Способ определения дальности и скорости удаленного объекта

Изобретение относится к способу определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Способ включает в себя многократное зондирование объекта импульсами лазерного излучения, прием и регистрацию отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, образующим ячейки дальности, и статистическую обработку зарегистрированных данных. При этом производят серию зондирований способом некогерентного накопления, если принятый сигнал меньше порогового значения, которое определяется заданной вероятностью F ложного срабатывания. И если принятый сигал больше порогового значения, то зондирование производят в моноимпульсном режиме измерения дальности и скорости. Технический результат - 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. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

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 способ определения дальности до удаленного объекта путем зондирования его лазерным импульсом, приема отраженного объектом импульса излучения и определения временного интервала между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного объектом импульса, по которому судят о дальности до объекта [1].

Недостатком этого способа является невозможность измерения скорости цели.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта [2], заключающийся в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных. Согласно указанному способу производят многократное моноимпульсное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов и определения в каждом i-м зондировании временного интервала ti между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, при каждом зондировании определяют и регистрируют значения моментов текущего времени Ti, в которые производят посылки лазерных импульсов, и измеренных интервалов ti в серии n зондирований, и определяют скорость объекта по формуле:

где

V - скорость объекта;

Ri=c·ti/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;

c - скорость света,

задают момент времени T∗, к которому должен быть привязан отсчет дальности, и определяют значение дальности до объекта в этот момент по формуле:

R∗=R0+V(T∗-T1),

где

R∗- результат определения дальности до объекта в момент времени T∗;

Указанная процедура реализуема только на малых и средних высотах полета летательного аппарата, поскольку требует достоверности измерений при каждом зондировании объекта. Портативные измерители дальности и скорости не обладают достаточным энергетическим потенциалом для проведения таких измерений на больших высотах. При большой дальности до объекта величина принимаемого сигнала становится соизмеримой с амплитудой шумов, и прием каждого отраженного импульса с заданной вероятностью становится невозможным. В этом случае измерение скорости по указанному алгоритму приводит к недостоверным результатам.

Задачей изобретения является обеспечение измерений с борта летательного аппарата его высоты и вертикальной составляющей скорости в стационарном полете, так и при взлете и посадке в широком диапазоне высот и режимов подъема и снижения.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения дальности и/или скорости, заключающемся в многократном зондировании удаленного объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных, производят пробное зондирование, определяют уровень принятого сигнала S, сравнивают его с пороговым значением S0, определяемым заданной вероятностью F ложного срабатывания, и если S<S0, то проводят серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают массив принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока величина накопленного массива не превысит пороговое значение, затем по заранее установленному критерию, например по максимуму коэффициента корреляции накопленного массива принятых реализаций с массивом предварительно оцифрованного зондирующего импульса, определяют порядковый номер P ячейки дальности, к которой относится отраженный сигнал, и определяют дальность R до объекта по формуле R=cPΔt/2, где с - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, а если S>S0, то отключают режим некогерентного накопления и включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют задержку его приема ti относительно момента зондирования, вычисляют дальность до объекта Ri=cti/2, где с - скорость света, и определяют дальность до объекта и его относительную скорость путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R0, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время; V - оценка скорости; R0 - оценка дальности до объекта при t=0.

Коэффициент корреляции можно определять по формуле , где j - порядковый номер ячейки дальности; Pmax - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {Sj} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {Sj}.

Оценки дальности до объекта R0 в начальный момент времени t=0 и скорости объекта V можно формировать по формулам:

где

R0 - оценка дальности до объекта в момент времени t=0; V - оценка скорости объекта; Ri=c·ti/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании; Ti - моменты времени, в которые произведены замеры дальности Ri; c - скорость света; m - количество замеров дальности в серии; ti - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.

На фиг. 1 представлены реализации сигнала, шума и их смеси при амплитуде сигнала и среднеквадратическом значении шума, равных 1. На фиг. 2 показан массив накопленных данных при N=200. На фиг. 3 изображен график R=Vt+R0 интерполяции результатов измерений дальности в моноимпульсном режиме.

Отраженный от цели сигнал смешан с шумом фотоприемного тракта, имеющим среднеквадратическое отклонение σ. Смесь сигнал+шум сравнивают с пороговым значением S0 (фиг. 1). На рисунке условно показан уровень S0-1,8σ, при котором вероятность его превышения шумом составляет F~0,04. На практике его устанавливают выше - на уровне 5-7σ и более, в зависимости от решаемой задачи, динамического диапазона приемного тракта и характеристик аналого-цифрового анализатора. Если, как показано на фиг. 1, смесь сигнал+шум не превышает уровня S0, то производят измерение дальности с способом некогерентного накопления [3]. По окончании процесса накопления, то есть по достижении накопленной суммы необходимого значения хотя бы в одной ячейке дальности, анализируют массив накопленных данных, определяя положение накопленного массива относительно временной шкалы по установленному критерию, например по центру тяжести массива [4] или по максимуму корреляционной функции , где j - порядковый номер ячейки дальности; Pmax - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {Sj} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {Sj}. Далее определяют дальность R до объекта 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) измерениями: V=(Rj-Rj-i)/T. На фиг. 2 представлен результат накопления в содержащих сигнал десяти ячейках дальности при объеме накопления N=200. Индексом показано положение центра тяжести массива.

Если при пробном зондировании смесь сигнал+шум превышает уровень S0, то измерения проводят в моноимпульсном режиме с интерполяцией результатов измерений [2]. В моменты времени Ti производят измерения дальности. Количество m>2 зондирований определяется заданным периодом обновления информации и требованиями по точности. Оценки дальности до объекта R0 в начальный момент измерения и скорости объекта V формируют по формулам:

где

R0 - оценка дальности до объекта в начальный момент t=0; V - оценка скорости объекта; Ri=c·ti/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании; Ti - моменты времени, в которые произведены замеры дальности Ri; c - скорость света; m - количество замеров дальности в серии; ti - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.

