RU2759300C1

RU2759300C1 - Range measurement method

Info

Publication number: RU2759300C1
Application number: RU2021108982A
Authority: RU
Inventors: Валерий Григорьевич Вильнер; Михаил Михайлович Землянов; Татьяна Евгеньевна Ковалева; Евгений Викторович Кузнецов; Александр Ефремович Сафутин; Надежда Валентиновна Седова; Галина Владимировна Турикова
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-11-11

Abstract

FIELD: laser technology.SUBSTANCE: invention relates to laser technology, namely to laser ranging. Method for measuring the range by emitting a probing laser pulse to the target, receiving the signal U(t) reflected by the target, differentiating it with the differentiation time constant τ≤tle, where tleis the duration of the leading edge of the signal U(t), and determining the delay Τ of the reflected pulse relative to the probing pulse at the moment of zero crossing by the differentiated signal U*(t), after which the measured range R is judged by the formula R = cT/2, where c is the speed of light, in parallel, the reflected signal is received by the second independent channel, forming a signal U2(t)=k U(t), where k≤1/D1, D1is the linear dynamic range of the first channel; simultaneously differentiate the signal U2(t) in the same mode, forming the signal U2*(t); constantly compare the signal U*(t) with the threshold level Uthrand, if the threshold Uthris not exceeded by the signal U*(t), continue processing in the specified order, and if it is exceeded, the signal U(t) is blocked, and the delay Τ is determined at the moment zero crossing of the differentiated impulse U2*(t). The threshold level Uthris set as close as possible to the maximum signal amplitude U*(t).EFFECT: ensuring the potential measurement accuracy in an extremely wide operating range of optical signals.2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо определять расстояние до удаленного объекта с высокой точностью.The proposed invention relates to laser technology and can be used in any field where it is necessary to determine the distance to a distant object with high accuracy.

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 задержке которого судят о дальности до объекта [1].There is a method of determining the distance to a distant object by probing it with a laser pulse, receiving the radiation pulse reflected by the object and determining the time interval between the moments of the probe pulse radiation and receiving the pulse reflected by the object, the delay of which is used to judge the distance to the object [1].

Недостатком этого способа является низкая точность временной фиксации отраженного импульса в широком амплитудном диапазоне.The disadvantage of this method is the low accuracy of the time fixation of the reflected pulse in a wide amplitude range.

В пределах линейного диапазона амплитуд высокая точность временной фиксации сигнала обеспечивается методом нуля производной [2], однако этот метод неэффективен за пределами линейного диапазона, а идеальное дифференцирование технически нереализуемо.Within the linear range of amplitudes, the high accuracy of the time fixation of the signal is ensured by the derivative zero method [2], however, this method is ineffective outside the linear range, and ideal differentiation is technically unrealizable.

Известен способ измерения дальности, позволяющий сократить динамический диапазон принимаемых сигналов с помощью управляемого затвора в приемном канале [3]. Этот способ реализуется за счет существенного усложнения аппаратуры, которая при этом вносит значительные потери из-за введения в приемный тракт устройства задержки и управляемого затвора.The known method of measuring the range, which allows you to reduce the dynamic range of the received signals using a controlled shutter in the receiving channel [3]. This method is realized due to a significant complication of the equipment, which at the same time introduces significant losses due to the introduction of a delay device and a controlled shutter into the receiving path.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения дальности путем излучения на цель зондирующего лазерного импульса, приема отраженного целью сигнала U(t) дифференцировании его с постоянной времени дифференцирования τ≤t_фр, где t_фр - длительность фронта сигнала U(t) и определения задержки Τ отраженного импульса относительно зондирующего импульса по моменту пересечения нуля продифференцированным импульсом U*(t), после чего судят об измеряемой дальности R по формуле R=сТ/2, где с - скорость света [4].The closest in technical essence to the proposed method is a method of measuring the range by emitting a probing laser pulse to the target, receiving the signal U (t) reflected by the target, differentiating it with a differentiation time constant τ≤t _fr , where t _fr is the duration of the leading edge of the signal U (t) and determining the delay Τ of the reflected pulse relative to the probe pulse at the time of zero crossing by the differentiated pulse U * (t), after which the measured range R is judged by the formula R = cT / 2, where c is the speed of light [4].

Данное техническое решение характеризуется остаточной погрешностью при значительных перегрузках за пределами линейного динамического диапазона.This technical solution is characterized by a residual error at significant overloads outside the linear dynamic range.

