RU2605628C1 - Method and optical device for determining distance to object - Google Patents
Method and optical device for determining distance to object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2605628C1 RU2605628C1 RU2015121820/28A RU2015121820A RU2605628C1 RU 2605628 C1 RU2605628 C1 RU 2605628C1 RU 2015121820/28 A RU2015121820/28 A RU 2015121820/28A RU 2015121820 A RU2015121820 A RU 2015121820A RU 2605628 C1 RU2605628 C1 RU 2605628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reflected
- signal
- output
- input
- cascade
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
- G01S17/06—Systems determining position data of a target
- G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Данная группа изобретений относится к области измерения расстояний до объекта с помощью электромагнитных волн, а более конкретно к оптическим устройствам способам определения расстояний до объекта, когда генерируют тактовый сигнал, создают модуляцию указанного тактового сигнала, излучают на объект модулированный бинарный оптический сигнал, принимают посредством светочувствительного элемента отраженный оптический сигнал от объекта, преобразуют полученный отраженный сигнал из аналогового в цифровой, вычисляют корреляцию излученного и отраженного сигналов, вычисляют расстояние до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала. Изобретение может быть использовано, например, в лазерной локации.This group of inventions relates to the field of measuring distances to an object using electromagnetic waves, and more particularly to optical devices, methods for determining distances to an object when a clock signal is generated, modulation of the specified clock signal is generated, a modulated binary optical signal is emitted to the object, and received by a photosensitive element the reflected optical signal from the object, the received reflected signal is converted from analog to digital, the correlation is calculated radiated on and reflected signals, calculate the distance to the object is determined from the time delay of the reflected signal. The invention can be used, for example, in a laser location.
В данном описании используются следующие термины:The following terms are used in this description:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь.ADC - analog-to-digital converter.
КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; англ. CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) - технология построения электронных схем. Отличительной особенностью схем КМОП по сравнению с биполярными технологиями является очень малое энергопотребление в статическом режиме (в большинстве случаев можно считать, что энергия потребляется только во время переключения состояний). КМОП-схемы обладают высокой скоростью действия и низким энергопотреблением.CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor structure; English CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor) - electronic circuit design technology. A distinctive feature of CMOS circuits in comparison with bipolar technologies is the very low power consumption in static mode (in most cases, it can be assumed that energy is consumed only during state switching). CMOS circuits have high speed and low power consumption.
ЛАДАР (LADAR) - лазерный локатор, сокращение от русского или английского варианта «лазерный радар», где радар от англ. radar (radio detection and ranging) - радиообнаружение и дальнометрия.LADAR (LADAR) - a laser locator, an abbreviation for the Russian or English version of the "laser radar", where the radar from the English. radar (radio detection and ranging) - radio detection and ranging.
ЛИДАР (транслитерация LIDAR англ. Light Identification Detection and Ranging - световое обнаружение и определение дальности) - технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Обычно в России подобные устройства называются лазерными дальномерами.LIDAR (LIDAR transliteration. Light Identification Detection and Ranging - light detection and ranging) is a technology for obtaining and processing information about distant objects using active optical systems using the phenomena of light reflection and scattering in transparent and translucent media. Lidar as a device is, at a minimum, an active optical range finder. Usually in Russia, such devices are called laser rangefinders.
Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности - это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю кажутся случайными.Pseudo-random (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that seem random to the outside observer.
Мультиплексирование сигналов - уплотнение канала, т.е. передача нескольких потоков сигналов данных по одному каналу.Signal multiplexing - channel multiplexing, i.e. transmission of several streams of data signals on one channel.
Демультиплексирование сигналов - обратная операция.Signal demultiplexing is the reverse operation.
ВКФ - взаимнокорреляционная функция. Пример ВКФ:VKF is a cross-correlation function. VKF Example:
, где [0, Т] интервал интегрирования, причем длительность опорного сигнала y(t), как правило, существенно меньше Т. , where [0, T] is the integration interval, and the duration of the reference signal y (t), as a rule, is significantly less than T.
Это математическая операция, мера подобия 2-х сигналов (опорного и принимаемого), точка максимума корреляционной функции соответствует точке минимального квадратичного отклонения между сигналами.This is a mathematical operation, a measure of the similarity of 2 signals (reference and received), the maximum point of the correlation function corresponds to the point of minimum quadratic deviation between the signals.
Бинарная М-последовательность или бинарная последовательность максимальной длины (англ. Maximum length sequence, MLS) - псевдослучайная бинарная последовательность, порожденная регистром сдвига с линейной обратной связью и имеющая максимальный период N=pn-1, где n - целое натуральное число, большее 2, а p - простое число для случая бинарной последовательности, равное 2. Для бинарных М - последовательностей, записанных в алфавите «0; 1», число единиц всегда больше на единицу, чем число нулей. При переходе к алфавиту «-1; 1» заменяют нуль на единицу, а единицу - на минус единицу.A binary M-sequence or a maximum length sequence (MLS) is a pseudo-random binary sequence generated by a linear feedback shift register and having a maximum period N = p n -1, where n is an integer greater than 2 , and p is a prime number for the case of a binary sequence, equal to 2. For binary M - sequences written in the alphabet "0; 1 ”, the number of units is always greater by one than the number of zeros. When going to the alphabet "-1; 1 ”replace zero by one, and one by minus one.
Уровень техники способаThe prior art method
Согласно первой из своих сторон, настоящее изобретение относится к способу определения расстояний до объекта.According to a first of its aspects, the present invention relates to a method for determining distances to an object.
Измерение расстояний до объектов производится путем отправления оптического сигнала, например лазерного излучения, получения отраженного сигнала, определения времени запаздывания и вычисления по нему расстояния.The distance to objects is measured by sending an optical signal, such as laser radiation, receiving a reflected signal, determining the delay time and calculating the distance from it.
Так, в патенте US 8537218, опубликован в 2013 г., описан способ определения расстояний до объекта по задержке времени, то есть определения расстояния от некогерентного источника излучения до ячейки приемной матрицы, основанный на измерении времени прохождения излученного импульса некогерентного излучения фиксированной длительности Т0, при этом импульс излучается периодически. Приемная матрица и излучатель расположены рядом. Метод измерения основан на том, что точное расстояние до поверхности объекта определяется как время прохождения излучаемого импульса до поверхности и отраженного от нее импульса до ячеек приемной матрицы (в иностранной патентной литературе обозначается как TOF - time of flight), умноженное на С/2 (С - скорость распространения электромагнитного излучения).So, in patent US 8537218, published in 2013, a method for determining distances to an object from a time delay is described, that is, determining a distance from an incoherent radiation source to a receiving matrix cell based on measuring the propagation time of an emitted pulse of incoherent radiation of a fixed duration T 0 , while the pulse is emitted periodically. The receiving matrix and the emitter are located nearby. The measurement method is based on the fact that the exact distance to the object’s surface is defined as the transit time of the emitted pulse to the surface and the pulse reflected from it to the cells of the receiving matrix (in foreign patent literature it is designated as TOF - time of flight) multiplied by C / 2 (C - propagation velocity of electromagnetic radiation).
Способ определения TOF состоит в том, что априори известен интервал значений TOF=T1+dt, где dt может изменяться от Т1 до T1+Т0. Согласно патенту US 8537218, ячейка (пиксел) приемной матрицы содержит один элемент, генерирующий фототок (photo gate), и две структуры (КМОП/МДП), способные накапливать, удерживать и удалять заряд Q. Для определения dt в период времени [Т1, T1+Т0], под воздействием управляющих сигналов фоток поступает через transfer gate 1 на накопитель заряда Q1, а в период времени [T1+Т0, T1+2*Т0] поступает через transfer gate 2 на накопитель заряда Q2. Накопители зарядов выполняют функцию интеграторов фототока на отрезках Т0. Draining gates используются для быстрого удаления накопленных зарядов Q1 и Q2. Значения накопленных зарядов Q1 и Q2 используются для определения dt путем следующего вычисления:The method for determining TOF is that a priori the range of TOF = T 1 + dt is known, where dt can vary from T 1 to T 1 + T 0 . According to the patent US 8537218, the cell (pixel) of the receiving matrix contains one element generating a photocurrent (photo gate), and two structures (CMOS / MOS) that can accumulate, hold and remove charge Q. To determine dt in a period of time [T 1 , T 1 + T 0 ], under the influence of control signals, the photo enters through the
dt=T0(Q2/(Q1+Q2)).dt = T 0 (Q 2 / (Q 1 + Q 2 )).
Данный метод, как правило, используется для определения расстояния до поверхности объектов в тех случаях, когда T1 меньше или, по крайней мере, кратно соразмерим по порядку с Т0 величины. В классификации, приведенной в справочнике «Handbook of 3D Machine Vision - Optical Metrology and Imaging» под редакцией Song Zhang, опубликованным в 2013 г., данный метод назван, как «Time-Dependent Charge Detection», что можно перевести, как определение заряда зависящего от времени пролета (TOF). Частота периодического накопления заряда Q в ячейках подобной приемной матрицы может достигать 10-20 МГц.This method, as a rule, is used to determine the distance to the surface of objects in cases where T 1 is less than, or at least is, a multiple of the order of magnitude comparable with T 0 . In the classification given in the Handbook of 3D Machine Vision - Optical Metrology and Imaging, edited by Song Zhang, published in 2013, this method is called “Time-Dependent Charge Detection”, which can be translated as determining charge dependent from time of flight (TOF). The frequency of the periodic charge accumulation Q in the cells of such a receiving matrix can reach 10-20 MHz.
Для понимания сути метода приведем эквивалентную схему (блок интегрирования сигнала на интервалах времени Т0), реализующую функции пиксела/ячейки приемной матрицы и временные диаграммы, объясняющие реализуемый этой схемой способ.To understand the essence of the method, we present an equivalent circuit (a signal integration unit at time intervals T 0 ) that implements the pixel / cell functions of the receiving matrix and timing charts explaining the method implemented by this circuit.
