СПОСОБ СВЕТОЛОКАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ
METHOD FOR LIGHT-RANGE FINDING

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной импульсной локационной дальнометрии.
Известен способ светолокационного определения дальности [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 позволяет обеспечить необходимую дальность действия при использовании полупроводниковых лазеров, предпочтительных для портативной аппаратуры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления, включающий серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса 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 накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели [2].
max
max
max
В указанном способе осуществляется процедура цифрового некогерентного накопления [3], реализующая метод статистической проверки гипотез [4]. Недостатком этого способа является необходимость в большом объеме быстродействующей цифровой регистрирующей аппаратуры, требуемой для его реализации. Так, при ширине дискреты времени ΔT=6,667 нс, что соответствует дискретности по дальности 1 м, тактовая частота дискретизации должна составлять 1/ΔТ=150 МГц, а количество статистически независимых каналов накопления К=2R/cΔT, где R - диапазон измеряемых дальностей; с - скорость света. Например, для приведенного примера при R=5 км К=5000. Кроме того, в описанном способе длительность сигнала должна соответствовать длительности временной дискреты, что ограничивает энергию зондирующего сигнала, а следовательно, и максимальную измеряемую дальность.
Задачей изобретения является увеличение максимальной измеряемой дальности и точности измерения дальности без увеличения требуемой тактовой частоты и количества независимых каналов накопления с целью создания портативной аппаратуры с высокой дальностью действия.
о
о
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе светолокационного определения дальности методом некогерентного накопления, включающем серию циклов зондирования, в каждом из которых на цель посылают лазерный зондирующий импульс, после излучения зондирующего импульса 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 накопления выделяют те дискреты времени, где накопленная в течение серии циклов зондирования сумма превышает заданное число, и по этим накопленным суммам судят о дальности до цели, в каждом цикле зондирования лазерный зондирующий импульс излучают в течение длительности нескольких дискрет времени, по окончании накопления выделяют дискрету времени, в которой накопленная сумма максимальна, определяют задержку Т отраженного целью сигнала относительно момента посылки зондирующего импульса как первый начальный момент массива накопленных сумм в окрестности выделенной дискреты времени и по этой задержке определяют дальность до цели R по формуле R=с(Т-Т)/2, где с - скорость света, Т - аппаратурная константа.
Количество дискрет времени в окрестности выделенной дискреты слева и справа от нее может соответствовать длительности переднего и заднего фронтов лазерного зондирующего импульса. При этом эффективность накопления, то есть степень улучшения отношения сигнал/шум, близка к максимальному значению.
Длительность дискреты времени устанавливают в пределах от 0,1 до 0,5 от длительности лазерного зондирующего импульса по уровню 0,1. При меньшей длительности дискреты повышаются требования к объему и быстродействию аппаратуры, а при большей утрачиваются преимущества предлагаемого способа.
На фиг.1а и 1б приведены примеры заполнения массива данных после накопления соответственно при отношении сигнал/шум 1 и 10.
На фиг.2 показаны два примера заполнения массива данных при отсутствии сигнала.
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.
фр
Длительность переднего фронта сигнала t=2ΔТ.
з
Задержку отраженного сигнала Т определяют по формуле первого начального момента [5], в общем случае с весовыми коэффициентами при значениях накопленных сумм
где
j - номер временной дискреты, в которой накопленная сумма максимальна;
(а)
К - накопленная сумма в (а)-й дискрете;
(а)
k - весовой коэффициент (а)-й дискреты;
фр
m=t/ΔТ - количество дискрет, соответствующих длительности переднего фронта лазерного импульса;
фр
t - длительность переднего фронта лазерного импульса;
и
q=t/ΔT - количество дискрет, соответствующих длительности импульса;
и
t - длительность лазерного импульса;
р - поправочное число, характеризующее точку временной привязки сигнала;
ΔT - длительность дискреты.
(а)
В рассмотренном варианте длина анализируемого массива принята равной длительности импульса, то есть 6 дискретам, весовые коэффициенты дискрет k=1, поправочное число р=3. Длительность дискреты условно принята равной ΔT=1. Таким образом, оценка задержки импульса проводится в соответствии с алгоритмом
з
з
В рассмотренном примере ΔT=1 численно соответствует дискрете дальности 1 м, поэтому оценка задержки Т≡R, где ≡ - знак численного равенства, R - оценка дальности. Оценку дальности формируют по формуле R=сТ/2, где с - скорость света.
Как следует из фиг.1а и 1б, оценка задержки принимаемого сигнала по предлагаемому способу (показана индексом на временной оси) примерно соответствует максимуму сигнала и сохраняет свое положение в широком диапазоне амплитуд принимаемого сигнала (при отношении сигнал/шум от порогового до уровня переполнения сумматоров в каналах накопителя).
На фиг.2 показаны примеры заполнения накопителя в отсутствие сигнала, когда суммы, накопленные в дискретах дальности, не превышают порогового значения 20-25. Учитывая, что при отношении сигнал/шум = 1, максимальная накопленная сумма равна 140, в этом случае имеется запас по амплитуде около 6 раз, т.е. пороговое отношение сигнал/шум на входе накопителя составляет 0,15. При этом, как показало моделирование, среднеквадратическая ошибка оценки задержки не превышает 0,4 дискреты при асинхронном старте (когда момент излучения зондирующего лазерного импульса не привязан к тактовой частоте дискретизации) и не превышает 0,25 дискреты при синхронном старте, когда зондирующий импульс излучают при поступлении очередного тактового импульса. Это позволяет производить измерения при меньшей тактовой частоте по сравнению с известными решениями.
По сравнению со способами светолокационного определения дальности, в которых длительность зондирующего импульса соответствует длительности временной дискреты, предлагаемый способ позволяет в несколько раз увеличить эффективно используемую энергию зондирующего лазерного импульса, увеличивая ее за счет существенного увеличения длительности импульса. В рассмотренном выше примере это позволяет увеличить эффективное отношение сигнал/шум примерно в два раза, благодаря чему реально измеряемая дальность возрастет в 1,3-1,5 раза.
Таким образом, предлагаемый способ светолокационного измерения дальности позволяет увеличить максимальную измеряемую дальность и точность измерения дальности без увеличения требуемой тактовой частоты и количества независимых каналов накопления, что позволяет создать портативную аппаратуру с высокой дальностью действия.
Источники информации
1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский «Вопросы оптической локации». Изд. «Советское радио», М., 1971 г., стр.177.
2. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof - прототип.
3. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». Изд. «Радио и связь», М., 1981 г., стр.81-83.
4. В.Е.Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». Изд. «Высшая школа», М., 1977 г., стр.281.
5. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов», Изд. «Наука», М., 1986 г., стр.446.