Способ измерения профиля земной поверхности

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ измерения профиля земной поверхности, заключающийся в посылке с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и гетеродинном приеме отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, отличающийся тем, что угол наклона поверхности к горизонтали в точке падения лазерного луча определяют из отношения вектора радиальной скорости движения, вычисленной из доплеровского сдвига частоты, к горизонтальной скорости движения летательного аппарата, затем по величине угла наклона в каждой точке поверхности восстанавливают полный профиль поверхности по линии движения, причем величинапревышения каждой последующей точки измерения поверхности над предыдущей определяют по формуле,где- радиальная скорость движения- время между измерениями. 4076 1 Изобретение относится к лазерной локационной технике и может быть использовано в геодезии для получения изображений и профилей местности. Известен способ измерения радиальной скорости 1, использующий лазер, устройство сдвига частоты гетеродинного излучения, гетеродинный фотоприемник, измеритель частоты доплеровского сигнала, в котором скорость объекта определяется по доплеровскому сдвигу частоты при гетеродинном приеме отраженного лазерного излучения. Однако этот способ не позволяет измерять профиль подстилающей поверхности при передвижении летательного средства. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является лазерный профилометр 2, способ определения профиля поверхности в котором заключается в непрерывном измерении и записи высоты полета при передвижении летательного средства над местностью. Основным недостатком этого способа, ограничивающим точность измерений, является необходимость строго горизонтального передвижения летательного средства над местностью. Любое отклонение от горизонтального передвижения дает погрешность в определении высоты подстилающей поверхности,а следовательно, и в определении профиля местности. Задача изобретения - повышение точности определения профиля земной поверхности при измерениях с летательного средства в случае отклонения летательного средства от строго горизонтальной линии полета. При осуществлении изобретения достигается независимость точности определения профиля поверхности от высоты полета и поддержания горизонтальной линии перемещения летательного средства, что повышает точность измерений. Для решения поставленной задачи предлагается способ измерения профиля земной поверхности, заключающийся в посылке с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и гетеродинном приеме отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, причем угол наклона поверхности к горизонтали в точке падения лазерного луча определяется из отношения вектора радиальной скорости движения, вычисленной из доплеровского сдвига частоты к горизонтальной скорости движения летательного аппарата затем по величине угла наклона в каждой точке поверхности восстанавливается полный профиль поверхности по линии движения, причем величина превышения каждой последующей точки измерения над предыдущей определяется по формуле. , где- радиальная скорость движения- время между измерениями. Существенным отличительным признаком заявляемого способа является то, что в отличие от прототипа, в котором для вычисления профиля осуществляется непрерывное измерение высоты полета, в заявляемом способе осуществляется измерение радиальной обставляющей скорости полета, по величине которой вычисляется угол наклона касательной к поверхности к линии горизонта в точке падения лазерного луча и затем восстанавливается профиль поверхности по линии движения. Свойство, появляющееся у заявляемого объекта следующее повышение точности измерения профиля земной поверхности, обусловленное отсутствием погрешности, связанной с отклонением летательного аппарата от горизонтального передвижения над местностью. Если в прототипе погрешность измерения профиля определяется погрешностью измерения высоты полета и величиной отклонения самолета от горизонтального передвижения, то в заявляемом способе погрешность определяется только точностью определения радиальной составляющей скорости (используя оптимальные методы можно достигнуть погрешности 10-4 - 10-5) и не зависит от высоты полета и отклонения линии полета от горизонтальной. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, а на фиг. 2- векторные диаграммы, поясняющие его работу. Для реализации заявляемого способа используются лазер 1, светоделитель 2, устройство частотного сдвига гетеродинного излучения 3, светоделитель 4 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков,гетеродинный фотоприемник 5, блок измерения доплеровского сдвига частоты 6, вычислительный блок 7,печатающее устройство 8. Система работает следующим образом. С летательного аппарата, передвигающегося над поверхностью земли, от лазера 1 перпендикулярно к линии горизонта направляется непрерывное лазерное излучение частотой 0. Светоделитель 2 выделяет часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного сигнала, которое после прохождения блока частотного сдвига (построенного, например, с использованием акустооптического модулятора) сдвигается по частоте на . Отраженный от поверхности земли оптический сигнал сдвигается по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровскую частотуи, проходя через светоделитель 4, совмещается с гетеродинным излучением и попадает на фотоприемник 5, где в результате фотогетеродинирования выделяется разностная частота- . С выхода фотоприемника 5 электрический сигнал попадает в блок измерения доплеровского сдвига частоты 6, где происходит измерение его параметров. Блок 6 целесообразно построить с использованием оптимальных методов обработки сигналов согласованными фильтрами, что позволит производить обработку сигнала в реальном масштабе времени. В блоке 6 измеряется значение частоты- , где- доплеровский сдвиг частоты, обусловленный радиальной составляющей скорости(фиг. 2). Сдвиг частоты гетеродинного излучения на величинунеобходим для определения знака доплеровского сдвига частотыи, следовательно, знака скорости . Код измеренной частоты из блока 6 поступает в вычислительный блок 7, который производит обработку сигнала по следующему алгоритму. С учетом знания величиныопределяется величина и знак доплеровского сдвига частоты , а затем значениес/20, где с - скорость света 1. Как видно из фиг. 2, в зависимости от угла наклона касательной в точке падания луча к линии горизонта знак радиальной скорости может быть как положитель 2 4076 1 ный, так и отрицательный (т.С и т.А на фиг. 2). При нулевом значении(т.В фиг. 2) касательная к поверхности будет расположена горизонтально. В блок 7 также поступает значение горизонтальной скорости движения летательного аппарата , величина которой определяется любым из известных в авиации способов, например по доплеровскому сдвигу частоты излучения относительно встречных воздушных масс. Уголнаклона касательной в точке падения излучения определяется следующим образом (фиг. 2)(1)// ,где- превышение последующей точки измерения над предыдущей- расстояние по горизонтали между точками измерения- время между измерениями. Преобразовывая (1), получаем //, откуда(2). Таким образом, в блоке 7 по значению радиальной скоростипроисходит вычисление превышениякаждой последующей точки измерения над предыдущей, и затем, зная горизонтальную скорость передвижения летательного аппарата , вычисляется расстояние между точками измеренийи воспроизводится профиль земной поверхности вдоль линии передвижения, индицируемый печатающим устройством 8. Из алгоритма работы заявляемого объекта следует, что в расчетные соотношения не входит высота полета летательного аппарата, т.е. погрешность измерений не зависит от стабильности поддержания высоты полета, а определяется лишь разрешением по частоте блока измерения доплеровского сигнала. За счет этого по сравнению с прототипом достигается повышение точности измерения профиля земной поверхности. В прототипе погрешность определяется погрешностью измерения дальности (высоты) и погрешностью поддержания горизонтальной линии перемещения и составляет 1,52 м. В заявляемом объекте погрешность измерений определяется разрешением по частоте спектроанализатора и равняется 10-310-4 от максимального перепада высот за время между измерениями и при 1 мс в зависимости от скорости движения составит величину в единицы и десятки мм. При этом необходимо лишь обеспечить вертикальное направление оптического излучения к поверхности земли (как и в прототипе), что достаточно просто реализуется с помощью гироскопических методов. Источники информации 1. Росс М. Лазерные приемники. - М. Мир, 1969. - С. 437-443. 2. Лазерные измерительные системы / Под ред. Д.П. Лукьянова. - М. Радио и связь, 1981. - С. 82. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.