На объект излучается зондирующий оптический сигнал (импульс) длительности Т0 (см. фигуру 1, график А).A probe optical signal (impulse) of duration T 0 is radiated to the object (see figure 1, graph A).
Отраженный от объекта сигнал задержан на время T1+dt (см. фигуру 1, график Г).The signal reflected from the object is delayed by the time T 1 + dt (see figure 1, graph D).
Для определения dt используется следующий способ.The following method is used to determine dt.
По стробимпульсу ТХ1 (см. фигуру 1, график Б) длительности Т0, задержанному относительно излученного сигнала (см. фигуру 1, график А) на время Т1, фототок подается на интегратор А (см. фигуру 2). По заднему фронту стробимпульса ТХ1 (см. фигуру 1, график Б) производится считывание дискретного отсчета Q1. Далее при помощи ключа S1 производится обнуление значения на интеграторе А (см. фигуру 2). Изменение сигнала на выходе интегратора А (см. фигуру 2) приведено на графике Д фигуры 1.According to the TX1 strobe pulse (see figure 1, graph B) of duration T 0 delayed relative to the emitted signal (see figure 1, graph A) for a time T 1 , the photocurrent is fed to integrator A (see figure 2). On the trailing edge of the TX1 strobe (see figure 1, graph B), a discrete readout Q 1 is read. Then, using the key S 1 , the value is reset to the integrator A (see figure 2). The change in the signal at the output of the integrator A (see figure 2) is shown in graph D of figure 1.
По стробимпульсу ТХ2 (см. фигуру 1, график В) длительности Т0, задержанному относительно излученного сигнала (см. фигуру 1, график А) на время T0+T1, фототок подается на интегратор Б (см. фигуру 2). По заднему фронту стробимпульса ТХ2 производится считывание дискретного отсчета Q2, далее при помощи ключа S2 производится обнуление значения на интеграторе Б (см. фигуру 2). Изменение сигнала на выходе интегратора Б приведено на графике Е фигуры 1.According to the TX2 strobe pulse (see figure 1, graph B) of duration T 0 delayed relative to the emitted signal (see figure 1, graph A) for a time T 0 + T 1 , the photocurrent is fed to integrator B (see figure 2). On the trailing edge of the TX2 strobe, a discrete sample Q 2 is read, then using the S 2 key, the value is reset to the integrator B (see figure 2). The change in the signal at the output of the integrator B is shown in graph E of figure 1.
Задержка отраженного принимаемого сигнала относительно зондирующего определяется какThe delay of the reflected received signal relative to the probe is defined as
Tзад=T1+dt,T ass = T 1 + dt,
где dt=T0*Q2/(Q1+Q2) или dt=Т0*(1-Q1/(Q1+Q2)).where dt = T 0 * Q 2 / (Q 1 + Q 2 ) or dt = T 0 * (1-Q 1 / (Q 1 + Q 2 )).
На графике Ж фигуры 1 приведено графическое пояснение к способу определения dt.On the graph W of figure 1 shows a graphical explanation of the method for determining dt.
На основе такого метода существуют способы и устройства, которые имеют следующие недостатки:Based on this method, there are methods and devices that have the following disadvantages:
- малый динамический диапазон разрешаемых целей, ограниченный возможностью ячейки памяти накапливать заряд, что соответственно ограничивает и длительность излучаемого сигнала, и максимально определяемую дальность до объекта;- a small dynamic range of permitted targets, limited by the ability of the memory cell to accumulate a charge, which accordingly limits both the duration of the emitted signal and the maximum determined range to the object;
- неспособность работать в условиях засветки от сторонних источников излучения;- inability to work in conditions of exposure from third-party radiation sources;
- очень малый диапазон (интервал) разрешаемых дальностей, равный Т0*С/2;- a very small range (interval) of permitted ranges, equal to T 0 * C / 2;
- малое значение начала диапазона (интервала) разрешаемых дальностей, равное T1*C/2, ограниченное тем, что мощность принимаемого сигнала уменьшается обратно 4-й степени от дальности до объекта или TOF;- a small value of the beginning of the range (interval) of permitted ranges, equal to T 1 * C / 2, limited by the fact that the power of the received signal decreases back to the 4th degree from the distance to the object or TOF;
- влияние наведенных помех, связанных с переключением ключей, коммутирующих фототок на результаты измерения Q1 и Q2.- the effect of induced interference associated with switching keys switching the photocurrent on the measurement results of Q 1 and Q 2 .
Данные недостатки решаются в сложных ЛИДАР и ЛАДАР системах. В них используют высокочастотную модуляцию излучаемых сигналов, но это существенным образом усложняет обработку сигналов. Фактически для каждой приемной ячейки нужен свой радиочастотный тракт.These shortcomings are solved in complex LIDAR and LADAR systems. They use high-frequency modulation of the emitted signals, but this significantly complicates the processing of the signals. In fact, each receiving cell needs its own radio frequency path.
Для увеличения измеряемой дальности также применяют и метод накопления - многократное зондирование цели. Некогерентное накопление позволяет, при условии статистической независимости шумовой составляющей в принимаемом сигнале, увеличить соотношение сигнал/шум в √N раз. N - количество зондирований в серии (объем накопления).To increase the measured range, the accumulation method is also used - multiple sounding of the target. Incoherent accumulation allows, subject to the statistical independence of the noise component in the received signal, to increase the signal-to-noise ratio by √N times. N is the number of soundings in the series (accumulation volume).
Для повышения измерения расстояний до объекта сигнал подается периодический, примером подобного способа определения дальности может служить, например, способ, описанный в патенте РФ №2359228, опубликован в 2009 г., или в международной патентной заявке WO/2005/006016, опубликованной в 2005 г.To increase the measurement of distances to the object, a periodic signal is applied, an example of a similar method for determining the range can be, for example, the method described in RF patent No. 2359228, published in 2009, or in international patent application WO / 2005/006016, published in 2005 .
Однако данный способ имеет недостаток, связанный с большим временем определения дальности, и связанный с тем, что время накопления сигнала кратно времени рекуррентного периода посылки зондирующих импульсов, длительность которого равна максимальной разрешаемой дальности Rmax, умноженной на 2/С. Так, для Rmax=10 км при накоплении сигнала за 200 рекуррентных периодов потребуется 13,4 мс.However, this method has the disadvantage associated with a long time for determining the range, and due to the fact that the signal accumulation time is a multiple of the time of the recurrence period for sending probe pulses, the duration of which is equal to the maximum resolved range R max times 2 / C. So, for R max = 10 km, when the signal is accumulated over 200 recurrence periods, 13.4 ms will be required.
Данный недостаток устраняется за счет использования в качестве зондирующих сигналов оптического диапазона, модулированного М-последовательностью. Это позволяет при той же мощности оптического передатчика и длительности рекуррентного периода увеличить энергию зондирующего сигнала в (N+1)/2, где N - период М-последовательности.This disadvantage is eliminated by using the optical range modulated by the M-sequence as probing signals. This allows for the same power of the optical transmitter and the duration of the recurrence period to increase the energy of the probe signal in (N + 1) / 2, where N is the period of the M-sequence.
Так, в патенте US 6753950, опубликован в 2004 году, описан способ определения дальности до объекта, включающий в себя следующие этапы, при которых:So, in patent US 6753950, published in 2004, describes a method for determining the distance to the object, which includes the following steps, in which:
- генерируют тактовый сигнал,- generate a clock signal,
- создают модуляцию указанного тактового сигнала,- create a modulation of the specified clock signal,
- излучают на объект модулированный бинарный оптический сигнал,- emit a modulated binary optical signal to the object,
- принимают посредством светочувствительного элемента отраженный оптический сигнал от объекта,- receive by means of the photosensitive element the reflected optical signal from the object,
- преобразуют полученный отраженный сигнал из аналогового в цифровой,- convert the received reflected signal from analog to digital,
- вычисляют корреляцию излученного и отраженного сигналов,- calculate the correlation of the emitted and reflected signals,
- вычисляют расстояние до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.- calculate the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal.
Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения как способа.This method is the closest in technical essence and the achieved technical result and is selected for the prototype of the invention as a method.
Недостатком этого прототипа является то, что для повышения точности определения дальности до объекта, путем нахождения временного положения максимума взаимной корреляции, используется повышенная частота квантования времени на дискреты, равная М/Т0, где Т0 - временной интервал одной позиции в последовательности максимальной длинны. Это приводит к существенному увеличению энергопотребления.The disadvantage of this prototype is that to increase the accuracy of determining the distance to the object, by finding the temporary position of the maximum cross-correlation, an increased frequency of quantization of time into discrete is used, equal to M / T 0 , where T 0 is the time interval of one position in the sequence of maximum length. This leads to a significant increase in energy consumption.
Это связано с тем, что:This is due to the fact that:
- для повышения точности определения расстояния необходимо увеличивать тактовую частоту в М раз. При этом использование частот свыше 125 МГц, что опубликовано, например, в патенте US 7206062, опубликованном в 2007 году, приводит к необходимости использования дорогостоящих процессоров и АЦП с высокими показателями рассеиваемой мощности. В патенте предлагается для снижения рассеиваемой мощности на каждый АЦП использовать промежуточное устройство быстродействующей дискретно-аналоговой памяти с последующим мультиплексированием данных с устройства дискретно аналоговой памяти на АЦП преобразователь. В патенте US 7206062 указано, что для оцифровки сигнала с частотой 1 ГГц с использованием АЦП на 8-10 разрядов потребуются АЦП, рассеивающие 0.5-6 Вт на одно быстродействующее АЦП. Данное техническое решение приводит к увеличению времени обработки принимаемого сигнала.- to increase the accuracy of determining the distance, it is necessary to increase the clock frequency in M times. At the same time, the use of frequencies above 125 MHz, which is published, for example, in US Pat. No. 7,068,062, published in 2007, necessitates the use of expensive processors and ADCs with high power dissipation. In the patent, it is proposed to use an intermediate device of high-speed discrete-analog memory with subsequent multiplexing of data from a discrete analog memory device to an ADC converter to reduce the power dissipation for each ADC. In the patent US 7206062 it is indicated that for digitizing a signal with a frequency of 1 GHz using an ADC for 8-10 bits, an ADC will be required, scattering 0.5-6 W per one high-speed ADC. This technical solution leads to an increase in the processing time of the received signal.
Недостатками прототипа являются избыточность вычислений, так для вычисления одного отсчета корреляции для начального грубого определения дальности необходимо произвести N операций сложения. К тому же требуются еще дополнительные вычисления для точного определения положения корреляционного пика.The disadvantages of the prototype are the redundancy of calculations, so to calculate a single correlation reference for the initial rough determination of the range it is necessary to perform N addition operations. In addition, additional calculations are required to accurately determine the position of the correlation peak.
Другим недостатком является то, что описанный в прототипе способ обладает ограниченным диапазоном отношения амплитуд принимаемых сигналов, поскольку если принимаются два и более отраженных сигналов, то различить их после корреляционной обработки можно, только если отношение амплитуд принимаемых сигналов более чем ~2*√N, поскольку ограничено уровнем боковых лепестков ВКФ между псевдошумовым бинарным сигналом (например М-последовательности) в алфавите {0, 1} и того же сигнала в алфавите {-1, 1}.Another disadvantage is that the method described in the prototype has a limited range of the ratio of the amplitudes of the received signals, since if two or more reflected signals are received, then they can be distinguished after correlation processing only if the ratio of the amplitudes of the received signals is more than ~ 2 * √N, since limited by the level of the side lobes of the VKF between the pseudo-noise binary signal (for example, the M-sequence) in the alphabet {0, 1} and the same signal in the alphabet {-1, 1}.
Раскрытие изобретения как способаDisclosure of the invention as a method
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ определения расстояний до объекта, позволяющий, по меньшей мере, сгладить как минимум один из указанных выше недостатков, а именно: увеличение динамического диапазона по отраженным сигналам от объектов и снижение энергопотребления устройства за счет снижения нагрузки на вычислительные модули, что и является поставленной технический задачей.Based on this original observation, the present invention mainly aims to propose a method for determining distances to an object, which allows at least smoothing at least one of the above disadvantages, namely: increasing the dynamic range of the reflected signals from objects and reducing power consumption of the device by reducing the load on the computing modules, which is the technical task.
Для достижения этой цели способ дополнительно содержит следующие этапы, при которых:To achieve this goal, the method further comprises the following steps, in which:
- создают по меньшей мере одну модуляцию в виде псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем, выполненным с возможностью вычисления взаимнокорреляционной функции испускаемого и принимаемого сигналов,- create at least one modulation in the form of a pseudo-noise sequence, consistent with the cascade calculator, configured to calculate the cross-correlation function of the emitted and received signals,
- производят интегральное накопление отраженного сигнала, идущего с выхода светочувствительного элемента,- produce integrated accumulation of the reflected signal coming from the output of the photosensitive element,
- производят мультиплексирование сигналов, идущих от различных М принимающих элементов, для чего подают сигналы в каскадный вычислитель через мультиплексор, обеспечивая возможность вычисления (обработки) одним каскадным вычислителем множества различных дискретных сигналов одновременно.- multiplexing the signals coming from different M receiving elements, for which they feed the signals to the cascade computer through the multiplexer, providing the ability to calculate (process) one cascade computer many different discrete signals simultaneously.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность организовать иную схему определения дальности до цели, которая основана на возможности использования одного каскадного вычислителя для одновременной обработки множества различных, дискретных сигналов, идущих от различных приемных элементов, что значительно сокращает количество операций, снижает энергопотребление. Действительно, TOF матрицы обычно не позволяют работать с частотами выше 10-20 МГц. В то же время каскадный вычислитель может производить вычисления с использованием тактовой частоты от 1 ГГц и выше. Это и позволяет использовать один и тот же каскадный вычислитель для обработки сигналов от множества пикселов (отдельных элементов приемной матрицы) или различных псевдошумовых последовательностей.Thanks to these advantageous characteristics, it becomes possible to organize a different scheme for determining the distance to the target, which is based on the possibility of using one cascade computer to simultaneously process many different, discrete signals coming from different receiving elements, which significantly reduces the number of operations and reduces power consumption. Indeed, TOF matrices usually do not allow working with frequencies above 10-20 MHz. At the same time, a cascade calculator can perform calculations using a clock frequency of 1 GHz or higher. This makes it possible to use the same cascade calculator for processing signals from multiple pixels (individual elements of the receiving matrix) or various pseudo-noise sequences.
Так, если необходимо параллельно производить вычисления с М каналов, то число тактов задержки во всех цифровых линиях задержки, используемых в каскадном вычислителе в каждом из каскадов, должно быть увеличено в М раз. Сигналы в каскадный вычислитель при этом подаются через мультиплексор. Это позволяет упростить обработку и сократить объем используемой для вычислений памяти, а также увеличить порог дальности и динамический диапазон по амплитудам отраженных сигналов от объектов.So, if it is necessary to carry out calculations from M channels in parallel, then the number of delay clocks in all digital delay lines used in the cascade computer in each of the cascades should be increased M times. The signals in the cascade calculator are supplied through the multiplexer. This allows us to simplify processing and reduce the amount of memory used for computing, as well as increase the threshold threshold and dynamic range in terms of the amplitudes of the reflected signals from objects.
Существует также вариант изобретения, в котором производят поочередное накопление сигналов, идущих с первого и второго выходов каскадного вычислителя, при этом для модуляции зондирующего сигнала используются псевдошумовые дополнительные последовательности.There is also an embodiment of the invention in which the signals from the first and second outputs of the cascade computer are sequentially accumulated, and additional pseudo noise additional sequences are used to modulate the probe signal.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять составляющую фоновой засветки в сигнале и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет взаимного полного (при отсутствии шумовой составляющей в обрабатываемом сигнале) или частичного подавления боковых лепестков ВКФ при суммировании отсчетов ВКФ с первого и второго выходов каскадного вычислителя в блоке накопления.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the component of background illumination in the signal and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals due to the mutual complete (in the absence of a noise component in the processed signal) or partial suppression of the side lobe of the VKF when summing the samples of the VKF from the first and second outputs of the cascade computer in accumulation unit.
Существует, кроме того, вариант изобретения, в котором производят накопление сигнала, идущего на вход каскадного вычислителя.There is, in addition, an embodiment of the invention in which an accumulation of a signal going to the input of a cascade computer is produced.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять составляющую фоновой засветки в сигнале и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет снижения уровня боковых лепестков ВКФ накопленного сигнала и согласованной с ним последовательности, вычисляемой каскадным вычислителем, кратно сократить число арифметических операций, выполняемых каскадным вычислителем.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the component of background illumination in the signal and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals by reducing the level of the side lobes of the accumulated signal and the matching sequence calculated by the cascade computer, and reduce the number of arithmetic operations performed by the cascade computer by several times.
Существует еще один вариант изобретения, в котором производят демультиплексирование сигналов, идущих с выхода каскадного вычислителя или блока накопления.There is another embodiment of the invention in which the demultiplexing of signals coming from the output of a cascade calculator or storage unit is performed.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность группировать обработанные отсчеты по их принадлежности к соответствующему приемному элементу или соответствующей обрабатываемой последовательности.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to group the processed samples according to their belonging to the corresponding receiving element or the corresponding processed sequence.
Существует вариант изобретения, в котором создают две различные модуляции в виде двух дополнительных псевдошумовых последовательностей, отличающихся только тем, что в одной из них позиции «0» заменены на позиции «1», а в другой позиции «0» заменены на «-1».There is a variant of the invention in which two different modulations are created in the form of two additional pseudo-noise sequences, differing only in that in one of them the positions “0” are replaced by the positions “1”, and in the other position “0” is replaced by “-1” .
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять постоянную составляющую в сигнале (background light), вычисляемом каскадным вычислителем, и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет снижения уровня боковых лепестковDue to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the constant component in the signal (background light) calculated by the cascade computer and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals by reducing the level of the side lobes
Существует также вариант изобретения, в котором создают различные модуляции в виде дополнительных псевдошумовых последовательностей, количество которых кратно двум.There is also a variant of the invention in which various modulations are created in the form of additional pseudo-noise sequences, the number of which is a multiple of two.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность полностью подавлять составляющую фоновой засветки в сигнале и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет взаимного полного (при отсутствии шумовой составляющей в обрабатываемом сигнале) или частичного подавления боковых лепестков ВКФ при суммировании отсчетов ВКФ с первого и второго выходов каскадного вычислителя в блоке накопления. Кроме того, применение различных псевдошумовых последовательностей, на каждом цикле зондирования, позволяет снизить помехи, создаваемые излучаемым зондирующим сигналом от иного источника.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to completely suppress the component of the background illumination in the signal and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals due to the mutual complete (in the absence of a noise component in the processed signal) or partial suppression of the side lobes of the VKF when summing the samples of the VKF from the first and second outputs of the cascade computer in the accumulation unit. In addition, the use of various pseudo-noise sequences in each sensing cycle reduces the noise caused by the radiated probe signal from another source.
Существует в дополнение вариант изобретения, в котором располагают чувствительные к электромагнитным волнам, в том числе и оптическому излучению, элементы детектирования отраженного сигнала на гиростабилизированной платформе.There is in addition a variant of the invention in which the elements for detecting the reflected signal on a gyrostabilized platform are sensitive to electromagnetic waves, including optical radiation.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность расширения использования предлагаемого решения для перемещающихся в пространстве аппаратов, в частности для беспилотных летательных аппаратов, которые могут использовать предлагаемое решение в качестве основы технического зрения.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to expand the use of the proposed solution for vehicles moving in space, in particular for unmanned aerial vehicles, which can use the proposed solution as the basis for technical vision.
Существует также вариант изобретения, в котором располагают перед входом оптического сигнала на светочувствительные элементы поляризационный фильтр.There is also an embodiment of the invention in which a polarizing filter is placed in front of the input of the optical signal to the photosensitive elements.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность повышать соотношение с/ш и, следовательно, повышать точность измерений расстояний до отражающих объектов.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to increase the ratio s / w and, therefore, increase the accuracy of measuring distances to reflective objects.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения как способа неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения. Кроме того, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения, как способа, неочевидна для специалиста, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень» для изобретения.The set of essential features of the invention as a method is unknown from the prior art for methods of similar purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty" for the invention. In addition, the set of essential features of the invention as a method is not obvious to a specialist, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step" for the invention is met.
Уровень техники устройстваThe prior art device
Другой своей стороной настоящее изобретение относится к оптическому устройству для определения расстояний до объекта.Another side of the present invention relates to an optical device for determining distances to an object.
В патенте US 6753950, опубликован в 2004 году, описано оптическое устройство для определения расстояний до объекта, включающее в себя:In the patent US 6753950, published in 2004, describes an optical device for determining distances to an object, including:
- источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с первым выходом- a radiation source to the object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the first output
- генератора создания модуляции, первый вход которого соединен с выходом- modulation generator, the first input of which is connected to the output
- генератора тактового сигнала,- clock generator,
- светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, выход которого соединен с первым входом- a photosensitive element for detecting a reflected optical signal from an object whose output is connected to the first input
- модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, содержащего аналогово-цифровой преобразователь,- a module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals containing an analog-to-digital converter,
- первый выход модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов соединен со входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, первый выход которого соединен с вторым входом генератора создания модуляции, а второй выход которого соединен с вторым входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов,- the first output of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals is connected to the input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the second input of the modulation generator, and the second output of which is connected to the second input of the module for calculating the correlation of reflected and reflected signals
- второй выход генератора создания модуляции соединен с третьим входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов.- the second output of the modulation generator is connected to the third input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals.
Данное устройство является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрано за прототип предлагаемого изобретения как устройства.This device is the closest in technical essence and the achieved technical result and is selected as a prototype of the invention as a device.
Недостатком этого прототипа является то, что для повышения точности определения дальности до объекта, путем нахождения временного положения максимума взаимной корреляции, используется повышенная частота квантования времени на дискреты, равная М/Т0, где Т0 - временной интервал одной позиции в последовательности максимальной длинны. Это приводит к существенному увеличению энергопотребления.The disadvantage of this prototype is that to increase the accuracy of determining the distance to the object, by finding the temporary position of the maximum cross-correlation, an increased frequency of quantization of time into discrete is used, equal to M / T 0 , where T 0 is the time interval of one position in the sequence of maximum length. This leads to a significant increase in energy consumption.
Это связано с тем, что:This is due to the fact that:
- для повышения точности определения расстояния необходимо увеличивать тактовую частоту в М раз. При этом использование частот свыше 125 МГц, что опубликовано, например, в патенте US 7206062, опубликованном в 2007 году, приводит к необходимости использования дорогостоящих процессоров и АЦП с высокими показателями рассеиваемой мощности. В патенте предлагается для снижения рассеиваемой мощности на каждый АЦП использовать промежуточное устройство быстродействующей дискретно-аналоговой памяти с последующим мультиплексированием данных с устройства дискретно аналоговой памяти на АЦП преобразователь. В патенте US 7206062 указано, что для оцифровки сигнала с частотой 1 ГГц с использованием АЦП на 8-10 разрядов потребуются АЦП, рассеивающие 0.5-6 Вт на одно быстродействующее АЦП. Данное техническое решение приводит к увеличению времени обработки принимаемого сигнала.- to increase the accuracy of determining the distance, it is necessary to increase the clock frequency in M times. At the same time, the use of frequencies above 125 MHz, which is published, for example, in US Pat. No. 7,068,062, published in 2007, necessitates the use of expensive processors and ADCs with high power dissipation. In the patent, it is proposed to use an intermediate device of high-speed discrete-analog memory with subsequent multiplexing of data from a discrete analog memory device to an ADC converter to reduce the power dissipation for each ADC. In the patent US 7206062 it is indicated that for digitizing a signal with a frequency of 1 GHz using an ADC for 8-10 bits, an ADC will be required, scattering 0.5-6 W per one high-speed ADC. This technical solution leads to an increase in the processing time of the received signal.
Недостатком прототипа является избыточность вычислений, так для вычисления одного отсчета корреляции для начального грубого определения дальности необходимо произвести N операций сложения. К тому же требуются еще дополнительные вычисления для точного определения положения корреляционного пика.The disadvantage of the prototype is the redundancy of the calculations, so to calculate a single correlation reference for the initial rough determination of the range it is necessary to perform N addition operations. In addition, additional calculations are required to accurately determine the position of the correlation peak.
Другим недостатком является то, что описанное в прототипе устройство обладает ограниченным диапазоном отношения амплитуд принимаемых сигналов, поскольку если устройством принимаются два и более отраженных сигналов, то различить их после корреляционной обработки можно, только если отношение амплитуд принимаемых сигналов более чем ~2*√N, поскольку ограничено уровнем боковых лепестков ВКФ между псевдошумового бинарного сигнала (например М-последовательности) в алфавите {0, 1} и того же сигнала в алфавите {-1, 1}.Another disadvantage is that the device described in the prototype has a limited range of the ratio of the amplitudes of the received signals, since if the device receives two or more reflected signals, then they can be distinguished after correlation processing only if the ratio of the amplitudes of the received signals is more than ~ 2 * √N, since it is limited by the level of the side lobes of the VKF between the pseudo-noise binary signal (for example, the M-sequence) in the alphabet {0, 1} and the same signal in the alphabet {-1, 1}.
Раскрытие изобретения как устройстваDisclosure of the invention as a device
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить оптическое устройство определения расстояний до объекта, позволяющее, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить увеличение динамического диапазона по отраженным сигналам от объектов и снижение энергопотребления устройства за счет снижения нагрузки на вычислительные модули, что и является поставленной технический задачей.Based on this original observation, the present invention mainly aims to provide an optical device for determining distances to an object, which allows at least smoothing out at least one of the above disadvantages, namely, to increase the dynamic range by reflected signals from objects and reducing the power consumption of the device by reducing the load on the computing modules, which is the technical task.
Для достижения этой цели генератор создания модуляции выполнен в виде генератора по меньшей мере одной псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем, выполненным с возможностью вычисления взаимнокорреляционной функции испускаемого и принимаемого сигналов. Выход светочувствительного элемента детектирования отраженного оптического сигнала от объекта соединен со входом модуля интегрирования, выход которого соединен с первым входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов. Модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные между собой мультиплексор и каскадный вычислитель.To achieve this goal, the modulation generating generator is made in the form of a generator of at least one pseudo-noise sequence, matched with a cascade computer configured to calculate the cross-correlation function of the emitted and received signals. The output of the photosensitive element for detecting the reflected optical signal from the object is connected to the input of the integration module, the output of which is connected to the first input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals. The module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals further comprises a series-connected multiplexer and a cascade computer.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность организовать иную схему определения дальности до цели, которая основана на возможности использования одного каскадного вычислителя для одновременной обработки множества различных, дискретных сигналов, идущих или от различных светочувствительных элементов или от различных псевдошумовых последовательностей, что значительно сокращает количество операций, снижает энергопотребление. Действительно, TOF матрицы обычно не позволяют работать с частотами выше 10-20 МГц. В то же время каскадный вычислитель может производить вычисления с использованием тактовой частоты от 1 ГГц и выше. Это и позволяет использовать один и тот же каскадный вычислитель для обработки сигналов от множества пикселов (отдельных элементов приемной матрицы) или различные псевдошумовые последовательности.Thanks to these advantageous characteristics, it becomes possible to organize a different scheme for determining the distance to the target, which is based on the possibility of using one cascade computer for simultaneous processing of many different, discrete signals coming either from various photosensitive elements or from various pseudo-noise sequences, which significantly reduces the number of operations, reduces Energy consumption. Indeed, TOF matrices usually do not allow working with frequencies above 10-20 MHz. At the same time, a cascade calculator can perform calculations using a clock frequency of 1 GHz or higher. This makes it possible to use the same cascade computer for processing signals from multiple pixels (individual elements of the receiving matrix) or various pseudo-noise sequences.
Так если необходимо параллельно производить вычисления с М каналов, то число тактов задержки во всех цифровых линиях задержки, используемых в каскадном вычислителе в каждом из каскадов, должно быть увеличено в М раз. Сигналы в каскадный вычислитель при этом подаются через мультиплексор. Это позволяет упростить обработку и сократить объем используемой для вычислений памяти.So if it is necessary to carry out calculations from M channels in parallel, the number of delay clocks in all digital delay lines used in the cascade computer in each of the cascades should be increased M times. The signals in the cascade calculator are supplied through the multiplexer. This simplifies processing and reduces the amount of memory used for computing.
