СПОСОБ ВРЕМЕННОЙ ПРИВЯЗКИ ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА
METHOD FOR TIMING PULSED OPTICAL LOCATION SIGNAL

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.
L
0
0
0
D
D
D
0
Известны локационные способы измерения дальности до удаленных объектов. Известен способ измерения дальности до цели [1], включающий посылку на цель зондирующего лазерного импульса S(t-t), где t - текущее время, t - момент посылки, 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 по формуле D=cτ/2, где c - скорость света. Согласно этому способу, регистрацию моментов излучения зондирующего импульса и приема отраженного сигнала (временную привязку) производят в момент превышения сигналом заданного порога (привязка по фронту). При таком способе погрешность временной привязки велика - порядка длительности фронта 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.
D
L
i
D
Li
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t-t) к сигналу тактовой частоты, синхронизированному с зондирующим импульсом S(t), путем подсчета количества периодов T тактовой частоты от момента излучения зондирующего импульса, заключающийся в формировании массива {S} выборочных значений сигнала S(t-t), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном {S}, соответствующим зондирующему импульсу [3].
Li
j
i
max
max
max
max
max
В указанном источнике сравнение массивов {S} и {S} производят путем последовательного сдвига массива {S} на p=1, 2,…, I шагов, соответствующих периоду T 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=cPT/2, где c - скорость света. Максимальное количество шагов р=I соответствует предельной измеряемой дальности D и определяется выражением I=2D/cT.
i
При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t), представленного массивом своих выборочных значений {S}, точность измерения дальности определяется дискретностью тактового сигнала T.
L
i
L
Li
0
Ti
L
и
Li
0
и
Li
0
L
Li
w
Liw
L
iw
iw
Li
0
T
T
Li
w
w
1i
w
2i
1i
w
2i
w
1i
w
2i
t
t
Задачей изобретения является повышение точности определения дальности. Указанная задача решается за счет того, что в известном способе временной привязки импульсного светолокационного сигнала S(t), где t - текущее время, к сигналу тактовой частоты с периодом T, синхронизированному с зондирующим импульсом S(t), заключающемся в формировании массива {S} выборочных значений сигнала S(t), с периодом выборок T, и последующей временной привязке путем сравнения с цифровым шаблоном, соответствующим форме зондирующего импульса, цифровой шаблон формируют путем оцифровки зондирующего импульса S(t), с периодом T, в результате чего образуют базовый массив {S} выборочных значений зондирующего импульса S=S(i·T), где i=1, …, I - индекс оцифровки; I=t/T - количество выборок в массиве {S}; t - длительность импульса; после этого массив {S} интерполируют гладкой функцией S*(t), а затем формируют массивы {S}, где w=1, 2, …, W, образуемые по формуле S=S*(t), где t=(w-1)T/W+(i-1)T, причем при формировании массива {S} начало отсчета времени t=0 выбирают так, чтобы на период от этого момента до вершины зондирующего импульса приходилось не менее чем два периода T тактовой частоты, количество W дополнительных массивов выбирают из условия 2≤W≤T/Δ, где Δ - неустранимая аппаратурная погрешность временной привязки, а в процессе временной привязки светолокационного сигнала массив его выборочных значений сравнивают с каждым из массивов {S} в результате чего формируют W оценок R=R({S}, {S}), характеризующих близость массивов {S} и {S}, например, в виде суммарного абсолютного отклонения , определяют порядковый номер w*, при котором оценка R в наибольшей степени характеризует близость массивов {S} и {S}, и формируют поправку T временной привязки относительно импульса тактовой частоты, совпадающего с началом сигнала S(t), по формуле T=ΔN·T, где ΔN=(w*-1)/W, T - период тактовой частоты.
Li
i
Li
w=1
Li
w=w
L
На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S} и {S}. Фиг.2 иллюстрирует принцип формирования массивов {S} и {S}. На фиг.3а) и б) приведены результаты представления функции S*(t) соответственно кубическими сплайнами и по методу наименьших квадратов.