Задачей изобретения является обеспечение потенциальной точности измерений в предельно широком рабочем диапазоне оптических сигналов.The object of the invention is to provide potential measurement accuracy over an extremely wide operating range of optical signals.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе измерения дальности путем излучения на цель зондирующего лазерного импульса, приема отраженного целью сигнала U(t), дифференцирования его с постоянной времени дифференцирования τ≤t_фр, где t_фр - длительность фронта сигнала U(t), и определения задержки Τ отраженного импульса относительно зондирующего импульса в момент пересечения нуля продифференцированным сигналом U*(t), после чего судят об измеряемой дальности R по формуле R=сТ/2, где с -скорость света, параллельно принимают отраженный сигнал вторым независимым каналом, формируя сигнал U₂(t)=k U(t), где k≤1/D₁; D₁ - линейный динамический диапазон первого канала, одновременно дифференцируют сигнал U₂(t) в таком же режиме, формируя сигнал U₂*(t); постоянно сравнивают сигнал U*(t) с пороговым уровнем U_пор и, в случае непревышения порога U_пор сигналом U*(t), продолжают обработку в указанном порядке, а в случае превышения - блокируют сигнал U (t), и определяют задержку Τ в момент пересечения нуля продифференцированным импульсом U₂*(t).This problem is solved due to the fact that in the known method of measuring the range by emitting a probing laser pulse to the target, receiving the signal U (t) reflected by the target, differentiating it with a differentiation time constant τ≤t _fr , where t _fr is the duration of the leading edge of the signal U ( t), and determining the delay Τ of the reflected pulse relative to the probe pulse at the time of zero crossing by the differentiated signal U * (t), after which the measured range R is judged by the formula R = cT / 2, where c is the speed of light, and the reflected signal is simultaneously received by the second independent channel, generating a signal U ₂ (t) = k U (t), where k≤1 / D ₁ ; D ₁ - linear dynamic range of the first channel, at the same time differentiate the signal U ₂ (t) in the same mode, forming the signal U ₂ * (t); constantly compare the signal U * (t) with the threshold level U _pore and, if the threshold U _pore is not exceeded by the signal U * (t), continue processing in the specified order, and in case of excess, block the signal U (t), and determine the delay Τ at the moment of zero crossing by the differentiated impulse U ₂ * (t).

Пороговый уровень U_пор устанавливают как можно ближе к максимальной амплитуде сигнала U*(t).The threshold level U _{pores is} set as close as possible to the maximum signal amplitude U * (t).

На фиг 1 представлены эпюры сигналов в текущем времени t. На фиг.1а) показана форма сигналов U (t) и U*(t) в пределах линейного диапазона и момента пересечения нуля сигналом U*(t). На фиг.1б) - характер сигналов в непосредственной близости от уровня ограничения U_огр, а также влияние ограничения сигнала U(t) на момент пересечения нуля сигналом U*(t). На фиг.2 представлена структура фотоприемного тракта, реализующего предложенный способ. На фиг.3 - схема устройства временной привязки.Figure 1 shows the signal diagrams at the current time t. Figure 1a) shows the waveform of the signals U (t) and U * (t) within the linear range and the moment when the signal U * (t) crosses zero. 1b) - the nature of the signals in the immediate vicinity of the limitation level U _ogr , as well as the influence of the limitation of the signal U (t) at the moment of zero crossing by the signal U * (t). Figure 2 shows the structure of a photoreceiving path that implements the proposed method. Fig. 3 is a schematic diagram of a timing device.

Способ характеризуется тем, что отраженное целью зондирующее излучение одновременно принимают по двум каналам. Вольтовая чувствительность приемных каналов максимально различается, но не более, чем в D₁ раз, где D₁ - линейный динамический диапазон первого канала с более высокой чувствительностью. В каждом из каналов дифференцируют принятый сигнал с одинаковой постоянной времени τ≤t_фр, где t_фр - длительность фронта сигнала U(t). При этом продифференцированный сигнал U*(t) приобретает отрицательный выброс, пересекающий нулевой уровень с постоянной временной привязкой То к сигналу U(t) независимо от его амплитуды во всем линейном диапазоне, в котором сигнал U(t) сохраняет свою форму (фиг.1а).The method is characterized in that the probing radiation reflected by the target is simultaneously received through two channels. The voltage sensitivity of the receiving channels differs as much as possible, but no more than D ₁ times, where D ₁ is the linear dynamic range of the first channel with a higher sensitivity. In each of the channels, the received signal is differentiated with the same time constant τ≤t _fr , where t _fr is the duration of the leading edge of the signal U (t). In this case, the differentiated signal U * (t) acquires a negative surge, crossing the zero level with a constant time reference To to the signal U (t), regardless of its amplitude in the entire linear range in which the signal U (t) retains its shape (Fig. 1a ).

