RU2451904C1 - Range-finding method - Google Patents

Range-finding method Download PDF

Info

Publication number
RU2451904C1
RU2451904C1 RU2011101612/28A RU2011101612A RU2451904C1 RU 2451904 C1 RU2451904 C1 RU 2451904C1 RU 2011101612/28 A RU2011101612/28 A RU 2011101612/28A RU 2011101612 A RU2011101612 A RU 2011101612A RU 2451904 C1 RU2451904 C1 RU 2451904C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
array
arrays
max
sample values
Prior art date
Application number
RU2011101612/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Вильнер (RU)
Валерий Григорьевич Вильнер
Владимир Георгиевич Волобуев (RU)
Владимир Георгиевич Волобуев
Борис Кириллович Рябокуль (RU)
Борис Кириллович Рябокуль
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority to RU2011101612/28A priority Critical patent/RU2451904C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2451904C1 publication Critical patent/RU2451904C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves generating a time-setting clock pulse sequence with period T, generating and transmitting a probing signal S0 with duration ts>T to a target, wherein the time for generating the probing signal is synchronised with one of the pulses in the pulse sequence, taking said time as the point of origin. The form of the probing signal corresponds to the given sequence of its sampled values S0i taken with interval T, recorded in an array {S0i}. W ≥ 2 arrays of sampled values {S0i}w of the probing signal are generated and recorded, where w = 1…W is the index number of the array, where in the w-th array, the first sampling instance is shifted by an interval δtw = (w - 1)T/W relative the point of origin. The reflected signal S is received, digitised by determining and recording relative the clock sequence of the array of its sampled values {Sj}. A shift p = Pw of the array {Sj} relative each of the arrays {S0j}w, for which the degree of their coincidence best satisfies a predetermined criterion RW(PW), is found. The number w = Q of the array of sampled values of the probing signal is determined, for which the estimate Rw(p) best matches the predetermined criterion, and range D to the target is determined using the relationship D = c(P + (Q - 1)/W)T/2 + ΔD0, where c is the speed of light, ΔD0 is a value which is determined by calibrating on a reference path for bias error compensation.
EFFECT: high accuracy of range finding.
5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.The invention relates to laser technology, namely to laser ranging.

Известны локационные способы измерения дальности до удаленных объектов. Известен способ измерения дальности до цели, включающий посылку на цель лазерного импульса S0(t, t0), регистрацию момента посылки t0, прием отраженного целью излучения S(t, tD), регистрацию момента приема tD и определение временного интервала τ=tD-t0, 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.Known location methods for measuring the distance to distant objects. A known method of measuring the distance to the target, including sending a laser pulse S 0 (t, t 0 ) to the target, recording the sending moment t 0 , receiving the radiation reflected by the target S (t, t D ), recording the receiving moment t D and determining the time interval τ = t D -t 0 , which is used to judge the distance D to the target [1] according to the formula D = cτ / 2, where c is the speed of light. According to this method, the moment of reception of the reflected signal (time reference) is recorded when the signal exceeds a predetermined threshold (signal edge alignment). With this method, the error of the timing is large - of the order of the duration of the front of the received signal [2]. Another disadvantage of the method described in [1] is the low accuracy of determining the time interval τ, since the first generation meters used analog methods for measuring time intervals.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S0(t, t0) длительностью ts>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i, зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации массива его выборочных значений {Sj} относительно тактовой последовательности, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t0 - момент излучения зондирующего сигнала, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S0i относительно тактовой последовательности, К=ts/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, Jmax=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала; Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света [3].The closest in technical essence to the proposed method is a method of measuring range, including the formation of a timing clock pulse sequence with a period T, the generation and sending to the target of a probe signal S 0 (t, t 0 ) of duration t s > T, the shape of which corresponds to a given sequence sampled value S 0i, registered in the array {S 0i}, order receiving a reflected signal S (t, t D), its digitization and recording by determining its array of sample values {S j} with respect to the clock pos edovatelnosti, determining the temporal position of the received signal with respect to the sounding signal by comparing arrays of sample probe values and the received signal, and t - current time, t 0 - the moment of emission of the probing signal, t D - the moment of receiving the reflected purpose signal, i = 1 ... K - ref the sample number of the probe signal S 0i relative to the clock sequence, K = t s / T is the number of samples of the probe signal, j = 1 ... J max is the sample sequence number of the received signal S j relative to the clock sequence, J max = 2D max / cT - the number of samples of the received signal; D max - the maximum measured range, s - the speed of light [3].

В указанном источнике сравнение массивов {S0i} и {Sj} производят путем последовательного сдвига массива {Sj} на р=1, 2 …Jmax шагов, соответствующих шагу Т тактовой последовательности, и определения на каждом шаге коэффициента корреляции

Figure 00000001
. 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.In the indicated source, the comparison of the arrays {S 0i } and {S j } is performed by sequentially shifting the array {S j } by p = 1, 2 ... J max steps corresponding to step T of the clock sequence, and determining at each step the correlation coefficient
Figure 00000001
. The value of P, at which the correlation dependence R (P) takes the maximum value, is considered to correspond to the temporary position of the received signal and the distance to the target is determined by the formula D = cPT / 2, where c is the speed of light.

При таком методе фиксации временного положения принятого сигнала S(t, tD), представленного массивом своих выборочных значений {Sj}, точность измерения дальности определяется дискретностью ячеек дальности d=сТ/2.With this method of fixing the temporary position of the received signal S (t, t D ), represented by an array of its sample values {S j }, the accuracy of the range measurement is determined by the discreteness of the range cells d = cT / 2.

Задачей изобретения является повышение точности определения дальности.The objective of the invention is to increase the accuracy of determining the range.

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 S0(t, t0) длительностью ts>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i, зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {Sj}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, причем t - текущее время, t0 - момент излучения зондирующего сигнала, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…K - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S0i относительно тактовой последовательности, К=ts/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, Jmax=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала, Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света, момент генерации зондирующего сигнала синхронизируют с одним из импульсов тактовой последовательности, принимая его за начало отсчета, формируют и регистрируют W≥2 массивов выборочных значений {S0i}w зондирующего сигнала, где w=1…W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-м массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал δtw=(w-1)T/W, находят такой сдвиг p=Pw массива {Sj} относительно каждого из массивов {S0j}w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию Rw(Pw), например минимуму суммарного абсолютного отклонения

Figure 00000002
где р=1, 2, …Pmax, Рmах=2Dmax/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности Dmax, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ΔD0, где с - скорость света, ΔD0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.This problem is solved due to the fact that in the known method for determining the range, including the formation of a time-setting clock sequence of pulses with a period T, generating and sending to the target a probing signal S 0 (t, t 0 ) of duration t s > T, the shape of which corresponds to a given sequence its sample values S 0i registered in the array {S 0i }, receiving the signal S (t, t D ) reflected by the target, its digitization by determining and registering its sample values {S j } with respect to the clock sequence of the array, determining the temporary position of the received signal relative to the probing signal by comparing arrays of sample values of the probing and received signals, where t is the current time, t 0 is the moment of emission of the probing signal, t D is the moment of reception of the signal reflected by the target, i = 1 ... K is the sample sequence number probing signal S 0i relative clock sequence K = t s / T - number of samples of the probe signal, j = 1 ... J max - sample number ref of the received signal S j with respect to the clock sequence, J max = 2D max / cT - Included quantity GUT samples of the received signal, D max - maximum measurable distance, c - velocity of light, the time of the probing signal generation is synchronized with a clock pulse sequence, taking it as the origin is formed and recorded W≥2 arrays of sample values {S 0i} w probing signal, where w = 1 ... W is the serial number of the array, by forming samples with the interval T, and in the wth array, the time of the first sampling is shifted relative to the origin by the interval δt w = (w-1) T / W, find such a shift p = P w array {S j} with respect to zhdogo arrays of {S 0j} w, wherein the degree of overlap to the greatest extent satisfies a predetermined criterion R w (P w), such as a minimum sum of absolute deviation
Figure 00000002
where p = 1, 2, ... P max , P max = 2D max / cT is the maximum number of range cells corresponding to the maximum measured range D max , then determine the number w = Q of the array of sample values of the probe signal, for which the estimate R w (p ) meets the established criterion to the greatest extent, and they judge the range D to the target by the ratio D = c (P + (Q-1) / W) T / 2 + ΔD 0 , where c is the speed of light, ΔD 0 is a constant value, which is determined previously by calibration on a reference path to compensate for systematic error.