L
Li
w
T
В момент времени t=0 в направлении цели посылают зондирующий импульс S(t) 1, представленный массивами своих выборочных значений {S}. Один из таких массивов 2 показан на фиг.1. Момент t=0 излучения зондирующего импульса 1 привязан к тактовой последовательности 4 путем присвоения импульсу тактовой последовательности, совпадающему с моментом t=0, порядкового номера i=0. Тактовые импульсы генерируют с помощью высокостабильного источника с частотой F=1/T, где T - период следования тактовых импульсов.
i
Li
w
После излучения зондирующего импульса принимают отраженный целью импульс S(t) 3 и производят его оцифровку с периодом тактовой частоты T. Результаты оцифровки сохраняют в массиве {S} 5, который затем сравнивают с каждым из массивов {S}, образуемых следующим образом.
Li
1
Li
0
L
L
Базовый массив {S} 6 формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала 1, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала 1, его преобразовании в электрический сигнал, выделении и регистрации его выборочных значений 6 с периодом T, как это показано на фиг.2а). Вслед за этим производят интерполяцию массива {S} гладкой функцией S*(t). Эта функция 7 показана на фиг.2. Построив функцию S*(t), формируют W массивов ее выборочных значений 2. Каждый из этих массивов образуют по формуле
; .
i
Li
w
Li
w
T
Формирование шаблона в виде W массивов, формируемых по формуле (1), и осуществление временной привязки массива {S} путем его поочередного сравнения с каждым из этих массивов {S} дает возможность уменьшить дискретность измерения дальности в W раз, поскольку результаты такого сравнения зависят от порядкового номера массива {S}. Благодаря этому существенно повышается точность измерения без увеличения тактовой частоты F.
w
w
L
Li
0
Li
w
Рассмотренный способ формирования шаблона позволяет произвести оцифровку зондирующего сигнала стандартными техническими средствами без увеличения тактовой частоты и без необходимости многократных пробных зондирований с введением сдвига оцифровки t=wT/W при каждом таком зондировании. Это позволяет исключить аппаратные ошибки формирования шаблона, связанные с погрешностью задания сдвига t, неоднозначностью воспроизведения амплитуды и формы сигнала при каждом пробном зондировании, воздействии помех и других факторов, присущих аналого-цифровой обработке. На фиг.3 показаны примеры интерполяции зондирующего сигнала S(t) 1, представленного массивом своих выборочных значений {S} 6, с помощью кубических сплайнов (кривая 9) и аппроксимации по методу наименьших квадратов (кривая 11) [4]. Ошибки аппроксимации показаны на тех же графиках в масштабе 50:1 - кривая 10 при сплайн-интерполяции и кривые 12, 13 - при аппроксимации полиномами соответственно степени 7 и 9. При любом из указанных методов аппроксимации предлагаемый способ при оцифровке массивов {S} обеспечивает погрешность порядка 0,1% и менее. Такая точность недостижима при непосредственном аналого-цифровом преобразовании зондирующего сигнала.
T
Li
w
Данный способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота F=25 МГц (тактовый период T=40 нс, что соответствует дискретности по дальности ΔD=6 м). Количество массивов W=100. Общее количество выборок в каждом массиве {S} K=5. Среднеквадратичная ошибка измерения дальности не превышает 0,06 м и определяется неустранимой аппаратурной погрешностью временной привязки. У известных дальномеров ошибка измерения в десятки раз больше этой величины.
Предлагаемый способ по сравнению с известными способами обеспечивает значительно более точную оценку положения отраженного сигнала по массиву его выборочных значений в условиях воздействия шумов, в том числе, при многократном зондировании и накоплении данных. В результате обеспечивается существенное повышение точности определения дальности до цели.
Источники информации
1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский. Вопросы оптической локации. - М.: 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. И.Н.Бронштейн, K.A.Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986 г.