RU2810710C1 - Method for accumulating light-location signals - Google Patents
Method for accumulating light-location signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810710C1 RU2810710C1 RU2023125987A RU2023125987A RU2810710C1 RU 2810710 C1 RU2810710 C1 RU 2810710C1 RU 2023125987 A RU2023125987 A RU 2023125987A RU 2023125987 A RU2023125987 A RU 2023125987A RU 2810710 C1 RU2810710 C1 RU 2810710C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- series
- threshold
- accumulation
- probability
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии, более конкретно - к приему светолокационных сигналов.The invention relates to laser technology, namely to laser ranging, more specifically to the reception of light-location signals.
Известен способ некогерентного накопления импульсов при их многократном повторении, например, для обнаружения принимаемых сигналов при лазерном или радиолокационном зондировании удаленных объектов [1-5]. Указанный способ заключается в том, что производят серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования принятый сигнал сравнивают с аналоговым порогом (осуществляют бинарное квантование), подсчитывают количество превышений аналогового порога и принимают решение о наличии сигнала, если это количество превышает заданное число.There is a known method for the incoherent accumulation of pulses when they are repeated many times, for example, to detect received signals during laser or radar probing of remote objects [1-5]. This method consists in performing a series of probing cycles; in each probing cycle, the received signal is compared with an analog threshold (binary quantization is performed), the number of times the analog threshold is exceeded, and a decision is made on the presence of a signal if this number exceeds a given number.
Этот способ не позволяет реализовать потенциальную вероятность обнаружения сигналов вследствие потери информации при бинарном квантовании принимаемого сигнала.This method does not allow realizing the potential probability of signal detection due to the loss of information during binary quantization of the received signal.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ некогерентного накопления сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой после завершения серии судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом [6].The closest in technical essence to the proposed method is the method of incoherent accumulation of signals, including a series of probing cycles, in each probing cycle the reception of a reflected signal and comparison of the received signal with several analog threshold levels, the accumulation of the sum of excesses of analog threshold levels, by which, after completion of the series, the presence of a signal by comparing the sum of excesses with a threshold number [6].
Фиксированный объем накопления, присущий этому способу, ограничивает его преимущества из-за избыточного времени измерения в условиях, когда в этом нет необходимости, и неоправданного расходования ресурса излучателя и источника питания.The fixed storage volume inherent in this method limits its advantages due to excessive measurement time in conditions where this is not necessary, and unjustified consumption of the resource of the emitter and power source.
Задачей изобретения является оптимальный выбор режима накопления в зависимости от характера локационной обстановки.The objective of the invention is the optimal choice of accumulation mode depending on the nature of the location situation.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе накопления светолокационных сигналов, включающем N циклов зондирования цели, в каждом из которых производят сравнение отраженного целью сигнала с пороговым уровнем и накопления количества М превышений порога, по которому судят о наличии сигнала, предварительно производят серию N'(p,t,m) зондирований, подтверждающих заданную вероятность достоверного измерения для сигналов, превышающих пороговую величину, где р - допустимая вероятность пропуска сигнала, t - коэффициент, определяемый из выражения Ф(t)=γ/2, γ - доверительная вероятность, Ф(t) - функция Лапласа, m - заданное допустимое число пропусков сигнала в предварительной серии, определяют в этой серии количество превышений порога М' и, при выполнении условия N'-М'≤m, накопление прекращают и принимают решение о наличии сигнала, причем, объем предварительной серии определяют по формуле где m=1, 2, 3…This problem is solved due to the fact that in the known method of accumulating light-location signals, including N cycles of target probing, in each of which the signal reflected by the target is compared with a threshold level and the number M of exceeding the threshold is accumulated, by which the presence of a signal is judged, a series of N'(p,t,m) soundings confirming a given probability of reliable measurement for signals exceeding a threshold value, where p is the permissible probability of missing a signal, t is a coefficient determined from the expression Ф(t)=γ/2, γ is confidence probability, Ф(t) - Laplace function, m - a given permissible number of signal omissions in a preliminary series, determine in this series the number of exceedings of the threshold M' and, if the condition N'-M'≤m is met, accumulation is stopped and a decision is made on the presence signal, and the volume of the preliminary series is determined by the formula where m=1, 2, 3…
При проведении предварительной серии можно поочередно присваивать параметру m значения 1, 2 и т.д., если в предыдущей серии не выполняется условие N'-М'≤m.When conducting a preliminary series, you can alternately assign the
На фиг. 1 представлен пример смеси сигнала с шумом и два аналоговых порога, установленных симметрично относительно нулевого уровня.In fig. Figure 1 shows an example of a signal-noise mixture and two analog thresholds set symmetrically relative to the zero level.
На фиг. 2 показаны примеры обнаружения слабого сигнала N=100, М=7 (фиг. 2а) и сильного сигнала N'=10, М=10 (фиг. 2б).In fig. Figure 2 shows examples of detecting a weak signal N=100, M=7 (Fig. 2a) and a strong signal N'=10, M=10 (Fig. 2b).
На фиг. 3 приведен вариант структуры для реализации способа.In fig. Figure 3 shows a variant of the structure for implementing the method.
Смесь принятого сигнала и шума (фиг. 1) образует реализацию случайного процесса, подвергаемую анализу путем сравнения с одним или несколькими аналоговыми порогами. В представленном на фиг. 1 двухуровневом варианте [6] эту реализацию сравнивают с аналоговыми порогами, расположенными симметрично относительно нулевого уровня. Если в данном цикле зондирования в каком-либо дискрете времени реализация пересекает положительный пороговый уровень u+вверх, то регистрируют это генерацией и добавлением к накапливаемой сумме числа +1, а если реализация пересекает отрицательный пороговый уровень и. вниз, то к накапливаемой сумме добавляют число минус 1. По окончании серии из N зондирований в каждой дискрете сравнивают накопленную сумму М с пороговым числом М* и, в случае превышения этого числа, принимают решение о наличии сигнала в данной дискрете (фиг. 2а).The mixture of the received signal and noise (Fig. 1) forms a realization of a random process, which is analyzed by comparison with one or more analog thresholds. In the one shown in FIG. 1 two-level version [6], this implementation is compared with analog thresholds located symmetrically relative to the zero level. If in a given probing cycle in any discrete time the implementation crosses the positive threshold level u+up, then this is recorded by generating and adding the number +1 to the accumulated amount, and if the implementation crosses the negative threshold level u. down, then the
Предварительную серию накопления проводят для выявления сильных отраженных сигналов. При наличии такого сигнала, определяемого при объеме накопления N' по критерию N'-М'≤m, накопление прекращают и принимают решение о наличии сигнала,A preliminary accumulation series is carried out to identify strong reflected signals. In the presence of such a signal, determined by the accumulation volume N' according to the criterion N'-M'≤m, accumulation is stopped and a decision is made about the presence of a signal,
Объем N основной серии при обнаружении слабых сигналов устанавливают, исходя из допустимого времени накопления, ожидаемой амплитуды отраженных сигналов, определяемой характером цели, требованиями по точности измерений и энергетического потенциала локационной системы [7, 8].The volume N of the main series when weak signals are detected is set based on the permissible accumulation time, the expected amplitude of the reflected signals, determined by the nature of the target, the requirements for measurement accuracy and the energy potential of the location system [7, 8].
Объем N' предварительной серии определяют следующим образом.The volume N' of the preliminary batch is determined as follows.
Относительная частота недостоверных измерений соответствует схеме Бернулли для случайных альтернативных событий и подчиняется биномиальному распределению [3].The relative frequency of unreliable measurements corresponds to the Bernoulli scheme for random alternative events and is subject to a binomial distribution [3].
При этом математическое ожидание оценки W частоты недостоверных измерений m/n в серии из n испытанийIn this case, the mathematical expectation of the estimate W of the frequency of unreliable measurements m/n in a series of n tests
Дисперсия оценки частоты недостоверных измеренийDispersion of the estimate of the frequency of unreliable measurements
где р - ожидаемая вероятность события.where p is the expected probability of the event.