Существует также вариант изобретения, в котором модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит первый блок накопления, вход которого соединен с выходом каскадного вычислителя.There is also an embodiment of the invention, in which the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals further comprises a first storage unit, the input of which is connected to the output of the cascade computer.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять составляющую фоновой засветки в сигнале и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет снижения уровня боковых лепестков ВКФ накопленного сигнала и согласованной с ним последовательности, вычисляемой каскадным вычислителем.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the component of the background illumination in the signal and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals by reducing the level of the side lobes of the accumulated signal and the matching sequence calculated by the cascade calculator.
Существует также вариант изобретения, в котором модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит второй блок накопления, выход которого соединен со входом каскадного вычислителя, а вход которого соединен с выходом мультиплексора.There is also a variant of the invention, in which the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals further comprises a second storage unit, the output of which is connected to the input of the cascade computer, and the input of which is connected to the output of the multiplexer.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять составляющую фоновой засветки в сигнале и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет полного подавления боковых лепестков в результирующей последовательности, полученной накоплением последовательностей с вычислителя ВКФ.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the component of background illumination in the signal and increase the dynamic range of amplitudes of the received signals due to the complete suppression of the side lobes in the resulting sequence obtained by accumulating sequences from the VCF calculator.
Существует также вариант изобретения, в котором модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит демультиплексор, вход которого соединен с выходом первого блока накопления.There is also a variant of the invention, in which the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals further comprises a demultiplexer, the input of which is connected to the output of the first storage unit.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность разделять сигналы после каскадного вычислителя по их принадлежности к различным источникам.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to separate the signals after the cascade calculator according to their belonging to various sources.
Существует также вариант изобретения, в котором генератор создания модуляции выполнен в виде генератора двух дополнительных псевдошумовых последовательностей, согласованных с каскадным вычислителем.There is also a variant of the invention, in which the modulation generator is made in the form of a generator of two additional pseudo-noise sequences, matched with a cascade computer.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять постоянную составляющую в сигнале, вычисляемом каскадным вычислителем, и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет снижения уровня боковых лепестков результирующей ВКФ на выходе вычислителя ВКФ.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the constant component in the signal calculated by the cascade computer and increase the dynamic range of amplitudes of the received signals by reducing the side lobe level of the resulting VKF at the output of the VKF calculator.
Существует также вариант изобретения, в котором генератор создания модуляции выполнен в виде генератора дополнительных псевдошумовых последовательностей, количество которых кратно двум, согласованных с каскадным вычислителем.There is also a variant of the invention, in which the modulation generator is made in the form of a generator of additional pseudo-noise sequences, the number of which is a multiple of two, matched with a cascade computer.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность подавлять постоянную составляющую в сигнале, вычисляемом каскадным вычислителем, и увеличить динамический диапазон амплитуд принимаемых сигналов за счет полного подавления уровня боковых лепестков в результирующей последовательности полученной накоплением последовательностей с вычислителя ВКФ.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to suppress the constant component in the signal calculated by the cascade computer and increase the dynamic range of the amplitudes of the received signals by completely suppressing the level of the side lobes in the resulting sequence obtained by accumulating sequences from the VCF computer.
Существует также вариант изобретения, в котором светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала расположен на гиростабилизированной платформе.There is also a variant of the invention in which the photosensitive element for detecting the reflected optical signal is located on a gyro-stabilized platform.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность расширения использования предлагаемого решения для перемещающихся в пространстве аппаратов, в частности для беспилотных летательных аппаратов, которые могут использовать предлагаемое решение в качестве основы технического зрения.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to expand the use of the proposed solution for vehicles moving in space, in particular for unmanned aerial vehicles, which can use the proposed solution as the basis for technical vision.
Существует также вариант изобретения, в котором светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент.There is also a variant of the invention in which the photosensitive element for detecting the reflected optical signal has a polarizing filter located in front of the input of the optical signal to the photosensitive element.
Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность повышать соотношение сигнал/шум и, следовательно, повышать точность измерений расстояний до отражающих объектов.Due to this advantageous characteristic, it becomes possible to increase the signal-to-noise ratio and, therefore, increase the accuracy of measuring distances to reflecting objects.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения как устройства неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения. Кроме того, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения как устройства неочевидна для специалиста, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень» для изобретения.The set of essential features of the present invention as a device is unknown from the prior art for devices of similar purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty" for the invention. In addition, the set of essential features of the invention as a device is not obvious to a specialist, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step" for the invention is met.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:Other distinguishing features and advantages of this invention clearly follow from the description below for illustration and not being restrictive, with reference to the accompanying drawings, in which:
- фигура 1 изображает временные диаграммы, объясняющие реализуемый уровнем техники способ определения расстояния,- figure 1 depicts time charts explaining the method of determining the distance implemented by the prior art,
- фигура 2 изображает блок интегрирования сигнала на временных отрезках Т0 и формирования дискретных отсчетов Q, согласно уровню техники,- figure 2 depicts the unit of integration of the signal at time intervals T 0 and the formation of discrete samples Q, according to the prior art,
- фигура 3 изображает функциональную схему оптического устройства для определения расстояний до объекта, согласно изобретению,- figure 3 depicts a functional diagram of an optical device for determining distances to an object according to the invention,
- фигура 4 изображает устройство для генерации кодов d10, d11,- figure 4 depicts a device for generating codes d 10 , d 11 ,
- фигура 5 изображает устройство для генерации кодов d20, d21, d22, d23,- figure 5 depicts a device for generating codes d 20 , d 21 , d 22 , d 23 ,
- фигура 6 изображает схему каскада 2 каскадного вычислителя, отображенного на фигуре 7,- figure 6 depicts a diagram of the
- фигура 7 изображает устройство, генерирующее две дополнительные D-последовательности,- figure 7 depicts a device that generates two additional D-sequences,
- фигура 8 изображает схему каскадного вычислителя ВКФ, позволяющую при помощи каскадного вычислителя осуществлять вычисление четырех указанных в таблице 3 ВКФ для их последующего суммирования,- figure 8 depicts a circuit cascade calculator VKF, allowing using a cascade calculator to calculate the four specified in table 3 VKF for their subsequent summation,
- фигура 9 изображает схему каскадного вычислителя, состоящего из девяти каскадов,- figure 9 depicts a diagram of a cascade computer, consisting of nine cascades,
- фигура 10 изображает взаимнокорреляционную функцию,- figure 10 depicts a cross-correlation function,
- фигура 11 изображает схему каскадов, полученную путем перестановки и соединений между каскадами,- figure 11 depicts a cascade diagram obtained by permutation and connections between cascades,
- фигура 12 изображает минимаксную взаимнокорреляционную функцию,- figure 12 depicts a minimax cross-correlation function,
- фигура 13 изображает графики Б, Е, К, О, на которых отражены излучаемые сигналы, модулированные последовательностями К1, К2, К3, К4, и эти же сигналы, отраженные от объекта (графики В, Ж, Л, П), процесс интегрирования принимаемых сигналов на временных интервалах длительности Т0 (графики Г, З, М, Р), дискретные отсчеты, получаемые в результате интегрирования на интервалах, отражены соответственно на графиках Д, И, Н, С. На графике А отображены синхроимпульсы и их номера, подаваемые на генератор создания модуляции, отраженный на фигуре 3,- figure 13 depicts graphs B, E, K, O, which reflect the emitted signals modulated by sequences K1, K2, K3, K4, and the same signals reflected from the object (graphs B, G, L, P), the integration process received signals at time intervals of duration T 0 (graphs G, Z, M, P), discrete samples obtained as a result of integration at intervals are shown respectively in graphs D, I, H, C. On graph A, clock pulses and their numbers are displayed, supplied to the modulation generator shown in FIG. 3,
- фигура 14 показывает этапы работы устройства, согласно изобретению.- figure 14 shows the steps of the device according to the invention.
Согласно фигуре 3 оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя источник 1 излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с первым выходом генератора 2 создания модуляции, первый вход которого соединен с выходом генератора 3 тактового сигнала. Оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя также светочувствительный элемент 4 детектирования отраженного оптического сигнала от объекта 5, выход которого соединен с первым входом модуля 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, содержащего аналогово-цифровой преобразователь 7. Первый выход модуля 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов соединен со входом модуля 8 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.According to figure 3, the optical device for determining distances to the object includes a
Первый выход модуля 8 соединен с вторым входом генератора 2 создания модуляции, а второй выход генератора 2 соединен с вторым входом модуля 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов. Второй выход модуля 8 соединен с третьим входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов.The first output of
Генератор 2 создания модуляции выполнен в виде генератора по меньшей мере одной псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем 9. Выход светочувствительного элемента детектирования отраженного оптического сигнала от объекта соединен со входом модуля интегрирования 10, выход которого соединен с первым входом модуля 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов. Модуль 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные между собой мультиплексор 11 и каскадный вычислитель 9. (Модули 7 и 11 могут быть и поменяны местами, если мультиплексируется аналоговый сигнал и используется быстродействующее АЦП).The
Модуль 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно может содержать первый блок накопления 12, выход которого соединен со входом каскадного вычислителя ВКФ 9 (пример схемы каскадного вычислителя ВКФ представлен на фиг. 8), а вход которого соединен с выходом мультиплексора 11.The
Модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно может содержать второй блок накопления 13, вход которого соединен с выходом каскадного вычислителя.The module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals may further comprise a
Модуль 6 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно может содержать демультиплексор 14, вход которого соединен с выходом первого блока накопления 12.
Генератор создания модуляции может быть выполнен в виде генератора двух дополнительных псевдошумовых последовательностей, согласованных с каскадным вычислителем 9.The modulation generating generator can be made in the form of a generator of two additional pseudo-noise sequences, matched with the
Генератор создания модуляции может быть выполнен в виде генератора четырех дополнительных псевдошумовых последовательностей, согласованных с каскадным вычислителем 9.The modulation generating generator can be made in the form of a generator of four additional pseudo-noise sequences, matched with a
Светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала может быть расположен на гиростабилизированной платформе. На фигурах не показана.The photosensitive detection element of the reflected optical signal can be located on a gyro-stabilized platform. Not shown in the figures.
Светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала может иметь поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент. На фигурах не показан.The photosensitive element for detecting the reflected optical signal may have a polarizing filter placed in front of the input of the optical signal to the photosensitive element. Not shown in the figures.
На фигуре 8 показан блок управления каскадным вычислителем, функции которого выполняет модуль 8 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, см. фиг 3.The figure 8 shows the control unit of the cascade computer, the functions of which are performed by the
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Оптическое устройство для определения расстояний до объекта работает следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения, имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения. Согласно фигуре 14.An optical device for determining distances to an object operates as follows. Here is the most comprehensive example of the invention, bearing in mind that this example does not limit the application of the invention. According to figure 14.
Этап Э1. Создают генератором 2 создания модуляции в виде бинарной псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем 9, и излучают ее в пространство.Stage E1. The
Этап Э2. Принимают отраженный от объектов сигнал светочувствительным элементом детектирования принимаемого сигнала 4.Stage E2. The signal reflected from the objects is received by the photosensitive detection element of the received
Этап Э3. Производят интегрирование блоком 10 на временных отрезках длительности Т0 отраженного сигнала путем накопления емкостного заряда.Stage E3. Integration is carried out by
Этап Э4. Мультиплексируют результаты интегрирования, полученные на этапе 3 на быстродействующий АЦП 7.Stage E4. Multiplex the integration results obtained in
Этап Э5. Преобразуют результаты интегрирования в цифровой код (блок АЦП).Stage E5. Convert the results of integration into a digital code (ADC block).
Этап Э6. Подают цифровой код в первый блок накопления 12, в котором осуществляется накопление дискретного сигнала путем суммирования или вычитания отсчетов, получаемых с выхода АЦП 7 с содержимым ячеек памяти. Перед пуском устройства все ячейки памяти первого блока накопления обнуляются.Stage E6. A digital code is supplied to the
Этап Э7. Считывают сигнал (последовательность), накопленный в ячейках памяти блока накопления 12, и подают его на каскадный вычислитель 9.Stage E7. Read the signal (sequence) accumulated in the memory cells of the
Этап Э8. Подают последовательность с каскадного вычислителя 9 на второй блок накопления 13 дискретного сигнала путем суммирования или вычитания отсчетов, получаемых с выхода АЦП с содержимым ячеек памяти. Перед пуском устройства все ячейки памяти первого блока накопления обнуляются.Stage E8. The sequence is supplied from the
Этап Э9. Демультиплексируют (считывают в определенном порядке) содержимое ячеек памяти со второго блока накопления 13 на пороговый обнаружитель, соответствующий определенному пикселу (светочувствительному элементу детектирования принимаемого сигнала 4).Stage E9. The contents of the memory cells from the
Этап Э10. При превышении порогового значения одним или двумя последовательными отсчетами выборки передают амплитуды и номера этих отсчетов на модуль 8 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.Stage E10. If the threshold value is exceeded by one or two consecutive samples of the sample, the amplitudes and numbers of these samples are transmitted to the
Этап Э11. Вычисляют расстояние до отражающего объекта.Stage E11. The distance to the reflecting object is calculated.
Этап Э12. Повторяют этапы Э1-Э11.Stage E12. Repeat steps E1-E11.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предлагаемое оптическое устройство для определения расстояний до объекта может быть осуществлено специалистом на практике, и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.The proposed optical device for determining the distances to the object can be implemented by a specialist in practice, and when implemented, it ensures the implementation of the declared purpose, which allows us to conclude that the criterion of "industrial applicability" for the invention is met.
В соответствии с предложенным изобретением были проведены расчеты работы оптического устройства для определения расстояний до объекта.In accordance with the proposed invention, calculations were made of the operation of the optical device to determine the distances to the object.
Расчеты работы устройства показали, что оно обеспечивает возможность:Calculations of the device showed that it provides the ability to:
- сокращения количества операций, необходимых для вычисления расстояния до объекта,- reducing the number of operations required to calculate the distance to the object,
- определения расстояний, превышающих порог дальности прототипа.- determination of distances exceeding the threshold range of the prototype.
Покажем это на примере.We show this by example.
Пример работы устройстваDevice operation example
Известны дополнительные последовательности (см. Варакин Л.Е. «Системы связи с шумоподобными сигналами». М.: Радио и связь, 1985).Additional sequences are known (see L. Varakin, “Communication Systems with Noise-Like Signals.” M.: Radio and Communications, 1985).
Последовательности и называются дополнительными, еслиThe sequence and are called optional if
при µ=0 или при µ=+/-1, …, +/- (N-1), где at µ = 0 or for µ = + / - 1, ..., +/- (N-1), where
; ;
Например, последовательности:For example, sequences:
{1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1}{1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1}
{1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1}{1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1}
являются дополнительными.are optional.
Значения их автокорреляционных функций, сумма их АКФ приведены в табл. 1.The values of their autocorrelation functions, the sum of their ACF are given in table. one.
Примером таких последовательностей являются D-коды.An example of such sequences are D codes.
Исходя из правила формирования D-кодов, возможно построить алгоритм их генерации и вычисления, основанный на формировании их по правилу присоединения.Based on the rule of forming D-codes, it is possible to build an algorithm for their generation and calculation, based on the formation of them according to the rule of accession.
Так, для формирования кодов d10={1, 1} и d11={-1, 1} можно использовать схему из одного сумматора, одного вычитателя и устройства задержки последовательности на один такт (на фиг. 4 задержка на один такт обозначена как Z-1). Подав на это устройство единичный импульс, получим на выходе 1, последовательность {1, 1}, а на выходе 2 {-1, 1}.So, for the formation of codes d 10 = {1, 1} and d 11 = {- 1, 1}, you can use a circuit of one adder, one subtractor and a delay device for a sequence of one clock cycle (in Fig. 4, a delay of one clock cycle is indicated as Z -1 ). Having fed a single impulse to this device, we get
А для генерации кодов d20, d21, d22, d23 соответственно устройство, приведенное на фигуре 5.And to generate codes d 20 , d 21 , d 22 , d 23, respectively, the device shown in figure 5.
На выходе (1) получим последовательность {-1, 1, 1, 1}At the output (1) we get the sequence {-1, 1, 1, 1}
На выходе (2) получим последовательность {1, -1, 1, 1}At the output (2) we get the sequence {1, -1, 1, 1}
На выходе (3) получим последовательность {1, 1, -1, 1}At the output (3) we get the sequence {1, 1, -1, 1}
На выходе (4) получим последовательность {-1, -1, -1, 1}At the output (4) we get the sequence {-1, -1, -1, 1}
Из структуры соединений видно, что любую D-последовательность можно получить путем соединения типовых элементов, состоящих из двух сумматоров (одного сумматора и одного вычитателя) и линии задержки на 2(i-1) тактов (где i=1, 2, 3 есть номер соответствующего каскада). Схема подобного устройства (каскада) приведена на фиг. 6.It can be seen from the structure of the compounds that any D-sequence can be obtained by connecting typical elements consisting of two adders (one adder and one subtractor) and a delay line for 2 (i-1) clock cycles (where i = 1, 2, 3 is the number corresponding cascade). A diagram of such a device (cascade) is shown in FIG. 6.
Допустим, необходимо получить две дополнительных D-последовательности длины 8: {-1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1} и {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1}. Пара подобных дискретных дополнительных последовательностей обладает той особенностью, что при суммировании их АКФ получим суммарную АКФ с нулевым уровнем боковых лепестков. Это используется в радиолокации для подавления боковых лепестков путем сложения двух взаимных корреляционных функций, полученных от обработки 2-х дополнительных сигналов.Suppose you want to get two additional D-sequences of length 8: {-1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1} and {1, 1, 1, -1, 1, 1, -1 , one}. A pair of such discrete additional sequences has the feature that, when summing their ACFs, we obtain the total ACF with a zero level of side lobes. This is used in radar to suppress side lobes by adding two mutual correlation functions obtained from processing 2 additional signals.
На фиг. 7 нарисовано устройство, генерирующее эти последовательности.In FIG. Figure 7 shows a device generating these sequences.
На вход устройства подается последовательность {1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}.The sequence {1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0} is fed to the input of the device.
В первом блоке (Каскад №1) задержка на 1 такт, во втором (Каскад №2) на 2, в 3-м (Каскад №3) на 4. С первого выхода получим последовательностьIn the first block (Cascade No. 1), the delay is 1 cycle, in the second (Cascade No. 2) by 2, in the 3rd (Cascade No. 3) by 4. From the first output we get the sequence
D1={-1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1}, а со второгоD1 = {- 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1}, and from the second
D2={1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1}.D2 = {1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1}.
Эти последовательности являются дополнительными.These sequences are optional.
В таблице 2 приведена только часть АКФ.Table 2 shows only part of the ACF.
Это же устройство (на фиг. 7) является согласованным фильтром для дополнительных последовательностей, получаемых из сгенерированных последовательностей D1 и D2 перестановкой их в обратном порядке.The same device (in Fig. 7) is a matched filter for additional sequences obtained from the generated sequences D1 and D2 by rearranging them in the reverse order.
Эти последовательности, назовем их DM1 и DM2, так же являются дополнительными. DM1={1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1}; DM2={1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1}.These sequences, let's call them DM1 and DM2, are also optional. DM1 = {1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1}; DM2 = {1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1}.