Массивы {S0i}w можно формировать путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S0iw с периодом Т.Arrays {S 0i } w can be formed by pre-digitizing the probe signal, which consists in the probe radiation of the probe signal, converting it into an electrical signal, determining and recording its sample values S 0iw with period T.

Массивы {S0i}w целесообразно размещать так, чтобы выборки с максимальным значением имели одинаковый порядковый номер во всех массивах.It is advisable to place the arrays {S 0i } w so that the samples with the maximum value have the same serial number in all arrays.

Для быстрого определения оптимального массива с номером w=Q в массиве {Sj} определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S0i}w и принятого {Sj} сигналов путем совмещения выборок, имеющих максимальные значения.To quickly determine the optimal array with number w = Q in the array {S j }, determine the sample serial number with the maximum value and combine the arrays of sample values of the probing {S 0i } w and the received {S j } signals by combining the samples with the maximum values.

Зондирование цели можно производить многократно, а массив выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции формировать в виде суммы

Figure 00000003
выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.The sounding of the target can be performed many times, and an array of sampled values of the received signal at each jth position can be formed as a sum
Figure 00000003
sample values obtained with each sounding, where m is the sounding sequence number, N is the number of soundings.

На Фиг.1 представлена временная диаграмма процесса зондирования, его привязки к тактовой частоте и формирования массивов {S0i} и {Sj}. Фиг.2 иллюстрирует формирование функции

Figure 00000004
На Фиг.3 показаны зависимости вида
Figure 00000005
и
Figure 00000006
полученные при воздействии шума. Фиг.4 иллюстрирует принцип формирования массивов {S0i}w=1 и {S0i}w=2. На фиг.5 представлены результаты формирования функций
Figure 00000007
при моделировании реального процесса измерения дальности. Фиг.6 поясняет процесс накопления данных при многократном зондировании.Figure 1 presents a timing diagram of the sensing process, its binding to the clock frequency and the formation of arrays {S 0i } and {S j }. Figure 2 illustrates the formation of functions
Figure 00000004
Figure 3 shows the dependence of the type
Figure 00000005
and
Figure 00000006
obtained when exposed to noise. Figure 4 illustrates the principle of the formation of arrays {S 0i } w = 1 and {S 0i } w = 2 . Figure 5 presents the results of the formation of functions
Figure 00000007
when modeling a real range measurement process. 6 illustrates the process of data accumulation during multiple sounding.

В момент времени t0 в направлении цели посылают зондирующий импульс S0(t, t0) 1, представленный массивами своих выборочных значений {S0i}w. Один из таких массивов 2 показан на фиг.1. Затем принимают отраженный целью импульс S(t, tD) 3. Момент t0 излучения зондирующего импульса 1 привязан к тактовой последовательности 4 путем присвоения импульсу тактовой последовательности, совпадающему с моментом t0, порядкового номера i=0. Тактовые импульсы генерируют с помощью высокостабильного источника с частотой FT=1/Т, где Т - период следования тактовых импульсов. Массивы {S0i}w можно формировать путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S0iw с периодом Т. Массивы 2 сохраняют в памяти системы и обновляют их в процессе подготовки к измерениям каждый раз, когда это требуется по условиям метрологической калибровки. Принятый сигнал 3 оцифровывают путем определения его выборочных значений S(j) в моменты генерации каждого j-го тактового импульса; нумерация отсчетов S(j) ведется от тактового импульса с номером j=0, совпадающего с моментом t0. Полученные выборочные значения сохраняют в массиве {Sj} 5, хранящемся в памяти системы. Массивы {S0i}w и {Sj} 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 для каждого из массивов {S0i}w оценочную функцию R(p) 6 путем последовательной генерации чисел р=1, 2, …Рmах и определения для каждого p величины