Среднеквадратическое отклонение оценкиStandard deviation of the estimate
При оценке W вероятности пропуска сигнала путем подсчета относительной частоты пропусков [3] как отношения количества m* пропусков и полного объема серии n приемочное количество m*=m*пр определяется выражениемWhen estimating W the probability of missing a signal by calculating the relative frequency of omissions [3] as the ratio of the number m* of omissions and the total volume of the series n, the acceptance quantity m*=m* pr is determined by the expression
где р - заданная вероятность пропуска; х**** - доверительный коэффициент.where p is the specified probability of missing; x**** - confidence coefficient.
При минимально значимой величине m*пр=1 из (4) следует минимальный объем серииWith a minimally significant value m* pr = 1 from (4) the minimum volume of the series follows
где Where
Согласно методу интервальных оценок [3] верхняя граница доверительной вероятности при n>>1 описывается формулойAccording to the method of interval estimates [3], the upper limit of the confidence probability for n>>1 is described by the formula
где W=m/n;where W=m/n;
t - доверительный коэффициент, определяемый из выражения: Ф(t)=γ/2:t - confidence coefficient determined from the expression: Ф(t)=γ/2:
γ - доверительная вероятность;γ - confidence probability;
Ф(t) - функция Лапласа.Ф(t) - Laplace function.
При W<<1 выражение (6) упрощаетсяFor W<<1, expression (6) is simplified
откудаwhere
Такая методика позволяет устанавливать минимальный объем предварительной серии, достаточный для проведения измерений с заданной вероятностью правильного обнаружения D=1-W, то есть за минимально возможное время Т'.This technique allows you to set the minimum volume of the preliminary series, sufficient to carry out measurements with a given probability of correct detection D=1-W, that is, in the shortest possible time T'.
Пример 1Example 1
p=0,l; m=1; t~2 (соответствует доверительной вероятности 0,95) [3, с. 226)].p=0,l; m=1; t~2 (corresponds to a confidence probability of 0.95) [3, p. 226)].
Минимальный объем Minimum volume
То есть, если в пробной серии не было ни одного пропуска или произошел один пропуск, то дальность до цели считают измеренной, и накопление прекращают.That is, if in the trial series there were no omissions or one omission occurred, then the range to the target is considered measured, and accumulation is stopped.
Замечание. При указанных параметрах предварительной серии и при выбранных оптимальных [7] значениях порогов относительно среднеквадратического уровня шума событие N'-М'≥m за счет шумовых выбросов в отсутствие сигнала практически невозможно вследствие близости к нулю вероятности такого события.Comment. With the specified parameters of the preliminary series and with the selected optimal [7] threshold values relative to the root-mean-square noise level, the event N'-M'≥m due to noise emissions in the absence of a signal is practically impossible due to the proximity to zero of the probability of such an event.
Если в предварительной серии произошло более одного пропуска, то серия может быть продолжена до выполнения условия (8).If more than one omission occurred in the preliminary series, then the series can be continued until condition (8) is met.
Пример 2Example 2
р=0,1; m=2; t=2.p=0.1; m=2; t=2.
Пример 3Example 3
р=0,1; m=16; t=2.p=0.1; m=16; t=2.
Подобным образом можно продолжать поэтапное наращивание предварительной серии до тех пор, пока объем N' не достигнет максимального объема N'=N.In a similar way, you can continue to gradually increase the preliminary series until the volume N' reaches the maximum volume N'=N.