Если подать на вход такого устройства (См. Фиг. 7) последовательность DM1, а затем DM2, и сложить результаты с выхода 1 и с выхода 2, то получим последовательность, состоящую из нулей и одного члена последовательности с амплитудой 16.If you apply the sequence DM1 and then DM2 to the input of such a device (see Fig. 7) and add the results from
Каскадирование позволяет снизить вычисления, так, если N длина последовательности = 2i, где i - это число последовательно соединенных каскадов.Cascading allows you to reduce the calculation, so if N sequence length = 2 i , where i is the number of cascades connected in series.
Тогда для вычисления одного отсчета нужно 2*i операций сложения, а не 2i.Then, to calculate one sample, you need 2 * i addition operations, not 2 i .
Возможно использовать подобный метод для обработки принимаемых бинарных сигналов, принимающих значения 0, 1. Для этого формируют из двух дополнительных последовательностей четыре последовательности, состоящие из нулей и единиц.It is possible to use a similar method for processing the received binary signals taking the
Последовательность К1 получается заменой минус единиц на нули в дополнительной последовательности DM1.The sequence K1 is obtained by replacing minus ones with zeros in the additional sequence DM1.
Последовательность К2 получается заменой единиц на нули и заменой минус единиц на единицы в дополнительной последовательности DM1.The sequence K2 is obtained by replacing units with zeros and replacing minus units with units in the additional sequence DM1.
Последовательность К3 получается заменой минус единиц на нули в дополнительной последовательности DM2.The sequence K3 is obtained by replacing minus ones with zeros in the additional sequence DM2.
Последовательность К4 получается заменой единиц на нули и заменой минус единиц на единицы в дополнительной последовательности DM2.The sequence K4 is obtained by replacing units with zeros and replacing minus units with units in the additional sequence DM2.
Далее последовательности К1, К2, К3, К4 из нулей и единиц используют для модуляции оптических сигналов, которые направляют на объект и принимают с объекта при помощи пиксела TOF-матрицы или иного фотоприемника и направляют на каскадный вычислитель.Next, the sequences K1, K2, K3, K4 of zeros and ones are used to modulate optical signals that are sent to the object and received from the object using a TOF matrix pixel or other photodetector and sent to a cascade calculator.
В таблице 3 приведены ВКФ (взаимные корреляционные функции) последовательностей DM1 с K1, -DM1 и K2, DM2 и K3 и ВКФ -DM2 и K4.Table 3 shows the VKF (cross-correlation functions) of the DM1 sequences with K1, -DM1 and K2, DM2 and K3 and VKF -DM2 and K4.
Последовательность -DM1 - это инвертированная последовательность DM1, и -DM2 - это инвертированная последовательность DM2The sequence -DM1 is the inverted sequence of DM1, and -DM2 is the inverted sequence of DM2
Для суммирования четырех ВКФ или более (при необходимости доп. накопления сигнала) используют блок накопления, в котором осуществляется накопление сигнала в регистре памяти, в котором каждому такту вычисления соответствует своя ячейка памяти, к содержимому которой прибавляется соответствующий отсчет с выхода вычислителя. На Фиг. 8 приведена схема вычислителя ВКФ, позволяющая осуществлять вычисление четырех указанных в таблице 3 ВКФ для их последующего суммирования. Сначала на вход устройства подается последовательность К1 и последовательность с выхода 1 каскада 3 каскадного вычислителя через переключатель выходов подается на блок накопления, для суммирования 4-х ВКФ. Затем подается последовательность К2 и последовательность с выхода 1 каскада 3 каскадного вычислителя через переключатель выходов инвертируется и подается на блок накопления (на фиг. 9 инвертирование путем умножения всех ее членов на «-1»). Затем подается последовательность К3 и последовательность с выхода 2 каскада 3 каскадного вычислителя через переключатель выходов подается на блок накопления. Затем подается последовательность К4 и последовательность с выхода 2 каскада 3 каскадного вычислителя через переключатель выходов инвертируется и подается на блок накопления.To summarize four VKFs or more (if necessary, additional signal accumulation), an accumulation block is used in which the signal is accumulated in the memory register, in which each calculation clock corresponds to its own memory cell, to the contents of which a corresponding count from the output of the calculator is added. In FIG. Figure 8 shows the VKF calculator circuitry, which allows the calculation of the four VKF indicated in Table 3 for their subsequent summation. First, the K1 sequence and the sequence from the
Из DM кодов можно отобрать DM коды, в которых число единиц равно числу «-1». Такие коды обеспечивают полное подавление засветки фильтрации постоянной составляющей в принимаемом оптическом сигнале, без использования накопления. Это позволяет при необходимости отказаться от накопления сигналов (последовательностей) с выходов каскадного вычислителя, при условии если уровень боковых лепестков ВКФ позволяет разрешать сигналы от нескольких отражающих объектов.From DM codes, one can select DM codes in which the number of units is equal to the number “-1”. Such codes provide complete suppression of the filtering illumination of the DC component in the received optical signal, without the use of accumulation. This allows, if necessary, to abandon the accumulation of signals (sequences) from the outputs of the cascade computer, provided that the level of the side lobes of the VKF allows the resolution of signals from several reflecting objects.
При перестановках типовых каскадов в каскадном вычислителе, путем подачи на вход единичного импульса, так же получаются коды с аналогичными свойствами. Кроме того, из этих кодов, путем перебора (перестановка задержек в каскадах и соединений каскадов между собой), всегда можно отобрать коды с пониженным уровнем боковых лепестков АКФ и ВКФ (для случая ВКФ последовательности из -1 и 1 полученной путем подачи на вход каскадного вычислителя единичного импульса и последовательности из нулей и ед. полученной из указанной последовательности), который по крайней мере в 2 раза ниже, чем уровень боковых лепестков для АКФ и ВКФ кодов получаемых путем подачи на вход каскадного вычислителя, в котором величина задержки сигнала составляет 2(i-1), где i - номер каскада, единичного отсчета (импульса).When rearranging typical cascades in a cascade computer, by applying a single pulse to the input, codes with similar properties are also obtained. In addition, from these codes, by enumerating (interchanging delays in cascades and connecting cascades to each other), you can always select codes with a lowered level of side lobes of ACF and VKF (for the case of VKF, sequences of -1 and 1 obtained by applying a cascade calculator to the input a single pulse and a sequence of zeros and units obtained from the indicated sequence), which is at least 2 times lower than the level of side lobes for ACF and VKF codes obtained by applying to the input of a cascade computer in which The signal delay term is 2 (i-1) , where i is the number of the cascade, unit count (pulse).
Если используются в каскадах каскадного вычислителя целочисленные сумматоры, то во избежание переполнения регистров сумматоров после проведения операций сложения или вычитания производится сдвиг регистра на одну позицию, что эквивалентно делению на 2.If integer adders are used in cascades of a cascade calculator, then in order to avoid overflow of the adder registers after addition or subtraction operations, the register is shifted by one position, which is equivalent to division by 2.
Возможны 4 варианта каскадов в каскадном вычислителе:There are 4 options for cascades in a cascade computer:
Блок задержки располагается после входа 1,The delay block is located after
Блок задержки располагается после входа 2,The delay block is located after
Блок задержки располагается перед входом 1,The delay unit is located in front of
Блок задержки располагается перед входом 2.The delay block is located in front of
Результаты их использования схожи.The results of their use are similar.
Пример 1. ВКФ без оптимизации перестановкой каскадов и вариантов подключенияExample 1. VKF without optimization by rearranging cascades and connection options
Подаем на вход каскадного вычислителя (см. фиг 9), состоящего из девяти каскадов, в которых установлены задержки на 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 соответственно, единичный отсчет. Полученную с выхода 2 последовательность из 512 отсчетов считываем в обратном порядке. При этом минус единицы заменяем нулями. Подадим эту последовательность снова на вход схемы, отраженной на фиг. 9. В результате чего получим на 512-м такте корреляционный отклик амплитудой 256, при этом амплитуда боковых пиков вычисляемой ВКФ не будет превышать 37. Данная ВКФ отображена на фигуре 10. На оси абсцисс указаны такты работы вычислителя с фиг 9, начиная с первого. На оси ординат - амплитуда сигнала с выхода вычислителя с фиг 9.We feed to the input of the cascade computer (see Fig. 9), consisting of nine cascades in which the delays are set to 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, respectively, a single count. The sequence of 512 samples obtained from
Пример 2. Минимаксная ВКФExample 2. Minimax VKF
Пример два отличается от примера один только тем, что проведена оптимизация получаемого кода путем перестановки каскадов и соединений между каскадами (устройство на фиг. 11). На фиг. 12 показана минимаксная ВКФ, которая получается на выходе каскадного вычислителя (см. фиг. 11), в котором задержки следующие. В первом каскаде 128 тактов, во втором - 1, и так далее, 64, 2, 32, 4, 16, 8, 256, и между последним и предпоследним каскадом соединения произведены так, что первый выход предпоследнего каскада соединен со вторым входом последнего каскада и второй выход предпоследнего каскада соединен с первых входом последнего каскада.Example two differs from example one only in that it optimizes the resulting code by rearranging cascades and connections between cascades (the device in Fig. 11). In FIG. 12 shows the minimax FCF, which is obtained at the output of a cascade computer (see FIG. 11), in which the delays are as follows. In the first cascade, 128 cycles, in the second - 1, and so on, 64, 2, 32, 4, 16, 8, 256, and between the last and penultimate cascade of connections are made so that the first output of the penultimate cascade is connected to the second input of the last cascade and the second output of the penultimate stage is connected to the first input of the last stage.
