импульса и его оцифровки с тактовой частотой f. Массив 2 сохраняют в памяти системы и обновляют его в процессе подготовки к измерениям каждый раз, когда это требуется по условиям метрологической калибровки. Принятый сигнал 3 оцифровывают путем определения его выборочных значений S(i) в моменты генерации каждого j-го тактового импульса; нумерация отсчетов S(j) ведется от тактового импульса с номером j=0, совпадающего с моментом t. Полученные выборочные значения сохраняют в массиве {S} (5, Фиг.2), хранящемся в памяти системы. Массивы {S} и {S} нормируют так, чтобы их выборки с максимальными значениями были равны. При этом минимизируется вредное влияние шумов и динамических искажений на последующую обработку данных. После нормировки формируют оценочную функцию R(p) 6 путем последовательной генерации чисел р=1,2,…P и определения для каждого р величины , где P=2D/cT, D - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света. Затем определяют минимальное значение R(p) и значение шага Р=p(R), соответствующего этому значению. При таком способе построения функции R(p) ее минимум выражен отчетливо и его положение относительно тактовой последовательности значительно менее подвержено влиянию шумов и других искажений, чем положение максимума функции R(p) согласно известному решению [3]. На фиг.3 приведены результаты моделирования при определении R(p) для зондирующего сигнала S(t,t) длительностью t=50 нс, отношения сигнал/шум А=56, объеме накопления N=128 и длительности периода тактовой частоты Т=6,67 нс, что соответствует дискретности измерения дальности ΔD=1 м. На фиг.3а) показан результат моделирования по методу [3]  На фиг.3б) показана функция , соответствующая предлагаемому решению. Деление оси абсцисс соответствует дискретности по дальности ΔR=1 м. Видно, что несмотря на сравнительно высокое отношение сигнал/шум результат, полученный по известному методу, указывает на положение сигнала с ошибкой: максимум полученной функции 7 не совпадает с истинным положением, указанным на фиг.3а) стрелкой. Функция 6, сформированная по предлагаемому методу, более устойчива к шумовым искажениям. Ее минимум совпадает с истинным положением, также показанным стрелкой. На фиг 4 проиллюстрирован процесс накопления массива {S} 8 путем N-кратного зондирования и поэлементного суммирования массивов {S}, где m=1,2,…,N. При этом обеспечивается улучшение отношения сигнал/шум в  раз [5]. В частности, в приведенном примере эквивалентное отношение сигнал/шум .
и
Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера. Дальномер работает в режиме накопления с частотой зондирований 8000 Гц, длительностью импульса t>100 нс и тактовым периодом дискретизации Т=40 нс, что соответствует дискретности по дальности ΔD=6 м. Эти параметры обеспечивают высокую эквивалентную энергию зондирующего импульса и при этом реализуются сравнительно простыми аппаратными средствами на стандартной элементной базе. Объем накопления N устанавливается автоматически в зависимости от величины отраженного сигнала - от N=128 при сильном сигнале до N=8000 при слабом сигнале. Среднеквадратичная ошибка измерения дальности не превышает 0,06 м. У известных дальномеров ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.
Предлагаемый способ определения дальности по сравнению с известными способами обеспечивает более надежное определение оценочной функции положения отраженного сигнала по массиву его выборочных значений в условиях воздействия шумов, в том числе при многократном зондировании и накоплении данных. В результате обеспечивается повышение точности определения дальности.
Источники информации
1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский "Вопросы оптической локации". - М.: Изд. "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. B.E.Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». - М.: Высшая школа, 1977.
5. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос. «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». - М.: Изд. «Радио и связь», 1981 г.