Figure 00000008
,
Figure 00000009
или иной функциональной зависимости, отражающей степень совпадения формы переданного и принятого сигналов, содержащейся в массивах {S0i}w и {Sj}, где р=1, 2, …, Рmах - номер ячейки дальности; Рmах=2Dmax/cT - количество ячеек дальности, Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света. На фиг.3а) показана зависимость вида
Figure 00000010
(6), а на фиг.3б) - зависимость вида
Figure 00000011
(7). Затем для каждого массива {S0i}w определяют номер ячейки Р=p(Rmin), соответствующей оптимальному значению критерия (минимальному для зависимости 6 и максимальному для зависимости 7), и номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию. Если в массивах {S0i}w выборка с максимальным значением находится в одной и той же позиции, то значение Р одинаково для всех массивов, и поиск оптимального массива {S0i}w может быть ускорен путем совмещения максимальных выборок {Sj} с максимальными выборками каждого из массивов {S0i}w и вычисления Rw(p) при сдвиге p=Р, соответствующем такому совмещению без построения всей кривой Rw(p). После определения оптимальных значений Р и Q вычисляют дальность D до цели по формуле D=с(Р+(Q-1)/W)T/2+ΔD0, где с - скорость света, W - количество массивов {S0i}w, Т - период тактовой частоты, ΔD0 - поправка, определяемая предварительно при калибровке измерителя на эталонной дистанции.At time t 0 , a probe pulse S 0 (t, t 0 ) 1, represented by arrays of their sample values {S 0i } w , is sent in the direction of the target. One of these arrays 2 is shown in FIG. Then, the pulse S (t, t D ) 3 reflected by the target is received. The radiation moment t 0 of the probe pulse 1 is tied to the clock sequence 4 by assigning the pulse of the clock sequence coinciding with the moment t 0 with serial number i = 0. Clock pulses are generated using a highly stable source with a frequency of F T = 1 / T, where T is the repetition period of clock pulses. Arrays {S 0i } w can be formed by preliminary digitization of the probe signal, which consists in the probe radiation of the probe signal, its conversion into an electrical signal, determination and registration of its sample values S 0iw with period T. Arrays 2 are stored in the system memory and updated in the process preparation for measurements every time it is required by the conditions of metrological calibration. The received signal 3 is digitized by determining its sample values S (j) at the moments of generation of each j-th clock pulse; the numbering of samples S (j) is carried out from the clock pulse with number j = 0, which coincides with the moment t 0 . The received sample values are stored in the array {S j } 5 stored in the system memory. The arrays {S 0i } w and {S j } are normalized so that their samples with maximum values are equal. This minimizes the harmful effects of noise and dynamic distortion on subsequent data processing. After normalization, an evaluation function R (p) 6 is formed for each of the arrays {S 0i } w by successively generating numbers p = 1, 2, ... P max and determining for each p the values
Figure 00000008
,
Figure 00000009
or other functional dependence, reflecting the degree of coincidence of the shape of the transmitted and received signals contained in the arrays {S 0i } w and {S j }, where p = 1, 2, ..., P max is the number of the range cell; P max = 2D max / cT is the number of range cells, D max is the maximum measured range, and s is the speed of light. On figa) shows the dependence of the form
Figure 00000010
(6), and in fig.3b) - the dependence of the form
Figure 00000011
(7). Then, for each array {S 0i } w, determine the cell number P = p (R min ) corresponding to the optimal value of the criterion (minimum for dependence 6 and maximum for dependence 7), and number w = Q of the array of sample values of the probe signal, for which the estimate R w (p) most closely matches the established criterion. If the sample with the maximum value is in the same position in the arrays {S 0i } w , then the value of P is the same for all arrays, and the search for the optimal array {S 0i } w can be accelerated by combining the maximum samples {S j } with the maximum samples of each of the arrays {S 0i } w and the calculation of R w (p) with a shift p = P corresponding to such a combination without constructing the entire curve R w (p). After determining the optimal values of P and Q, the distance D to the target is calculated by the formula D = c (P + (Q-1) / W) T / 2 + ΔD 0 , where c is the speed of light, W is the number of arrays {S 0i } w , T is the period of the clock frequency, ΔD 0 is the correction determined previously when calibrating the meter at a reference distance.