Если амплитуда сигнала U(t) выходит за пределы линейного диапазона, превышая уровень ограничения U_огр (фиг.1б), то плоская вершина ограниченного импульса U(t) искажает форму отклика U*_огр(t), и последний пересекает нулевой уровень с задержкой ΔΤ относительно момента То (фиг.1б).If the amplitude of the signal U (t) beyond the linear range, exceeding the limit level U _Res (1b), the flat top of limited pulse U (t) distorts the response form _Res U * (t), and the latter crosses a zero level with a delay ΔΤ relative to the moment To (Fig. 1b).

Согласно предлагаемому способу первый приемный канал блокируют при достижении импульсом U*(t) порогового уровня U_пор. При этом продолжает действовать второй канал, осуществляющий такую же процедуру временной привязки сигнала, но с чувствительностью в к раз меньше, то есть в пределах линейного диапазона D₂ второго канала. Таким образом, динамический диапазон принимаемых сигналов, в котором обеспечивается высокая точность метода пересечения нуля, расширяется до величины D=D₁⋅D₂. При равенстве D₁ и D₂ динамический диапазон предлагаемого способа D ~ D₁ ².According to the proposed method, the first receiving channel is blocked when the pulse U * (t) reaches the threshold level U _pores . At the same time, the second channel continues to operate, performing the same signal timing procedure, but with a sensitivity that is k times less, that is, within the linear range D _{2 of the} second channel. Thus, the dynamic range of the received signals, in which the high accuracy of the zero-crossing method is ensured, is expanded to the value D = D ₁ ⋅ _{D 2} . _{If D 1} and D _{2 are} equal, the dynamic range of the proposed method is D ~ D ₁ ² .

Пример.Example.

Диапазон измеряемых дальностей R_мин=0,1 км. R_макс=10 км. Коэффициент затухания излучения в атмосфере при максимальной дальности τ=0,2. Диапазон амплитуд принимаемых сигналов по мощностиRange of measured distances R _min = 0.1 km. R _max = 10 km. Attenuation coefficient of radiation in the atmosphere at the maximum range τ = 0.2. Amplitude range of received signals by power

D_P=(R_макс/R_мин)²/τ=5⋅10⁴.D _P = (R _max / R _min ) ² / τ = 5⋅10 ⁴ .

Минимальный регистрируемый первым каналом сигнал равен U_мин=10 мВ. Порог ограничения U*_огр=5 В. Линейный динамический диапазон D₁=U*_огр/U_мин=5⋅10².The minimum signal recorded by the first channel is equal to U _min = 10 mV. The threshold limit U * _Res = 5 V. A linear dynamic range of D ₁ = U * _ogre / U = 5⋅10 ² _min.

D₁<<D_p. При такой перегрузке ошибка временной фиксации отраженного сигнала может достигать 3 м по шкале дальностей [5].D ₁ << D _p . With such an overload, the error in the time fixation of the reflected signal can reach 3 m on the range scale [5].

Согласно предлагаемому способу эффективный линейный диапазон приемного тракта увеличивается до D ~ D₁ ²=2,5⋅10⁵, то есть диапазон принимаемых сигналов перекрывается с запасом 5 раз. Ошибка временной фиксации определяется при этом техническими факторами второго порядка [6] и может составлять сотые доли метра.According to the proposed method, the effective linear range of the receiving path increases to D ~ D ₁ ² = 2.5⋅10 ⁵ , that is, the range of received signals overlaps with a margin of 5 times. The time fixation error is determined in this case by technical factors of the second order [6] and can amount to hundredths of a meter.

Структура приемного тракта, реализующего способ, приведена на схеме фиг.2.The structure of the receiving path that implements the method is shown in the diagram of Fig. 2.

Первый фотоприемник 1 и второй фотоприемник 2 подключены соответственно ко входам первого устройства временной привязки 3 и аналогичного второго устройства временной привязки 4. Выходы устройств временной привязки параллельно подключены ко входам измерителя временных интервалов 5. Между выходом первого фото приемника и входом первого устройства временной привязки введен ключ 6, управляемый пороговым устройством 7, вход которого подключен к выходу дифференцирующего звена 8 в составе первого устройства временной привязки 3 (фиг.3).The first photodetector 1 and the second photodetector 2 are connected respectively to the inputs of the first timing device 3 and a similar second timing device 4. The outputs of the timing devices are connected in parallel to the inputs of the time interval meter 5. A key is inserted between the output of the first photo receiver and the input of the first timing device 6, controlled by the threshold device 7, the input of which is connected to the output of the differentiating link 8 as part of the first timing device 3 (Fig. 3).

