close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11960

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01S 17/00
G 01C 3/08
G 01P 3/36
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА
И ЕГО СКОРОСТИ
(21) Номер заявки: a 20071280
(22) 2007.10.23
(43) 2008.04.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Автор: Козлов Владимир Леонидович (BY)
BY 11960 C1 2009.06.30
BY (11) 11960
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) SU 1661572 A1, 1991.
BY 6263 C1, 2004.
BY 5991 C1, 2004.
JP 10300853 A, 1998.
US 3811774 A, 1974.
JP 61062885 A, 1986.
(57)
Способ определения дальности до объекта и его скорости, в котором на дистанцию до
объекта в направлении его движения одновременно посылают линейно-частотномодулированное зондирующее излучение двух различных оптических длин волн λ1 и λ2 от
двухволнового полупроводникового лазера, осуществляют фотогетеродинный прием отраженного объектом излучения, обрабатывают полученный сигнал фильтром, согласованным с модулирующим сигналом, и определяют дальность L до объекта и его скорость ν в
соответствии с выражениями:
c
f 
L =  τ1 − ∆τd 1  ,
2
∆f 
∆τ β c
ν= d ,
4π∆f
Фиг. 1
BY 11960 C1 2009.06.30
где с - скорость распространения излучения на дистанции;
τ1 - время задержки сигнала на выходе согласованного фильтра на длине волны λ1;
∆τd - разность времен задержки сигналов на выходе согласованного фильтра на длинах
волн λ1 и λ2;
f1 - частота излучения с длиной волны λ1;
∆f - разность частот излучения с длинами волн λ1 и λ2;
β - скорость перестройки частоты линейно-частотно-модулированного излучения.
Изобретение относится к оптической локационной технике и может быть использовано для измерения дальности и скорости движения объектов, отражающих оптическое излучение.
Известен способ измерения дальности и скорости объекта [1], основанный на линейной частотной модуляции зондирующего излучения с последующим фотогетеродинным
приемом отраженного объектом излучения и обработкой полученного сигнала фильтром,
согласованным с модулирующим ЛЧМ сигналом. Дальность до объекта определяется по
времени задержки отклика на выходе согласованного фильтра. Недостатками [1] являются
низкая точность измерений до движущихся объектов, а также невозможность одновременного измерения дальности и скорости объекта за один зондирующий ЛЧМ импульс.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения дальности и скорости объекта, основанный на пилообразной частотной модуляции зондирующего излучения с последующим фотогетеродированием отраженного излучения и
обработкой полученного сигнала при помощи двух фильтров, согласованных с линейночастотно-модулированными (ЛЧМ) сигналами, имеющими противоположные значения
крутизны перестройки частоты [2]. По временному положению импульсов на выходах согласованных фильтров рассчитываются дальность и скорость. Недостатками этого способа являются большое время измерения и сложность конструкции, обусловленная
необходимостью использования двух согласованных фильтров с противоположной крутизной перестройки частоты ЛЧМ импульса.
Задача изобретения - повышение точности измерения дальности до движущихся объектов и обеспечение возможности одновременного измерения дальности и скорости объекта за один зондирующий ЛЧМ импульс.
Для решения поставленной задачи в известном способе способ измерения дальности и
скорости объекта [2], заключающемся в посылке на дистанцию линейно-частотномодулированного лазерного зондирующего излучения с последующим фотогетеродинным
приемом отраженного объектом излучения и обработкой полученного сигнала фильтром,
согласованным с модулирующим сигналом, в качестве источника излучения использован
двухволновой полупроводниковый лазер, обеспечивающий одновременную генерацию
излучения на двух различных оптических длинах волн λ1, λ2, при этом дальность до объекта L и его скорость ν определяют по временам задержки откликов на длинах волн λ1, λ2
на выходе согласованного фильтра в соответствии с предложенным алгоритмом.
Свойства, появляющиеся у заявляемого способа, следующие:
повышается точность измерения дальности до движущихся объектов, обусловленная
тем, что на выходе согласованного измеряются как временное положение отклика, обусловленное задержкой излучения на дистанции, так и время задержки отклика, обусловленное доплеровским сдвигом частоты за счет движения объекта;
обеспечивается возможность одновременного измерения дальности и скорости объекта за один зондирующий ЛЧМ импульс за счет вычисления разности времен задержки откликов на длинах волн λ1, λ2 на выходе согласованного фильтра, в то время как в
2
BY 11960 C1 2009.06.30
известных локационных системах для вычисления дальности и скорости требуется минимум два зондирующих импульса.
На фиг. 1 представлена функциональная схема оптического локатора на двухволновом
лазере, реализующего предложенный способ измерения дальности и скорости, а на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит: двухволновой лазер 1, обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн, светоделители 2, генератор линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ)
сигнала 3, модулятор частоты излучения лазера 4, гетеродинный фотоприемник 5, согласованный фильтр 6, вычислительный блок 7.
Для обеспечения возможности одновременного определения за один зондирующий
импульс дальности и скорости объекта в качестве источника зондирующего излучения
предлагается использовать двухволновой инжекционный полупроводниковый лазер [2],
обеспечивающий одновременную генерацию излучения на двух различных оптических
длинах волн. Разность длин волн генерации ∆λ = λ1 - λ2 для асимметричных квантоворазмерных лазерных диодов [3] достигает значений 20-100 нм.
Локатор работает следующим образом. По запускающему сигналу с вычислительного
блока 7 лазер 1 излучает оптическое излучение на длинах волн λ1, λ2. Оптическая система,
состоящая из светоделителей 2, отделяет часть излучения и направляет на фотоприемник
5 для обеспечения режима оптического гетеродинирования. Другая часть излучения через
модулятор 4 направляется к измеряемому объекту. В модуляторе 4 осуществляется линейная частотная модуляция излучения на длинах волн λ1, λ2 по закону, задаваемому генератором ЛЧМ сигнала 3, управляемым вычислительным блоком 7. Устройства внешней
частотной модуляции излучения строятся на основе акустооптических модуляторов. Вид
модулирующего ЛЧМ импульса представлен на фиг. 2а, где Т - длительность ЛЧМ импульса, частота которого изменяется по линейному закону следующим образом:
ω = ωo + βt/2, где ωo - начальная частота ЛЧМ сигнала, β - скорость перестройки частоты
ЛЧМ сигнала. Таким образом, на дистанцию посылаются два модулированных сигнала
U1(t), U2(t) на длинах волн λ1, λ2, частоты которых f1, f2, соответственно
(1)
U1(t) = U1 sin[(ω1 + ωo + βt/2)t], U2(t) = U2 sin[(ω2 + ωo + βt/2)t],
где ω1 = 2πf1, ω2 = 2πf2, U1, U2 - амплитуды сигнала на длинах волн λ1, λ2, обычно U1 = U2.
В результате отражения оптических излучений лазера от движущегося объекта излучения приобретают доплеровские сдвиги частоты fd1,fd2 на длинах волн λ1, λ2, соответственно равные
ν
νf
ν
νf
f d1 = 2 cos α = 2 1 cos α , f d 2 = 2 cos α = 2 2 cos α,
(2)
λ1
c
λ2
c
где ν - скорость объекта, с - скорость света, α - угол между направлением движения и направлением лазерного луча (для упрощения выкладок предполагаем, что направление
движения объекта совпадает с направлением лазерного луча, т.е. cos α = 1).
Оптическое излучение лазера, отраженное от движущегося объекта и имеющее доплеровский сдвиг частоты (2), попадает на фотоприемник 5, где в результате фотогетеродинирования выделяются разностные сигналы между немодулированным гетеродинным
излучением лазера на частотах ω1 = 2πf1, ω2 = 2πf2 и излучением, пришедшим с дистанции. Выходные сигналы фотоприемника 5 US1(t), US2(t) имеют вид:
(3)
US1(t) = US1sin[ωo + β(t - τ)/2 + ωd1]t, US2(t) = US2sin[ωo + β(t - τ)/2 + ωd2]t,
где τ - время задержки излучения на дистанции, ωd1 = 2πfd1, ωd2 = 2πfd2 - доплеровские
сдвиги частоты оптического излучения на длинах волн λ1, λ2, US1, US2 - амплитуды дистанционного сигнала на длинах волн λ1, λ2.
Затем информационные сигналы (3) попадают на согласованный фильтр 6, выходной
сигнал которого вычисляется с помощью операции:
3
BY 11960 C1 2009.06.30
U вых ( t ) = ∫ h (τ) US ( t − τ)dτ,
(4)
где h(τ) - импульсная характеристика согласованного фильтра, представляющая собой обращенную во времени функцию модулирующего сигнала.
После прохождения сигналов (3) через согласованный фильтр 6 на его выходе появятся сигналы вида:
ω
ω
sin[T − ( t − τ d1 )β T / 2]
sin[T − ( t − τ d 2 )β T / 2]
β
β
U вых1 =
cos ωo t , U вых 2 =
cos ωo t ,
(5)
ωd1
ωd 2
β( t − τ −
β( t − τ −
)
)
β
β
где Т - длительность ЛЧМ импульса, β - скорость перестройки частоты ЛЧМ импульса.
sinx
Выходной сигнал фильтра 6 представляет собой импульс с огибающей типа
/x, вид
которого представлен на фиг. 2б. Как следует их формул (5), выходной сигнал фильтра
задержан во времени на величину задержки излучения на дистанции τ и на время, обусловленное доплеровским сдвигом частоты, равное
ω
ω
τd1 = d1 , τd 2 = d 2 .
(6)
β
β
Если измерение производится до неподвижного объекта, доплеровские сдвиги частоты будут равны нулю: ωd1 = ωd2 = 0, как следует из формул (5), импульсы на длинах волн
λ1, λ2 на выходе согласованного фильтра 6 совпадут во времени и будут задержаны только
на величину оптической задержки на дистанции τ (фиг. 2б). Измеряя время задержки появления импульса τ, определяется дальность до неподвижного объекта L по формуле:
cτ
L= ,
(7)
2
где с - скорость распространения излучения на дистанции.
Если измерение производится до движущегося объекта, доплеровские сдвиги частоты
на длинах волн λ1, λ2 не будут равны: ωd1 ≠ ωd2, как следует из формул (5), импульсы на
выходе согласованного фильтра 6 не совпадут во времени (фиг. 2в). Время появления импульсов τ1, τ2 на длинах волн λ1, λ2 на выходе согласованного фильтра 6 будет равно
ω
ω
τ1 = τ + τd1 = τ + d1 , τ 2 = τ + τd 2 = τ + d 2 ,
(8)
β
β
где τ1 - время появления импульса на длине волны λ1, τ 2 - время появления импульса на
длине волны λ2.
Разность временных положений импульсов ∆τd, обусловленная движением объекта,
будет равна
ω − ωd1
∆τd = τ 2 − τ1 = d 2
.
(9)
β
Из выражений (2), (6), (9) можно получить, что отношение разности доплеровских
сдвигов частоты ∆ωd = ωd2 - ωd1 к доплеровской частоте ωd1 равно отношению разности
оптических несущих ∆f = f1 - f2 к частоте f1:
∆ωd1 ∆f ∆τd
=
=
.
(10)
ωd1
f1
τd1
f
Из (10) следует, что τd1 = ∆τd 1 , откуда искомая временная задержка τ излучения на
∆f
дистанции равна
f
τ = τ1 + τd1 = τ1 − ∆τd 1 .
(11)
∆f
4
BY 11960 C1 2009.06.30
Подставляя (11) в (7) определяется расстояние до объекта, а скорость движения объекта ν из (2), (6), (10) (полагая cosα = 1) определяется следующим образом:
c
f
∆τ β c
L = (τ1 − ∆τd 1 ), ν = d .
(12)
∆f
2
4π∆f
Описанный алгоритм определения ν и L реализуется в вычислительном блоке 7.
Таким образом, использование в качестве источника зондирующего излучения в оптическом локаторе двухволнового полупроводникового лазера, обеспечивающего одновременную генерацию излучения на двух различных оптических длинах волн, а также
использование соответствующего алгоритма обработки дистанционных импульсов позволяет в течение одного зондирующего ЛЧМ импульса определить точное значение дальности и скорости движения объекта.
Источники информации:
1. Патент Великобритании 1585053, МПК G 01S 17/08, 1981.
2. A.c. СССР 1661572, 1991.
3. Патент РБ 1385, МПК Н 01S 3/19, 1996.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
318 Кб
Теги
патент, by11960
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа