способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта

Формула изобретения

1. Способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта, включающий многократное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов, определения в каждом i-м зондировании задержки t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, определения текущей дальности до объекта по формуле R_i=ct _i/2, где с - скорость света, и регистрации этих значений дальности, при этом серию зондирований делят на две группы, отличающийся тем, что регистрируют значения времени Т_i, в моменты i-го зондирования, в первой группе зондирований производят n ₁ n/2 зондирований, осуществляют линейную интерполяцию зарегистрированных в моменты времени T_i, значений дальности до объекта R_i, по результатам которой предварительно определяют траекторию объекта R*(t) в виде R*(t)=R₀*+V*t, где R₀* - оценка дальности до объекта в момент времени T₁, соответствующий первому зондированию, V* - оценка скорости объекта, t - текущее время, отсчитываемое от момента первого зондирования, в зависимости от определенной величины скорости V* формируют базовый интервал времени T_б, по окончании которого производят вторую группу зондирований в количестве n₂=n-n₁, после чего по зарегистрированным в обеих группах зондирований значениям дальности R_i и моментам времени T_i, определяют уточненную траекторию объекта R**(t) в виде R**(t)=R₀**+V**t, где R ₀** - уточненная оценка дальности до объекта в момент времени, соответствующий первому зондированию, V** - уточненная оценка скорости объекта, при этом предварительные и окончательные параметры интерполирующей траектории R₀ и V определяют так, чтобы среднеквадратическое отклонение значений R_i, от интерполирующей зависимости было минимальным, например формируют по формулам

,

,

где R_im=c·t/2 - признанный достоверным результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;

m - количество признанных достоверными замеров дальности в серии из n зондирований.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе регистрации результатов зондирований аннулируют замеры дальности до объекта R_i, результаты которых отличаются от величины предыдущего признанного достоверным замера R_i-1 на величину, превышающую предельную погрешность измерения дальности до объекта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения уточненной траектории объекта аннулируют замеры дальности до объекта R_i, результаты которых отличаются от уточненной оценки в i-й момент времени R**(T _i) на величину, превышающую предельную погрешность измерения дальности, после чего повторно определяют уточненную оценку траектории объекта по оставшимся признанным достоверными результатам зондирований.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину базового интервала Т_б устанавливают в зависимости от предварительной оценки скорости объекта путем сравнения предварительной оценки скорости объекта с заданной величиной скорости и принятия решения о выборе базового интервала по заранее установленному правилу.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что если предварительная оценка скорости объекта превышает предельно допустимое значение, то устанавливают максимально возможную величину базового интервала T_б, a если не превышает, то устанавливают величину базового интервала от 1,5 до 4 раз меньше предельно возможного.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину дальности до объекта R**(T) в произвольный момент времени Т определяют по формуле R**(T)=R₀**+V**T, причем время Т отсчитывают от момента первого зондирования.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения дальности и скорости или только скорости удаленного объекта, в частности для обнаружения и фиксации нарушений правил дорожного движения транспортным средством.

Известен способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта [1], включающий многократное зондирование объекта путем периодической 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, определении и регистрации при каждом зондировании значений моментов текущего времени T_i, в которые производят посылки лазерных импульсов, и измеренных интервалов и t_i в серии n зондирований, и определении скорости объекта V путем определения дальностей до объекта при каждом зондировании R_i=с·t _i/2, где с - скорость света, и линейной интерполяции значений R_i, например, по формуле:

.

Согласно описанному способу, дальность до объекта определяют по формуле: .

Указанная процедура не обеспечивает минимальной среднеквадратической ошибки определения скорости и дальности. Кроме того, не обеспечивается синхронность определения дальности и скорости объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения дальности и/или скорости удаленного объекта, согласно которому производят многократное зондирование объекта путем периодической посылки на него серии n лазерных импульсов, в каждом i-м зондировании определяют задержку t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, и определяют текущую дальность до объекта по формуле R_i=сt _i/2, где с - скорость света; при этом зондирования производят с постоянной частотой без пауз, а результаты зондирований делят на две равные группы: в первой группе определяют среднее значение дальности

,

во второй группе определяют среднее значение дальности

и определяют скорость объекта V пo формуле V=(R₂-R₁)/T_1/2, где Т_1/2 - период времени между первой и второй группами серии зондирования.

Согласно описанному способу для повышения достоверности измерений сравнивают результаты измерений R_i между собой и, если какой-либо результат отличается от предыдущего более чем на 10 м, то измерение считают недействительным, полученные результаты аннулируют и измерение начинают сначала. Как указано в [2], в случае превышения объектом (автомобилем) допустимой скорости к серии измерений из n=800 зондирований добавляют третью группу n/2 зондирований, по ним определяют среднее значение дальности

и повторно определяют скорость объекта по формуле V'=(R₃-R₂)/T_2/3 , где Т_2/3 - период времени между второй и третьей группами серии зондирования. Сравнивают значения V и V' и, в случае их совпадения с заданной точностью, индицируют полученный результат.

Данный способ не обеспечивает минимального количества зондирований на один замер, что приводит к неоправданному снижению срока службы измерителя дальности и скорости и ресурса батареи питания. Кроме того, известный способ не обеспечивает минимальную среднеквадратическую ошибку определения скорости и дальности при минимальном количестве зондирований в серии, особенно при превышении объектом допустимой скорости, и не обеспечивает однозначность временной привязки результата измерения дальности к определенному моменту текущего времени. Этот способ не обеспечивает также возможности проведения измерений за одну серию при наличии ложных замеров.

Задачей изобретения является сбережение ресурса и увеличение срока службы аппаратуры, реализующей способ, а также сокращение энергопотребления при питании аппаратуры от автономного источника, за счет сокращения количества измерений в серии зондирований при минимальной погрешности определения скорости объекта в широком диапазоне скоростей. Задачей изобретения является также определение дальности до объекта с однозначной привязкой по времени. Кроме того, задачей изобретения является обеспечение возможности измерения дальности и/или скорости за одну серию при наличии ложных замеров.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения дальности и/или скорости удаленного объекта, включающем многократное зондирование объекта путем посылки на него серии n лазерных импульсов, определения в каждом i-м зондировании задержки t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения, определения текущей дальности до объекта по формуле R_i=сt_i/2, где с - скорость света, и регистрации этих значений дальности, при этом серию зондирований делят на две группы, регистрируют значения времени T_i , в моменты i-го зондирования, в первой группе зондирований производят n₁ n/2 зондирований, осуществляют линейную интерполяцию зарегистрированных в моменты времени T_i значений дальности до объекта R_i, по результатам которой предварительно определяют траекторию объекта R*(t) в виде R*(t)=R₀*+V*t, где R₀* - оценка дальности до объекта в момент времени T₁, соответствующий первому зондированию, V* - оценка скорости объекта, t - текущее время, отсчитываемое от момента первого зондирования, в зависимости от определенной величины скорости V* формируют базовый интервал времени Т_б, по окончании которого производят вторую группу зондирований в количестве n₂=n-n₁, после чего по зарегистрированным в обеих группах зондирований значениям дальности R_i и моментам времени T_i определяют уточненную траекторию объекта R**(t) в виде R**(t)=R₀**+V**t, где R ₀** - уточненная оценка дальности до объекта в момент времени, соответствующий первому зондированию, V** - уточненная оценка скорости объекта, t - текущее время, отсчитываемое от момента первого зондирования.

Для повышения точности можно в процессе регистрации результатов зондирований аннулировать замеры дальности до объекта R_i, результаты которых отличаются от величины предыдущего признанного достоверным замера R_i-l на величину, превышающую предельную погрешность измерения дальности до объекта.

После определения уточненной траектории объекта целесообразно аннулировать замеры дальности до объекта R_i, результаты которых отличаются от уточненной оценки в i-й момент времени R**(T_i) на величину, превышающую предельную погрешность измерения дальности, после чего повторно определяют уточненную оценку траектории объекта по оставшимся признанным достоверными результатам зондирований.

Предварительные и окончательные оценки дальности до объекта R₀ в начальный момент измерения Т₁ и скорости объекта V можно формировать по формулам:

где

R₀ - оценка дальности до объекта в момент времени T₁;

V - оценка скорости объекта;

R _im=c·t_i/2 - признанный достоверным результат измерения дальности до объекта в i-м зондировании;

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

с - скорость света,

m - количество признанных достоверными замеров дальности в серии из n зондирований.

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

Величину базового интервала можно устанавливать в зависимости от предварительной оценки скорости объекта путем сравнения предварительной оценки скорости объекта с заданной величиной скорости и принятия решения о выборе базового интервала по заранее установленному правилу.

Выбирать базовый интервал можно, например, так, что если предварительная оценка скорости объекта превышает предельно допустимое значение, то устанавливают максимально возможную величину базового интервала Т_б, а если не превышает, то устанавливают величину базового интервала от 1,5 до 4 раз меньше предельно возможного.

Величину дальности до объекта R**(Т) в произвольный момент времени Т можно определять по формуле R**(T)=R ₀**+V**T, где R₀** - уточненная оценка дальности в момент первого зондирования, и V** - уточненная оценка скорости, причем время Т отсчитывают от момента первого зондирования.

На чертеже показана временная диаграмма, иллюстрирующая описанный способ.

Начиная с момента времени T ₁, производят группу n₁ зондирований, регистрируют моменты T_i, определяют и регистрируют измеренные значения дальности R₁ R_n1, производят предварительную оценку траектории объекта путем линейной интерполяции измеренных дальностей, по которым формируют предварительные оценки скорости V* и дальности R₀*, например, по указанным выше формулам или по одной из известных упрощенных процедур.

Если определенная таким образом скорость объекта не превышает допустимого значения, то выбирают базу измерения T_б1, если превышает, то выбирают увеличенное значение базы Т_б2, формируют соответствующий временной интервал Т_б и по его истечении производят вторую группу зондирований, вновь регистрируя измеренные значения дальности R_n1+1 R_n. Соотношение T_б2/T_б1 может выбираться в пределах от 1,5 (меньшая величина этого соотношения мало влияет на конечный результат) до 4 (при большем значении не выполняются требования по точности и времени измерения).

В процессе измерений исключают замеры, отличающиеся от предыдущего значения более чем на предельную погрешность измерения - такие замеры считают недостоверными. По окончании серии зондирований по оставшимся m замерам дальности, признанным достоверными, производят линейную интерполяцию траектории движения объекта, например, по формулам (1) и (2), реализующим метод минимума средних квадратов, обеспечивающий наименьшее значение ошибки определения скорости и дальности. При этом формируют уточненные оценки скорости V** и дальности в начальный момент времени R₀**. После этого проверяют имеющиеся результаты зондирования R_i , на соответствие условию |R**(T_i)-R_i| R, где R - максимальная погрешность измерения. Результаты R _i, не соответствующие этому условию, аннулируют и по оставшимся m результатам зондирования повторно уточняют оценки скорости V** и дальности в начальный момент времени R₀**. Начальный момент времени T₁ соответствует моменту первого зондирования независимо от количества и очередности аннулированных замеров дальности.

Величину дальности R**(T) до объекта в произвольный момент времени Т определяют по формуле R**(T)=R ₀**+V**T, что позволяет осуществить однозначную привязку измерения дальности к определенному моменту времени, например, к времени окончания серии зондирований.

Пример 1.

Согласно предлагаемому способу в первой и второй группах производят по n₁=n₂=200 зондирований с частотой следования F=2220 1/с. Общее время измерения скорости Т_изм принято равным 0,36 с. База измерения Т_б =T_изм-n₁/F=0,36-200/2220~0,27 с.

При этих условиях среднеквадратическая погрешность измерения скорости при использовании простейшего алгоритма усреднения, принятого в [2],

_V=2 ₁/T_б n₁=2 ₁/0,27 200,

где ₁ - среднеквадратическая погрешность измерения дальности в одном замере.

При измерении по способу [2] при том же времени измерения T_изм=0,36 с требуется по n₁₀=n₂₀=400 измерений, а база измерений составляет Т_б0=T_изм/2=0,18 с. При этом среднеквадратическая погрешность измерения скорости

_V0=2 ₁/T_б0 n₁₀=2 ₁/0,18 400.

Отношение этих погрешностей _V/ _V0=(0,18 400)/(0,27 200)=0,94. Это означает, что при равном времени измерения предлагаемый способ практически не уступает по точности прототипу, а при использовании оптимального алгоритма вычисления скорости (2) - и превосходит его по точности. По количеству же зондирований на одно измерение выигрыш предлагаемого способа составляет два раза.

Пример 2.

В случае превышения некоторого заданного предела скорости объекта согласно известному способу производят дополнительную серию зондирований длительностью 0,18 с и производят вторую оценку скорости на измерительной базе 0,18 с. В результате общее количество зондирований n₀ =3 n₁₀=1200, и при этом обеспечивается снижение погрешности измерения в 2 раз, т.е. для условий Примера 1 среднеквадратическая погрешность измерения скорости составит

_V0=2 ₁( 2T_б0 n₁₀)=2 ₁/0,18 400=0,393 ₁.

При том же общем количестве зондирований n=1200 и том же времени измерения Т_изм =3n/F=1200/2220=0,54 сек процедура измерения по предлагаемому способу

обеспечивает погрешность измерения скорости [3]

.

Выигрыш предлагаемого способа по точности составляет 0,393/0,093=4,2 раза.

Предлагаемое изобретение обеспечивает существенное сбережение ресурса и увеличение срока службы аппаратуры, реализующей способ, а также сокращение энергопотребления при питании аппаратуры от автономного источника, за счет сокращения количества измерений в серии зондирований при минимальной погрешности определения скорости объекта в широком диапазоне скоростей. В частности, способ позволяет:

- при одинаковом количестве зондирований значительно сократить среднеквадратическую ошибку измерения скорости и дальности, уменьшив ее до теоретически минимально возможного значения;

- существенно сократить количество зондирований, необходимое для обеспечения заданной точности;

- сократить время процедуры, необходимое для проведения измерений с заданной точностью;

- однозначно привязывать результат измерения дальности по времени к любому заданному моменту, например, началу, середине или концу серии зондирований, что имеет значение, например, для протоколирования результатов.

Источники информации

1. J.G.Dunne "Laser-based measuring device". US Patent 5359404, Oct. 25, 1994.

2. Ю.В.Абазадзе, Н.А.Лицарев, В.Л.Почтарев и др. «Особенности построения лазерного измерителя скорости и дальности ЛИСД-2М». Квантовая электроника, 2002, Том 32, № 3, С.247-250 - прототип.

3. Б.Р.Левин «Теоретические основы статистической радиотехники». Изд. «Радио и связь», Москва, 1975 г., т.2, c.131-139.