На фиг.4 представлен пример формирования массивов {S0i}1 8 и {S0i}2 9 при W=2 и, соответственно, при сдвиге выборочных значений второго массива относительно первого на δtw=(w-1)T/W=δt2=(2-1)T/2=Т/2. В каждом из этих массивов содержится по восемь выборок зондирующего сигнала, причем выборки с максимальным значением приходятся в обоих случаях на вторую позицию (S21 и S22). На фиг.5а) и 5б) показаны результаты обработки данных при сдвиге сигнала S(t, tD) 3 на время tD=8Т (фиг.5а) и tD=8,5Т (фиг.5б). В обоих случаях сигнал искажен аддитивным нормальным шумом со средним значением, равным нулю, и среднеквадратическим отклонением σ=0,1 от максимального значения (амплитуды) сигнала S(t). Оценку положения сигнала производят с помощью массивов 8 и 9 путем формирования функции

Figure 00000012
определения позиции Р ее максимума и определения номера массива w=Q с максимальным значением Rw(P). Кривые 10 и 11 построены соответственно с помощью массивов 8 и 9. Аналогично, массивам 8 и 9 соответствуют кривые 12 и 13. На фиг.5а) максимум критерия Rw(P) обеспечивается для функции 10, для которой Q=1, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки tD сигнала в этом случае составляет tD=(Р+(Q-1)/W)T=(8+(1-1)/2)Т=8Т. На фиг.5б) максимум критерия Rw(P) обеспечивается для функции 13, для которой Q=2, в позиции Р=8. Тогда оценка задержки tD сигнала в этом случае составляет tD=(8+(2-1)/2)Т=8,5Т. Обе оценки соответствуют истинным значениям задержки.Figure 4 shows an example of the formation of arrays {S 0i } 1 8 and {S 0i } 2 9 at W = 2 and, respectively, when shifting the sample values of the second array relative to the first by δt w = (w-1) T / W = δt 2 = (2-1) T / 2 = T / 2. Each of these arrays contains eight samples of the probing signal, and the samples with the maximum value are in the second position in both cases (S 21 and S 22 ). On figa) and 5b) shows the results of data processing when the signal S (t, t D ) 3 is shifted by time t D = 8T (figa) and t D = 8.5T (fig.5b). In both cases, the signal is distorted by additive normal noise with an average value of zero and a standard deviation of σ = 0.1 from the maximum value (amplitude) of the signal S (t). The signal position is estimated using arrays 8 and 9 by forming a function
Figure 00000012
determining the position P of its maximum and determining the array number w = Q with the maximum value of R w (P). Curves 10 and 11 are constructed respectively using arrays 8 and 9. Similarly, arrays 8 and 9 correspond to curves 12 and 13. In Fig. 5a), the maximum criterion R w (P) is provided for function 10, for which Q = 1, in position P = 8. Then the estimate of the signal delay t D in this case is t D = (P + (Q-1) / W) T = (8+ (1-1) / 2) T = 8T. On figb) the maximum criterion R w (P) is provided for the function 13, for which Q = 2, in position P = 8. Then the estimate of the signal delay t D in this case is t D = (8+ (2-1) / 2) T = 8.5T. Both estimates correspond to true delay values.

Таким образом, при использовании двух массивов {S0i} дискретность определения задержки сигнала уменьшена до Т/2. Аналогично, при увеличении количества W массивов {S0i} дискретность оценки задержки уменьшается до Т/W.Thus, when using two arrays {S 0i }, the discreteness of determining the signal delay is reduced to T / 2. Similarly, as the number of arrays {S 0i } increases, the discreteness of the delay estimate decreases to T / W.

Практически нет необходимости строить зависимости Rw(p). Достаточно совместить максимальные выборки {Sj} и каждого из массивов {S0i}w, определить значения критерия Rw при таком совмещении и определить номер Q массива с наилучшим значением Rw=Q.There is practically no need to build the dependences R w (p). It is enough to combine the maximum samples {S j } and each of the arrays {S 0i } w , determine the values of the criterion R w with this combination and determine the number Q of the array with the best value R w = Q.

Точность измерения дальности может быть значительно увеличена методом накопления [5] за счет увеличения эффективного отношения сигнал/шум путем многократного зондирования цели и формирования массива 14 выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции в виде суммы

Figure 00000013
выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.The accuracy of the range measurement can be significantly increased by the accumulation method [5] by increasing the effective signal-to-noise ratio by repeatedly probing the target and forming an array of 14 sampled values of the received signal in each jth position as a sum
Figure 00000013
sample values obtained with each sounding, where m is the sounding sequence number, N is the number of soundings.

Для повышения устойчивости к шумам и помехам можно формировать критерий совпадения массивов в виде функции

Figure 00000014
минимальное значение которой соответствует наилучшему совпадению массивов {S0i}w и {Sj}. Из фиг.3 видно, что такая зависимость 6 имеет более острый экстремум по сравнению с корреляционной зависимостью 7. Это снижает вероятность ошибки при воздействии возмущающих воздействий.To increase the resistance to noise and interference, it is possible to form a criterion for the coincidence of arrays as a function
Figure 00000014
the minimum value of which corresponds to the best match of the arrays {S 0i } w and {S j }. From figure 3 it can be seen that this dependence 6 has a sharper extremum compared with the correlation dependence 7. This reduces the likelihood of error when exposed to disturbing influences.

Предлагаемый способ реализован в экспериментальном образце лазерного дальномера со следующими характеристиками. Тактовая частота FT=25 МГц (тактовый период Т=40 нс, что соответствует дискретности по дальности ΔD=6 м). Количество массивов {S0i} W=100. Критерий

Figure 00000015
вычисляется в одной точке - в ячейке дальности p=Р, соответствующей совпадению максимальных выборок массивов {S0i} и {Sj}. Максимальные выборки всех массивов {S0i}w находятся во 2-й позиции, а общее количество выборок К=5. Дальномер работает в режиме накопления с частотой зондирований 8000 Гц. 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.The proposed method is implemented in an experimental sample of a laser rangefinder with the following characteristics. Clock frequency F T = 25 MHz (clock period T = 40 ns, which corresponds to discreteness in range ΔD = 6 m). The number of arrays {S 0i } W = 100. Criterion
Figure 00000015
it is calculated at one point — in the range cell p = P, corresponding to the coincidence of the maximum samples of the arrays {S 0i } and {S j }. The maximum samples of all arrays {S 0i } w are in the 2nd position, and the total number of samples is K = 5. The range finder operates in the accumulation mode with a sounding frequency of 8000 Hz. The accumulation volume N is automatically set depending on the magnitude of the reflected signal — from N = 128 for a strong signal to N = 8000 for a weak signal. The standard error of the range measurement does not exceed 0.06 m. For known rangefinders, the measurement error is ten times greater than this value.

Предлагаемый способ измерения дальности 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.The proposed method of measuring range in comparison with known methods provides a significantly more accurate estimate of the position of the reflected signal from the array of its sample values under noise exposure, including multiple sounding and data accumulation. The result is a significant increase in the accuracy of determining the range to the target.

Источники информацииInformation sources

1. В.А.Волохатюк, В.М.Кочетков, P.P.Красовский. Вопросы оптической локации. М.: Советское радио, 1971 г., с.176.1. V.A. Volokhatyuk, V.M. Kochetkov, P.P. Krasovsky. Optical location issues. M .: Soviet Radio, 1971, p.176.

2. Е.А.Мелешко. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1977, с.77.2. E.A. Meleshko. Integrated circuits in nanosecond nuclear electronics. M .: Atomizdat, 1977, p.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.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. - The prototype.

4. B.E.Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1977.4. B.E. Gmurman. Theory of Probability and Mathematical Statistics. M .: Higher school, 1977.

5. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.5. Ya. D. Shirman, V.N. Manzhos. The theory and technique of processing radar information against the background of interference. M .: Radio and communications, 1981.

Claims (5)

1. Способ измерения дальности, включающий формирование времязадающей тактовой последовательности импульсов с периодом Т, генерацию и посылку на цель зондирующего сигнала S0(t, t0) длительностью ts>T, форма которого соответствует заданной последовательности его выборочных значений S0i, зарегистрированной в массиве {S0i}, прием отраженного целью сигнала S(t, tD), его оцифровку путем определения и регистрации относительно тактовой последовательности массива его выборочных значений {Sj}, определение временного положения принятого сигнала относительно зондирующего сигнала путем сравнения массивов выборочных значений зондирующего и принятого сигналов, где t - текущее время, t0 - момент излучения зондирующего сигнала, tD - момент приема отраженного целью сигнала, i=1…К - порядковый номер выборки зондирующего сигнала S0i относительно тактовой последовательности, К=ts/T - количество выборок зондирующего сигнала, j=1…Jmax - порядковый номер выборки принятого сигнала Sj относительно тактовой последовательности, Jmax=2Dmax/cT - количество выборок принятого сигнала, Dmax - максимальная измеряемая дальность, с - скорость света, отличающийся тем, что момент генерации зондирующего сигнала синхронизируют с одним из импульсов тактовой последовательности, принимая его за начало отсчета, формируют и регистрируют W≥2 массивов выборочных значений {S0i}w зондирующего сигнала, где w=1…W - порядковый номер массива, путем формирования выборок с интервалом Т, причем в w-ом массиве момент первой выборки сдвигают относительно начала отсчета на интервал δtw=(w-1)T/W, находят такой сдвиг р=Pw массива {Sj} относительно каждого из массивов {S0j}w, при котором степень их совпадения в наибольшей степени удовлетворяет заранее установленному критерию Rw(Pw), например, минимуму суммарного абсолютного отклонения
Figure 00000016
,
где р=1, 2,… Рmах; Рmах=2Dmax/cT - максимальное число ячеек дальности, соответствующее максимальной измеряемой дальности Dmax, затем определяют номер w=Q массива выборочных значений зондирующего сигнала, для которого оценка Rw(p) в наибольшей степени соответствует установленному критерию, и судят о дальности D до цели по соотношению D=c(P+(Q-1)/W)T/2+ΔD0, где с - скорость света, ΔD0 - постоянная величина, которую определяют предварительно путем калибровки на эталонной трассе для компенсации систематической ошибки.
1. A method of measuring range, including the formation of a time-consuming clock sequence of pulses with a period T, generation and sending to the target a probing signal S 0 (t, t 0 ) of duration t s > T, the shape of which corresponds to a given sequence of its sample values S 0i recorded in array {S 0i }, receiving the signal S (t, t D ) reflected by the target, digitizing it by determining and registering its sample values {S j } relative to the clock sequence of the array, determining the temporal position of the received signal from relative to the probing signal by comparing arrays of sample values of the probing and received signals, where t is the current time, t 0 is the moment of emission of the probing signal, t D is the moment of reception of the signal reflected by the target, i = 1 ... K is the serial number of the probe signal S 0i relative to clock sequence, K = t s / T is the number of samples of the probing signal, j = 1 ... J max is the serial number of the samples of the received signal S j relative to the clock sequence, J max = 2D max / cT is the number of samples of the received signal, D max is the maximum measurable distance, c - velocity of light, characterized in that the moment of generation of the probe signal is synchronized with a clock pulse sequence, taking it as the origin is formed and recorded W≥2 arrays of sample values {S 0i} w probing signal, where w = 1 ... W is the serial number of the array, by forming samples with the interval T, and in the wth array, the time of the first sampling is shifted relative to the origin by the interval δt w = (w-1) T / W, find such a shift p = P w of the array { S j } with respect to each of the arrays {S 0j } w , for which the degree of their coincidence to the greatest extent satisfies the predetermined criterion R w (P w ), for example, the minimum of the total absolute deviation
Figure 00000016
,
where p = 1, 2, ... P max ; P max = 2D max / cT - the maximum number of range cells corresponding to the maximum measured range D max , then determine the number w = Q of the array of sample values of the probe signal, for which the estimate R w (p) most closely matches the established criterion, and judge range D to the target according to the relation D = c (P + (Q-1) / W) T / 2 + ΔD 0 , where c is the speed of light, ΔD 0 is a constant value that is previously determined by calibration on a reference path to compensate for systematic error .
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S0i}w формируют путем предварительной оцифровки зондирующего сигнала, заключающейся в пробном излучении зондирующего сигнала, его преобразовании в электрический сигнал, определении и регистрации его выборочных значений S0iw с периодом Т.2. The method according to claim 1, characterized in that the arrays {S 0i } w are formed by pre-digitizing the probe signal, which consists in the probe radiation of the probe signal, converting it into an electrical signal, determining and recording its sample values S 0iw with period T. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что массивы {S0i}w размещают так, чтобы выборки с максимальным значением имели одинаковый порядковый номер во всех массивах.3. The method according to claim 1, characterized in that the arrays {S 0i } w are placed so that the samples with the maximum value have the same serial number in all arrays. 4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что в массиве {Sj} определяют порядковый номер выборки с максимальным значением и совмещают массивы выборочных значений зондирующего {S0i}w и принятого {Sj} сигналов путем совмещения выборок, имеющих максимальные значения.4. The method according to claim 1 or 3, characterized in that the array number {S j } determines the serial number of the sample with the maximum value and combines arrays of sample values of the probing {S 0i } w and received {S j } signals by combining samples having maximum values. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что зондирование цели производят многократно, а массив выборочных значений принятого сигнала в каждой j-й позиции формируют в виде суммы
Figure 00000017
выборочных значений, получаемых при каждом зондировании, где m - порядковый номер зондирования, N - количество зондирований.
5. The method according to claim 1, characterized in that the sounding of the target is performed repeatedly, and an array of sampled values of the received signal in each jth position is formed as a sum
Figure 00000017
sample values obtained with each sounding, where m is the sounding sequence number, N is the number of soundings.
RU2011101612/28A 2011-01-18 2011-01-18 Range-finding method RU2451904C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101612/28A RU2451904C1 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Range-finding method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011101612/28A RU2451904C1 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Range-finding method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2451904C1 true RU2451904C1 (en) 2012-05-27

Family

ID=46231737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011101612/28A RU2451904C1 (en) 2011-01-18 2011-01-18 Range-finding method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2451904C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0654682A2 (en) * 1993-11-18 1995-05-24 Kabushiki Kaisha TOPCON Light-wave distance meter based on light pulses
US5805468A (en) * 1995-05-09 1998-09-08 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik Method and apparatus for determining the light transit time over a measurement path arranged between a measuring apparatus and a reflecting object
RU2249230C2 (en) * 1998-03-26 2005-03-27 Маркку Сакари ЛЕХТИНЕН Method and device for measuring radio location reflectivity and doppler shift by means of radar
JP2008145201A (en) * 2006-12-07 2008-06-26 Nec Engineering Ltd Distance measuring apparatus
EP2116864A1 (en) * 2008-05-09 2009-11-11 Vrije Universiteit Brussel TOF range finding with background radiation suppression

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0654682A2 (en) * 1993-11-18 1995-05-24 Kabushiki Kaisha TOPCON Light-wave distance meter based on light pulses
US5805468A (en) * 1995-05-09 1998-09-08 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik Method and apparatus for determining the light transit time over a measurement path arranged between a measuring apparatus and a reflecting object
RU2249230C2 (en) * 1998-03-26 2005-03-27 Маркку Сакари ЛЕХТИНЕН Method and device for measuring radio location reflectivity and doppler shift by means of radar
JP2008145201A (en) * 2006-12-07 2008-06-26 Nec Engineering Ltd Distance measuring apparatus
EP2116864A1 (en) * 2008-05-09 2009-11-11 Vrije Universiteit Brussel TOF range finding with background radiation suppression

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106154279B (en) A kind of laser range finder bearing calibration
CA2650235C (en) Distance measuring method and distance measuring element for detecting the spatial dimension of a target
CN102426364B (en) Determining range in 3D imaging systems
JP4817665B2 (en) Lightning location method and system
JP2019516114A (en) Laser ranging system by time domain waveform matching and method thereof
CN105487067B (en) Bigness scale and accurate measurement distance signal processing method, the processing module and chirped modulation photon counting laser radar system based on the module
CN109597052A (en) Laser radar echo data extraction method and extraction element
RU2455615C1 (en) Method for non-coherent accumulation of optical location signals
CN210129035U (en) Laser radar echo data extraction device
Liu et al. B-spline based progressive decomposition of LiDAR waveform with low SNR
US7193692B2 (en) Laser range finder and method to measure a distance
RU2372626C1 (en) Method of determining distance to earth's surface
RU2451904C1 (en) Range-finding method
CN115616608A (en) Single-photon three-dimensional imaging distance super-resolution method and system
RU2469269C2 (en) Range-finding method
RU2393500C2 (en) Method of determining phases of complex envelopes of reflected signals in object multi-frequency pulsed sounding for radar object imagery
CN116338708A (en) Method, device and system for measuring flight time
RU2390724C2 (en) Method for light-range finding
Qi et al. Pulse Lidar imaging algorithm based on adaptive triangle window-width centroid discrimination
CN114270219A (en) Measurement method, apparatus, movable platform and computer readable medium
RU2631118C1 (en) Method of determining azimuth of object with help of interpolated direction-finding characteristics
Strange et al. What is the true time range of a GPR system?
RU2451950C1 (en) Method for timing pulsed optical location signal
RU2385471C2 (en) Method of determining range and/or speed of remote object
RU2352903C1 (en) Method of laser probing of remote object