На фиг. 3 приведена схема осуществления способа. Реализующее его устройство содержит частотный лазерный излучатель 1, фотоприемник 2, усилитель 3, пороговые устройства 4 и 5, многоканальный накопитель 6 и решающее устройство 7. На выходе порогового устройства 5 имеется счетчик 8 с времязадающей схемой 9. Синхронизация системы производится блоком управления 10.In fig. Figure 3 shows a diagram of the method. The device that implements it contains a
По команде с блока управления 10 запускается лазер 1, периодически излучающий зондирующие импульсы в сторону цели. Отраженные целью сигналы принимаются фотоприемником 2. Смесь сигнала с шумом через усилитель 3 поступает на входы пороговых устройств 4 и 5. Пороговые устройства [6, 7] имеют одинаковые пороги разной полярности (фиг. 1). При срабатывании порогового устройства 4 в накопитель отправляется минус 1, а при срабатывании устройства 5 - плюс 1. Среднее значение накопленного шума, таким образом, равно нулю. Сигнал имеет положительную полярность и при повторении зондирований постепенно увеличивает среднее значение накопленной суммы, до тех пор, пока накопленной суммой не будет превышено пороговое число в том канале дальности (дискрете), в котором находится сигнал. Номер этой дискреты, соответствующий задержке отраженного сигнала, передается в решающее устройство 7, где вычисляется дальность до цели. Одновременно с началом накопления запускается времязадающая схема 9, определяющая необходимый объем накопления N' за время предварительного накопления. Счетчик 8, включенный на выходе порогового устройства 5 с положительным порогом, регистрирует срабатывания от сильных сигналов и, если за время предварительного накопления число этих срабатываний М' отличается от числа N' не более, чем на заданную величину т, то решающее устройство завершает измерение, накопление прекращается, и на выход решающего устройства выдается измеренная дальность. Если в течение времени предварительного накопления число пропусков m превышает допустимое значение, то счетчик 8 выдает сигнал на времязадающую схему, которая увеличивает время предварительного накопления согласно условию (8), и процесс накопления продолжается до получения результата измерения с заданными доверительными характеристиками.On command from
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами.The proposed method has the following advantages.
1 Данная процедура выделения сигнала на фоне шумов обеспечивает минимальное время обработки с заданными обнаружительными характеристиками, близкое к теоретическому пределу, обеспечиваемому критерием (8).1 This procedure for isolating a signal from a background of noise provides a minimum processing time with given detection characteristics, close to the theoretical limit provided by criterion (8).
2 Сокращение объема накопления сигнала способствует сохранению ресурса аппаратуры, в первую очередь излучателя и источника питания.2 Reducing the volume of signal accumulation helps preserve the resource of the equipment, primarily the emitter and power source.
3 Сокращение времени обработки до минимума позволяет применять способ не только для одиночных измерений, но и в частотном режиме, например, при измерении скорости цели [9].3 Reducing processing time to a minimum allows the method to be used not only for single measurements, but also in the frequency mode, for example, when measuring target speed [9].
4 Предлагаемый способ выделения сигнала из шумов обладает устойчивостью к шумам взрывного характера, например, к микроплазменным импульсам, возникающим в фотоприемнике (лавинном фотодиоде) [10].4 The proposed method for separating a signal from noise is resistant to noise of an explosive nature, for example, to microplasma pulses arising in a photodetector (avalanche photodiode) [10].
5 Способ реализуется простейшими аппаратными средствами, позволяющими реализовать его в миниатюрной аппаратуре, эксплуатируемой в широком диапазоне условий внешней среды.5 The method is implemented with the simplest hardware, allowing it to be implemented in miniature equipment operated in a wide range of environmental conditions.
Таким образом, обеспечивается решение поставленной задачи - оптимальный выбор режима накопления в зависимости от характера локационной обстановки.Thus, the solution to the problem is ensured - the optimal choice of accumulation mode depending on the nature of the location situation.
Источники информацииInformation sources
1 Я.Д. Ширман, В.Н. Голиков. «Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров». Изд. «Советское радио», М., 1963 г., с. 179.1 Ya.D. Shirman, V.N. Golikov. “Fundamentals of the theory of detecting radar signals and measuring their parameters.” Ed. “Soviet Radio”, M., 1963, p. 179.
2 Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М., «Радио и связь», 1981, с. 81-83.2 Ya.D. Shirman, V.N. Manjos. Theory and technology of processing radar information against a background of interference. M., “Radio and Communications”, 1981, p. 81-83.
3 В.Е. Гмурман. Теория вероятностей и математическая статистика. М., «Высшая школа», 1977 г., 479 с.3 V.E. Gmurman. Theory of Probability and Mathematical Statistics. M., “Higher School”, 1977, 479 p.
4 В.Г. Вильнер. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. Оптико-механическая промышленность, 1984 г., №5, с. 39-41.4 V.G. Vilner. Design of threshold devices with noise threshold stabilization. Optical-mechanical industry, 1984, No. 5, p. 39-41.
5 Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.5 Patent WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof.
6 Патент РФ №2359226 по з-ке №2007137271 о 10.10.2007. «Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов». - Прототип.6 RF Patent No. 2359226 according to law No. 2007137271 on 10.10.2007. "Method of incoherent accumulation of light-location signals." - Prototype.
7 В.Г. Вильнер и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. Фотоника, 2007, №6, с. 22-27.7 V.G. Vilner et al. Evaluation of the capabilities of a light-location pulse range meter with accumulation. Photonics, 2007, No. 6, p. 22-27.
8 В.Г. Вильнер и др. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера. Фотоника, 2013, №3, с. 42-60.8 V.G. Vilner et al. Reliability of pulse laser rangefinder measurements. Photonics, 2013, No. 3, p. 42-60.
9 В.Г. Вильнер и др. Пути достижения предельной точности лазерного скоростемера. Мир измерений, 2010, №7, с. 17-21.9 V.G. Vilner et al. Ways to achieve extreme accuracy of a laser speedometer. World of Measurements, 2010, No. 7, p. 17-21.
10 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков М.А. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. М., Физматкнига. 2007, с. 345.10 Filachev A.M., Taubkin I.I., Trishenkov M.A. Solid-state photoelectronics. Physical foundations. M., Fizmatkniga. 2007, p. 345.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2810710C1 true RU2810710C1 (en) | 2023-12-28 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7184130B1 (en) * | 2004-07-15 | 2007-02-27 | Exelys, Llc | Method for improving the received signal to noise ratio of a laser rangefinder |
US7499829B2 (en) * | 2003-07-10 | 2009-03-03 | A&D Engineering Co., Ltd | Laser rangefinder and method thereof |
RU2359226C1 (en) * | 2007-10-10 | 2009-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method of incoherent accumulation of light-detecting signals |
RU2755602C1 (en) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for threshold detection of optical signals |
RU2788940C1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-01-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for incoherent accumulation of light-location signals |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7499829B2 (en) * | 2003-07-10 | 2009-03-03 | A&D Engineering Co., Ltd | Laser rangefinder and method thereof |
US7184130B1 (en) * | 2004-07-15 | 2007-02-27 | Exelys, Llc | Method for improving the received signal to noise ratio of a laser rangefinder |
RU2359226C1 (en) * | 2007-10-10 | 2009-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method of incoherent accumulation of light-detecting signals |
RU2755602C1 (en) * | 2020-11-26 | 2021-09-17 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for threshold detection of optical signals |
RU2788940C1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-01-26 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for incoherent accumulation of light-location signals |
RU2791151C1 (en) * | 2022-06-15 | 2023-03-03 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8018580B2 (en) | Laser range finding device and distance measurement method thereof | |
WO2021088646A1 (en) | Dynamic threshold timing circuit, lidar, and time information obtaining method | |
CN108401444B (en) | Laser radar and time measuring method based on laser radar | |
CN111679290A (en) | Photon counting correction method, laser radar, and computer-readable medium | |
CN111366944B (en) | Distance measuring device and distance measuring method | |
WO2017221909A1 (en) | Distance measuring device | |
US9030651B2 (en) | Laser range finding device and distance measurement method thereof | |
GB2275841A (en) | Optoelectric distance measuring equipment | |
US6842231B2 (en) | Method for improved range accuracy in laser range finders | |
RU2810710C1 (en) | Method for accumulating light-location signals | |
WO2022206031A1 (en) | Method for determining noise level, lidar, and ranging method | |
CN210129035U (en) | Laser radar echo data extraction device | |
CN106483546B (en) | Signal processing device and radiation measuring device | |
US20230288538A1 (en) | Laser receiving system and laser ranging system | |
RU2791151C1 (en) | Method for incoherent accumulation of pulsed light-location signals | |
CN112639515B (en) | Signal processing method and device | |
RU2788940C1 (en) | Method for incoherent accumulation of light-location signals | |
CN212433402U (en) | Laser echo distance measuring device | |
RU2359226C1 (en) | Method of incoherent accumulation of light-detecting signals | |
RU2759300C1 (en) | Range measurement method | |
RU2792086C1 (en) | Method for pulse location ranging | |
CN112154546A (en) | Photodetector and optical distance measuring device using the same | |
CN113391302B (en) | Dynamic double-threshold echo detection method | |
RU2791186C1 (en) | Laser pulse rangefinder | |
CN116559822B (en) | Method and system for detecting laser ranging signals by code pulse shift accumulation |