Способ оценки дальности и скорости удаленного объекта

Способ определения дальности и скорости удаленного объекта заключается в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты и статистической обработке зарегистрированных данных. При этом производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления и определяют дальность R до объекта, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости. Технический результат изобретения заключается в обеспечении 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, 1 ил., 1 табл.

 

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 зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов и определения в каждом i-м зондировании временного интервала t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, при каждом зондировании определяют и регистрируют значения моментов текущего времени T_i, в которые производят посылки лазерных импульсов, и измеренных интервалов t_i в серии n зондирований и определяют скорость объекта по формуле:

,

где

V - скорость объекта;

R_i=c·t_i/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 как 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 удаленного объекта, заключающемся 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, производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают выборки принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока накопленная величина 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 c - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют время его приема t_i, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где c - 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, соответствующая t=0, при этом высоту R_min при определении высоты летательного аппарата в процессе его посадки выбирают из условия

h₂+Ltgθ+h_г<R_min<R_D,

где h₂ - высота конечной точки глиссады;

L - протяженность глиссады вдоль посадочной полосы;

θ - угол наклона глиссады;

h_г - вертикальное расстояние между высотомером и глиссадой;

R_D - максимальная высота, на которой вероятность достоверного измерения D в моноимпульсном режиме измерений удовлетворяет заданным требованиям.

Коэффициент корреляции можно определять по формуле , где j - порядковый номер ячейки дальности; P_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; p - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}.

Оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения T₁ и скорости объекта V можно формировать по формулам:

,

,

где R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;

V - оценка скорости объекта;

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

T_i - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R_i;

c - скорость света;

m - количество замеров дальности в серии;

t_i - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.

На фиг. 1 представлена схема посадки летательного аппарата по самолетному с аэрофинишером [4].

При посадке ЛА по-самолетному с аэрофинишером справедливы следующие соотношения

R_min=h₂+Ltgθ+h_г,

где R_min - высота ЛА над посадочной полосой в начале посадочной траектории;

h₂ - высота троса аэрофинишера над посадочной полосой;

L - протяженность посадочного участка;

θ - угол наклона глиссады;

h_г - длина поводка с гаком.

Например, при h₂=2 м; L=200 м; θ=10°; h_г=2 м минимальная измеряемая высота R_min ~ 40 м.

Характеристики дальномера-высотомера, реализующего предлагаемый способ, а также условий проведения измерений приведены в таблице.

Характеристики дальномера-высотомера	Требование
Габариты цели, м	>5×5
Коэффициент яркости цели, ρ	0,2
Метеорологическая дальность видимости W, км	>10
Вероятность достоверного измерения дальности	0,9
Рабочая длина волны λ, нм	900
Реальная чувствительность приемного тракта Emin, фДж	0,3
Мощность лазерного излучения на выходе дальномера P0, Вт	30
Длительность импульса лазерного излучения tи, нс	100
Частота лазерных излучений F, 1/с	8000
Расходимость зондирующего пучка излучения ψ, мрад	<5
Коэффициент пропускания объектива приемного канала дальномера, τ0	0,9
Диаметр объектива приемного канала Dпр, мм	18
Частота обновления информации при высоте >200 м, 1/с	10
Частота обновления информации при высоте <200 м, 1/с	50

Заданная дальность действия 40 м обеспечивается при соблюдении неравенства, определяемого уравнением лазерной локации [1] при условии согласования полей излучателя и приемника:

,

где E_min - минимальная принимаемая с заданной вероятностью энергия сигнала, обеспечиваемая чувствительностью фотоприемного устройства (реальная чувствительность);

E_пр - энергия сигнала, поступающего на рабочую площадку чувствительного элемента ФПУ;

E_o=P₀ t_и - энергия зондирующего сигнала;

P₀ - мощность зондирующего сигнала;

t_и - длительность зондирующего сигнала;

- коэффициент энергетического перекрытия зондирующего пучка целью (коэффициент использования излучения); при зондировании подстилающей поверхности с малых высот K=ρ;

ρ(x, y) - пространственное распределение коэффициента яркости цели;

Ψ(x, y) - диаграмма направленности выходного зондирующего пучка;

ρ - средний коэффициент яркости цели;

D_пр - диаметр приемного объектива;

- коэффициент пропускания атмосферы на трассе;

µ - показатель ослабления;

τ_o - коэффициент пропускания оптики приемного канала дальномера;

R - дальность до цели.

На малых высотах при W>10 км пропускание атмосферы τ_а=1.

При указанных выше исходных данных и высоте R_min=200 м величина поступающего на приемник сигнала E_пр=1,1 фДж с большим запасом превышает E_min=0,3 фДж, значит измерения высоты могут производиться с высокой достоверностью.

В соответствии с приведенным уравнением лазерной локации высота R_D, на которой E_пр=E_min, для приведенных условий составляет

R_D=R_min[E_пр(R_min)/E_min]^½=200·(1,1/0,3)^½=383 м.

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 решение 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 посадки беспилотного самолета на аэрофинишер. Патент РФ №2399560.

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 удаленного объекта, 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, отличающийся тем, что производят первую серию зондирований способом некогерентного накопления, а именно накапливают выборки принятых реализаций отраженного сигнала в каждой ячейке дальности до тех пор, пока накопленная величина 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 c - скорость света; Δt - длительность тактового интервала, после чего, если измеренная дальность R превышает заданную величину R_min, то продолжают проводить измерения в указанном режиме некогерентного накопления, а если R не превышает R_min, то включают моноимпульсный режим измерения дальности и скорости, в процессе которого производят серию зондирований объекта не менее двух раз, при каждом i-м зондировании определяют время его приема t_i, вычисляют дальность до объекта R_i=ct_i/2, где c - 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, соответствующая t=0, при этом высоту R_min при определении высоты летательного аппарата в процессе его посадки выбирают из условия
,
где h₂ - высота конечной точки глиссады;
L - протяженность глиссады вдоль посадочной полосы;
θ - угол наклона глиссады;
h_r - вертикальное расстояние между высотомером и глиссадой;
R_D - максимальная высота, на которой вероятность достоверного измерения D в моноимпульсном режиме измерений удовлетворяет заданным требованиям.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент корреляции определяют по формуле, где j - порядковый номер ячейки дальности; P_max - максимальное число ячеек дальности, соответствующее диапазону измерения дальности; {S_0j} - массив выборочных значений зондирующего импульса; {S_j} - массив накопленных значений принятых реализаций; р - текущее количество шагов при пошаговом сдвиге {S_j}.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения T₁ и скорости объекта V формируют по формулам
,
,
где R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;
V - оценка скорости объекта;
R_i=c·t_i/2 - результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;
T_i - моменты времени, в которые произведены замеры дальности R_i;
c - скорость света;
m - количество замеров дальности в серии;
t_i - задержка между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения в i-м зондировании.