Дальность до объекта R и его относительную скорость V определяют путем линейной интерполяции результатов измерений в виде регрессии R(t)=Vt+R0, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время, отсчитываемое от начального момента. Оценка высоты полета ЛА может быть выдана для любого момента времени t, в том числе для момента окончания серии зондирований Tm. Принцип построения регрессии поясняется графиком фиг. 3. Точками показаны результаты отдельных измерений в серии зондирований.

Данный способ 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 выполнение 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». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г. С. 189.

2. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта.

Патент РФ №2378705 - прототип.

3. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов.

Патент РФ №2455615.

4. Способ светолокационного определения дальности. Патент РФ №2390724.

5. Малогабаритный лазерный высотомер ДЛ-5М. Фотоника №3, 2013 г., с. 55.

6. В.Г. Вильнер, В.Г. Волобуев, А.А. Казаков, Б.К. Рябокуль. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. «Мир измерений» №7, 2010 г.

1. Способ определения дальности и скорости, заключающийся в многократном зондировании удаленного объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, отсчитываемые от момента излучения зондирующего импульса и образующие тем самым ячейки дальности, и статистической обработке зарегистрированных данных, отличающийся тем, что производят пробное зондирование, определяют уровень принятого сигнала S, сравнивают его с пороговым значением S0, определяемым заданной вероятностью F ложного срабатывания, и если S<S0, то проводят серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают массив принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока величина накопленного массива не превысит пороговое значение, затем по максимуму коэффициента корреляции накопленного массива принятых реализаций с массивом предварительно оцифрованного зондирующего импульса определяют порядковый номер P ячейки дальности, к которой относится отраженный сигнал, и определяют дальность R до объекта по формуле R=cPΔt/2, где с - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, а если S>S0, то отключают режим некогерентного накопления и включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют задержку его приема ti относительно момента зондирования, вычисляют дальность до объекта Ri=cti/2, где с - скорость света, и определяют дальность до объекта и его относительную скорость путем линейной интерполяции результатов измерений в виде R(t)=Vt+R0, где R(t) - текущая дальность до объекта; t - текущее время; V - оценка скорости; R0 - оценка дальности до объекта при t=0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент корреляции определяют по формуле , где j - порядковый номер ячейки дальности; Pmax - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {Sj} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {Sj}.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценки дальности до объекта R0 в начальный момент времени t=0 и скорости объекта V формируют по формулам:

где
R0 - оценка дальности до объекта в момент времени t=0;
V - оценка скорости объекта;
Ri=c·t/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;
Ti - моменты времени, в которые произведены замеры дальности Ri;
с - скорость света;
m - количество замеров дальности в серии;
ti - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Устройство обеспечивает возможность работы в двух режимах.

Изобретение относится к способу определения высоты летательного аппарата. При реализации способа осуществляется N-кратное зондирование подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения и его некогерентное накопление принятого отражённого от объекта сигнала.

Изобретение относится к области построения доплеровских лидаров и лазерных доплеровских измерителей скорости, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере.

Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, корректировке траектории полета самонаводящихся снарядов и ракет, проводке судов, дистанционном управлении робототехническими устройствами в опасных для человека зонах.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии. .

Изобретение относится к области оптической локации и предназначено для поиска, обнаружения и автоматического сопровождения воздушных объектов, имеющих оптический контраст, с определением их пространственных координат.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности, к способам формирования электронного изображения окружающего пространства при его круговом сканировании оптическими системами с фотоприемными устройствами (ФПУ) и может быть использовано при создании сканирующих устройств кругового обзора в системах обнаружения и распознавания объектов.

Изобретение относится к области построения оптической части - доплеровских лидаров, предназначенных для измерения скорости ветра и выявления турбулентных процессов в атмосфере, а именно к вопросу формирования опорного сигнала, необходимого для получения интерференционного сигнала доплеровской частоты.

Изобретение относится к способам наблюдения за космическими объектами (КО) с помощью оптико-электронных средств и м.б. использовано для определения орбиты пассивного КО (ПКО) на геостационарной орбите автономно с борта активного КО (АКО).

Способ включает детектирование отраженных импульсов света, оцифровывание принятых сигналов, расчет дальностей до объектов и скоростей движущихся объектов, определение угловых координат.

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано во взрывателях различных боеприпасов, для определения расстояния между телами. .

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано в неконтактных взрывателях, использующих оптическое излучение для идентификации и определения заданного расстояния до цели.

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано для определения скорости сближения двух тел, движущихся с различной скоростью. .

Изобретение относится к области вооружений и может быть использовано во взрывателях различных боеприпасов для определения расстояния между телами. .

Изобретение относится к оптической и оптико-электронной технике и может быть использовано для регистрации движущихся точечных и малоразмерных объектов, например искусственных и естественных небесных тел.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для обнаружения и фиксации нарушений правил дорожного движения транспортным средством.

Изобретение относится к измерительной технике определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Устройство обеспечивает возможность работы в двух режимах.

Изобретение относится к способу определения высоты и вертикальной скорости летательного аппарата. Способ включает в себя многократное зондирование объекта импульсами лазерного излучения, прием и регистрацию отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, образующим ячейки дальности, и статистическую обработку зарегистрированных данных. При этом производят серию зондирований способом некогерентного накопления, если принятый сигнал меньше порогового значения, которое определяется заданной вероятностью F ложного срабатывания. И если принятый сигал больше порогового значения, то зондирование производят в моноимпульсном режиме измерения дальности и скорости. Технический результат - 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. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх