Способ определения дальности до объекта и его скорости

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА И ЕГО СКОРОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козлов Владимир Леонидович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения дальности до объекта и его скорости, в котором поверхность движущегося объекта сканируют при заданном угле сканированияс заданной угловой скоростьюнепрерывным лазерным излучением длины волны , осуществляют гетеродинный прием отраженного от объекта излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, и определяют искомые дальностьи скоростьпо числу принятых импульсов доплеровского сигнала в соответствии с выражениями( / 2)( 12 ) где 1 и 2 - число импульсов доплеровского сигнала за время сканирования поверхности в угле от /2 до 0 и от 0 до /2 относительно перпендикуляра к поверхности объекта соответственно. Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и локационной технике и может быть использовано для измерения дальности и скорости движения объектов, отражающих оптическое излучение, а также для ориентирования роботов в пространстве, для измерения небольших расстояний с высокой точностью, например, в технологических процессах и т.п. Известен способ измерения профиля земной поверхности 1, заключающийся в посылке с летательного аппарата непрерывного лазерного излучения и гетеродинном приеме отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, при этом 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. Недостатком этого способа является невозможность измерять дальность до сканируемой поверхности. Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ измерения дальности и скорости объекта 2, основанный на внешней пилообразной линейной частотной модуляции (ЛЧМ) лазерного зондирующего излучения с последующим фотогетеродинным приемом отраженного от объекта излучения и обработкой полученного сигнала при помощи двух фильтров, согласованных с ЛЧМ сигналами, имеющими противоположные значения крутизны перестройки частоты. По временному положению импульсов на выходах согласованных фильтров рассчитываются дальность и скорость. Недостатками этого способа являются невысокая точность измерения дальности и сложность конструкции. Задача изобретения - повышение точности измерения дальности до движущихся поверхностей и упрощение конструкции системы. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для измерения небольших расстояний с высокой точностью до движущихся поверхностей, например для ориентирования движущихся роботов в пространстве, в производственных технологических процессах и т.п. Для решения поставленной задачи в известном способе определения дальности до объекта и его скорости, заключающемся в сканировании движущейся поверхности с известной угловой скоростью непрерывным лазерным излучением и гетеродинном приеме отраженного излучения, имеющего доплеровский сдвиг частоты, дальность и скорость до движущейся поверхности определяют по числу импульсов доплеровского сигнала в соответствии с выражениями где 1 - число импульсов доплеровского сигнала за время сканирования поверхности в угле от /2 до 0 относительно перпендикуляра к поверхности, 2 - число импульсов доплеровского сигнала за время сканирования в угле от 0 до -/2 относительно перпендикуляра( 12 ) 13509 1 2010.08.30 к поверхности,- угловая скорость сканирования поверхности,- длина волны зондирующего излучения,- угол сканирования. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, а на фиг. 2 и 3 - диаграммы, поясняющие его работу. Для реализации заявляемого способа используются лазер 1, светоделители 2, 3 для совмещения зондирующего и гетеродинного пучков, гетеродинный фотоприемник 4, блок измерения доплеровского сдвига частоты 5, вычислительный блок 6, блок сканирования 7. Система измерения дальности и скорости работает следующим образом. Лазер 1 направляет к измеряемой поверхности непрерывное оптическое излучение на длине волны, частота которого . Светоделители 2, 3 выделяют часть зондирующего излучения для формирования гетеродинного оптического сигнала. Блок сканирования 7 осуществляет сканирование лучом лазера заданной поверхности в углес угловой скоростью , как показано на фиг. 2. Предположим, что измеряемая поверхность неподвижна, поэтому отраженное от поверхности оптическое излучение будет сдвигаться по частоте по сравнению с зондирующим сигналом на доплеровскую частоту , обусловленную только сканированием поверхности лазерным лучом, мгновенное значение которой имеет величину где- линейная скорость перемещения лазерного луча вдоль линии сканирования, - расстояние до точки падения лазерного луча,- угловая скорость сканирования,скорость света,- длина волны зондирующего излучения, /2 - угол между лазерным лучом и перпендикуляром к поверхности (фиг. 2). Отраженное оптическое излучение, имеющее доплеровский сдвиг частоты, с помощью светоделителя 3 совмещается с гетеродинным излучением и попадает на фотоприемник 4. В результате фотогетеродинирования на фотоприемнике выделяется сигнал разностной частоты , величина которого выражается формулой (1). Очевидно, что в процессе сканирования поверхности лазерным лучом расстояние от лазера до точки падения лазерного лучабудет изменяться в соответствии выражением(2)о/ (/2),где о - расстояние от лазера до сканируемой поверхности (фиг. 2). Из (1), (2) выражение для мгновенного значения доплеровского сдвига частоты , регистрируемого блоком 5, будет иметь вид( / 2)2(3)( / 2) Выражение (3) показывает максимальное значение доплеровского сдвига частоты, когда угол /2 между лазерным лучом и перпендикуляром к поверхности имеет максимальное значение. Если лазерный луч направляется перпендикулярно к поверхности, то(/2)0, следовательно, доплеровский сдвиг будет равен нулю. Диаграмма изменения доплеровского сигнала при сканировании поверхности представлена на фиг. 3. В начале сканирования т. (фиг. 2), когда угол /2 имеет максимальное значение, доплеровская частота максимальная. Затем в процессе сканирования доплеровская частота постепенно уменьшается, достигает нулевого значения в т., когда угол равен нулю, и возрастает при увеличении угла т. (фиг. 3). Среднее значение числа импульсов доплеровского сигнала за все время сканирования в угле /2 с угловой скоростьюможно определить следующим образом(4).0 Вычислив интеграл (4), получаем число импульсов доплеровского сигнала, определяемое расстоянием о до объекта Теперь предположим, что измеряемая поверхность движется. Очевидно, что в этом случае к доплеровскому сдвигу за счет сканирования поверхности лазерным лучам прибавляется дополнительный сигнал доплеровской частоты , обусловленный движением измеряемой поверхности, равный где- длина волны излучения лазера,-скорость движения поверхности,- угол между направлением движения и направлением лазерного луча. Так как лазерный луч осуществляет симметричное сканирование относительно перпендикуляра к поверхности в угле /2, обусловленное этим число импульсов доплеровского сигналаза половину угла сканирования будет равно При определении числа импульсов доплеровского сигнала по формуле (5) расстояние до поверхности о в этой формуле будет изменяться в соответствии с выражением(8)о - ,где о - расстояние до поверхности в начале измерений,- время измерений. Таким образом, суммарное число импульсов доплеровского сигнала 1, обусловленное движением измеряемой поверхности и сканированием лазерного луча по измеряемой поверхности в угле от /2 до 0 (фиг. 2 - сканирование от т. к т.) будет равно Суммарное число импульсов доплеровского сигнала 2, обусловленное движением измеряемой поверхности и сканированием лазерного луча по измеряемой поверхности в угле от 0 до -/2 (фиг. 2 - сканирование от т. к т.) будет равно Величинао - /2 представляет собой расстояние до поверхности в середине процесса измерений, т.е. среднее значение расстояния за все время измерений. Таким образом, из (11) расстояние до поверхности будет равно( / 2)( 12 ) Для определения скоростисложим формулы (9) и (10)1 1( / 2) Учитывая, что время сканирования равно/, получаем скорость движения поверхности 13509 1 2010.08.30 В блоке 5 измеряется число импульсов доплеровского сигнала, и его величина поступает в вычислительный блок 6, который определяет дальность до сканируемой поверхности по формуле (12) и скорость движения поверхности по формуле (14). Формула (12) показывает расстояние до поверхности в середине процесса измерений, т.е. в момент времени /2, где- время измерений. Очевидно, что, определив скорость движения , можно рассчитать дальностьв любой момент времени процесса измерений. Если число импульсов доплеровского сигнала 1 будет равно числу импульсов 2, то это означает, что измеряемая поверхность не движется и вычисление дальности производится по формуле( / 2)1 Таким образом, зная угол сканирования и угловую скорость сканирования и определив число импульсов доплеровского сигнала, можно однозначно определить как расстояние до движущейся поверхности, так и скорость движения поверхности. Источники информации 1. Патент РБ 4076, МПК 0111/24. Способ измерения профиля земной поверхности / В.Л. Козлов.- 2001. 2. А.с. 1661572 СССР, МПК 013/08. Устройство измерения дальности и скорости объектов / В.Л. Козлов, В.А. Фираго, А.Ф. Шилов // Бюл.25.- 1991 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.