Устройство временной привязки 3, 4 (фиг.3) состоит из дифференцирующего звена 8 в виде дифференцирующей RC-цепочки и включенного на ее выходе нуль-компаратора 9. Постоянная времени τ=RC дифференцирующей цепочки 8 должна быть как можно меньше, чтобы исключить влияние на точность временной привязки разброса параметров RC и их температурного дрейфа. С другой стороны, при слишком малой величине τ падает амплитуда сигнала U*(t) и, когда она становится соизмеримой с дрейфом нуля нуль-компаратора, возрастает не только ошибка временной фиксации, но и вероятность пропуска фиксации сигнала. В зависимости от характеристик нуль-компаратора и разброса параметров дифцепочки практически постоянную времени τ=RC выбирают равной (0,1-1)t_фр, где t_фр - длительность фронта сигнала U(t).The timing device 3, 4 (figure 3) consists of a differentiating link 8 in the form of a differentiating RC-chain and a zero comparator 9 included at its output. The time constant τ = RC of the differentiating chain 8 should be as small as possible to exclude the influence on the accuracy of the timing of the scatter of RC parameters and their temperature drift. On the other hand, if the value of τ is too small, the signal amplitude U * (t) decreases, and when it becomes commensurate with the zero-comparator zero drift, not only the time latching error increases, but also the probability of missing signal latching. Depending on the characteristics of the zero comparator and the spread of the differential chain parameters, the practically constant τ = RC is chosen equal to (0.1-1) t _fr , where t _fr is the duration of the leading edge of the signal U (t).

Предлагаемое изобретение позволяет эффективно согласовывать противоречивые требования к точности измерений и динамическому диапазону входных сигналов.The proposed invention makes it possible to effectively match conflicting requirements for measurement accuracy and dynamic range of input signals.

Тем самым, подтверждено выполнение поставленной задачи - обеспечение потенциальной точности измерений в предельно широком рабочем диапазоне оптических сигналов.Thereby, the fulfillment of the task was confirmed - ensuring the potential measurement accuracy in an extremely wide operating range of optical signals.

Источники информацииSources of information

1. В.А. Смирнов «Введение в оптическую радиоэлектронику». Изд. «Советское радио», Москва, 1973 г., С.189.1. V.A. Smirnov "Introduction to Optical Electronics". Ed. "Soviet radio", Moscow, 1973, p. 189.

2. Б.Н. Митяшев Определение временного положения импульсов при наличии помех. "Советское радио", М., 1962 г., стр. 120.2. B.N. Mityashev Determination of the temporal position of the pulses in the presence of interference. "Soviet radio", M., 1962, p. 120.

3. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No 6,548,807.3. Radiation receiver with active optical protection system. US patent No. 6,548,807.

4. В.Г. Вильнер и др. Методы повышения точности импульсных лазерных дальномеров. Электроника. Наука, технология, бизнес. Москва, 2008, №3. С.118-123 - прототип.4. V.G. Vilner et al. Methods for improving the accuracy of pulsed laser rangefinders. Electronics. Science, technology, business. Moscow, 2008, No. 3. P.118-123 - prototype.

5. В.Г. Вильнер и др. Устройство временной привязки лазерного дальномера. Патент РФ №2341770.5. V.G. Vilner et al. Timing device for laser rangefinder. RF patent No. 2341770.

6. Е.А. Мелешко. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. Атомиздат, М., 1977 г., стр. 76-78.6.E.A. Meleshko. Integrated circuits in nanosecond nuclear electronics. Atomizdat, M., 1977, pp. 76-78.

Claims

1. A method of measuring the range by emitting a probing laser pulse to the target, receiving the signal U (t) reflected by the target, differentiating it with a differentiation time constant τ≤t _fr , where t _fr is the duration of the leading edge of the signal U (t), and determining the delay Τ of the reflected pulse relative to the probe pulse at the time of zero crossing by the differentiated signal U * (t), after which the measured range R is judged by the formula R = cT / 2, where c is the speed of light, characterized in that the reflected signal is simultaneously received by the second independent channel, forming signal U ₂ (t) = k U (t), where k≤1 / D ₁ , D ₁ is the linear dynamic range of the first channel; simultaneously differentiate the signal U ₂ (t) in the same mode, generating the signal U ₂ * (t); constantly compare the signal U * (t) with the threshold level U _pore and, if the threshold U _pore is not exceeded by the signal U * (t), continue processing in the specified order, and in case of excess, block the signal U (t), and determine the delay Τ at the moment of zero crossing by the differentiated impulse U ₂ * (t).

2. The method according to claim 1, characterized in that the threshold level U _{pore is} set as close as possible to the maximum signal amplitude U * (t).