Подаем на вход оптимизированного каскадного вычислителя единичный отсчет. Полученную на выходе 2 последовательность из 512 отсчетов считываем в обратном порядке, при этом минус единицы заменяем нулями. Подадим эту последовательность снова на вход схемы, отраженной на фиг. 11. В результате чего получил на 512-м такте корреляционный отклик амплитудой 256, при этом амплитуда боковых пиков вычисляемой ВКФ не будет превышать 17.We feed a single sample to the input of the optimized cascade calculator. The resulting sequence of 512 samples obtained at the
Данная ВКФ отображена на фигуре 12. На оси абсцисс указаны такты работы вычислителя с фиг. 11, начиная с первого. На оси ординат - амплитуда сигнала с выхода вычислителя с фиг. 11.This VKF is shown in FIG. 12. On the abscissa, the clock cycles of the calculator of FIG. 11, starting from the first. On the ordinate axis, the signal amplitude from the output of the calculator of FIG. eleven.
Пример 3. Использование первого накопителя сигналаExample 3. Using the first drive signal
Используется каскадный вычислитель, указанный в примере 2.The cascade calculator specified in Example 2 is used.
Подаем на вход оптимизированного каскадного вычислителя единичный отсчет. Полученную на выходе 2 последовательность из 512 отсчетов считываем в обратном порядке. Из полученной последовательности формируем 2 последовательности, в первой из которых «минус единицы» в полученной последовательности заменяем на «нули», а во второй «единицы» заменяем на «нули», а «минус единицы» на «единицы». К полученным членам последовательностям прибавляем постоянную величину С, аналог сигнала засветки. Далее подаем члены последовательность 1 в первый блок накопления, где члены последовательности записываются последовательно в ячейки памяти. Далее подаем на блок накопления 2-ю последовательность, при этом из каждой ячейки памяти в том же порядке считываем члены последовательности 1 и вычитаем из них соответствующие члены последовательности 2. (Результат вычитания при необходимости дальнейшего накопления записываем последовательно в те же ячейки памяти). Подаем последовательность, представляющую собой результат вычитания, на каскадный вычислитель из примера 2 (см. фиг. 11). В результате чего получил на 512-м такте корреляционный отклик амплитудой 512, при этом амплитуда боковых пиков вычисляемой ВКФ не будет превышать 17. Таким образом за УБЛ результирующей ВКФ снизился в 2 раза (при использовании одной последовательности 17/256, а при 2-х с блоком накопления 17/512).We feed a single sample to the input of the optimized cascade calculator. The resulting sequence of 512 samples obtained at the
Пример 4. Использование второго блока накопленияExample 4. Using the second accumulation block
Используем дополнительные коды длины N=4.We use additional codes of length N = 4.
Из них получаем 4 дополнительных последовательности, используемых для модулирования излучаемого на объект оптического сигнала.From them we get 4 additional sequences used to modulate the optical signal emitted to the object.
Далее последовательности К1, К2, К3, К4 используются для модулирования четырех оптических сигналов, излучаемых в пространство с интервалом более чем T0*N.Further, the sequences K1, K2, K3, K4 are used to modulate the four optical signals emitted into space with an interval of more than T 0 * N.
Излучаемый сигнал принимается светочувствительным элементом детектирования принимаемого сигнала, интегрируется на отрезках T0.The emitted signal is received by the photosensitive element for detecting the received signal, integrated on the segments T 0 .
Фигура 13 изображает графики Б, Е, К, О, на которых отражены излучаемые сигналы, модулированные последовательностями К1, К2, К3, К4, и эти же сигналы, отраженные от объекта (графики В, Ж, Л, П), процесс интегрирования принимаемых сигналов (графики Г, З, М, Р), на временных интервалах длительности, дискретные отсчеты, получаемые в результате интегрирования на интервалах, отражены соответственно на графиках Д, И, Н, С. На графике А отображены синхроимпульсы и их номера, подаваемые на генератор создания модуляции 2, отраженный на фигуре 3.Figure 13 depicts graphs B, E, K, O, which reflect the emitted signals modulated by the sequences K1, K2, K3, K4, and the same signals reflected from the object (graphs B, F, L, P), the integration process received signals (graphs G, Z, M, P), at time intervals of duration, discrete samples obtained as a result of integration at intervals are shown respectively in graphs D, I, H, C. On graph A, clock pulses and their numbers are shown a
В результате чего получаются дискретные последовательности. На фиг. 13 приводятся графики, на которых отражены излучаемые последовательности К1, К2, К3, К4 (графики Б, Е, К, О на фигуре 13). И те же последовательности, принимаемые светочувствительным элементом детектирования, отраженного оптического сигнала с некоторой задержкой, которую нужно определить (графики В, Ж, Л, П на фигуре 13). Так же отображен процесс интегрирования детектируемого оптического сигнала (графики Г, З, М, Р на фигуре 13) и получаемые в результате интегрирования на отрезках Т0 дискретные отсчеты (графики Д, И, Н, С на фигуре 13), которые далее через мультиплексор и быстродействующее АЦП подаются на вычислитель ВКФ. Первая дискретная последовательность, получаемая путем детектирования отраженного сигнала К1, подается на трансверсальный фильтр, в котором осуществляется сложение N (Т=4) дискретных отсчетов, а именно отсчета подаваемого на вход фильтра с весовым коэффициентом {1}, отсчета подаваемого на вход ранее на 1 такт синхросигнала с весовым коэффициентом {1}, отсчета подаваемого на вход ранее на 2 такта синхросигнала с весовым коэффициентом {-1} и отсчета подаваемого на вход ранее на 3 такта синхросигнала с весовым коэффициентом {1}. Или иными словами можно сказать, что последовательность подается на дискретный трансверсальный фильтр с откликом на единичный импульс {1, 0, 0, 0}, равным {1, 1,-1, 1}, т.е. соответствующей указанному в примере коду D1, считанному в обратном порядке.As a result, discrete sequences are obtained. In FIG. 13 graphs are presented, which reflect the emitted sequences K1, K2, K3, K4 (graphs B, E, K, O in figure 13). And the same sequences received by the photosensitive element of the detection of the reflected optical signal with some delay that needs to be determined (graphs B, G, L, P in figure 13). The process of integration of the detected optical signal is also displayed (graphs G, Z, M, P in figure 13) and the discrete samples obtained as a result of integration on the segments T 0 (graphs D, I, H, C in figure 13), which are then transmitted through the multiplexer and high-speed ADCs are fed to the computer VKF. The first discrete sequence obtained by detecting the reflected signal K1 is fed to a transverse filter, in which N (T = 4) discrete samples are added, namely, the sample supplied to the input of the filter with a weight coefficient {1}, the sample applied to the input earlier by 1 a clock cycle with a weight factor {1}, a count of the signal fed to the input earlier by 2 clock cycles of a clock with a weight factor {-1}, and a count of a clock fed earlier by 3 clock cycles with a weight coefficient {1}. Or in other words, we can say that the sequence is fed to a discrete transverse filter with a response to a single pulse {1, 0, 0, 0} equal to {1, 1, -1, 1}, i.e. corresponding to the code D1 indicated in the example, read in the reverse order.
Вторая дискретная последовательность, получаемая путем детектирования отраженного сигнала К2, подается на трансверсальный фильтр с импульсным откликом {-1, -1, 1, -1}, т.е. соответствующей указанному в примере коду D1, считанному в обратном порядке и инвертированному.The second discrete sequence obtained by detecting the reflected signal K2 is fed to a transverse filter with an impulse response {-1, -1, 1, -1}, i.e. corresponding to the code D1 indicated in the example, read in the reverse order and inverted.
Третья дискретная последовательность, получаемая путем детектирования отраженного сигнала К3, подается на трансверсальный фильтр с импульсным откликом {1, 1, 1, -1}, т.е. соответствующей указанному в примере коду D2, считанному в обратном порядке.The third discrete sequence obtained by detecting the reflected signal K3 is fed to a transverse filter with a pulse response {1, 1, 1, -1}, i.e. corresponding to the code D2 indicated in the example, read in the reverse order.
Четвертая дискретная последовательность, получаемая путем детектирования отраженного сигнала К4, подается на трансверсальный фильтр с импульсным откликом {-1, -1, -1, 1}, т.е. соответствующей указанному в примере коду D2, считанному в обратном порядке и инвертированному.The fourth discrete sequence obtained by detecting the reflected signal K4 is fed to a transverse filter with an impulse response {-1, -1, -1, 1}, i.e. corresponding to the code D2 indicated in the example, read in the reverse order and inverted.
Четыре последовательности с выходов трансверсальных фильтров последовательно суммируются в блоке накопления.The four sequences from the outputs of the transverse filters are sequentially summed in the accumulation unit.
В таблице 6 приводятся результаты подачи последовательностей, получаемых в результате синхронного детектирования на трансверсальные фильтры с соответствующими весовыми коэффициентами, и результирующий сигнал с блока накопления, используемый для определения задержки.Table 6 shows the results of feeding the sequences obtained as a result of synchronous detection to transverse filters with corresponding weighting factors, and the resulting signal from the accumulation block used to determine the delay.
В момент времени, соответствующему 8-у и 9-у синхроимпульсам, на выходе блока накопления пороговым обнаружителем зафиксировано превышение порога (допустимый пороговый уровень обнаружения сигнала равен 1, 0). Определим расстояние до объекта грубо по номеру синхроимпульса, на котором произошло пороговое обнаружение. Номер этого синхроимпульса в примере равен 8.At the point in time corresponding to the 8th and 9th sync pulses, the threshold detector detected an excess of the threshold at the output of the accumulation block (the allowable threshold level of signal detection is 1, 0). We determine the distance to the object roughly by the number of the sync pulse at which the threshold detection occurred. The number of this clock in the example is 8.
Rгр.=((m-1-N)T0)C/2, где N - это число позиций 0 и 1 в зондирующем сигнал N=4, а m это номер синхроимпульса, на котором произошло пороговое обнаружение m=8.Rgr. = ((m-1-N) T 0 ) C / 2, where N is the number of
Rгр.=3Т0С/2Rgr. = 3T 0 C / 2
Определим поправку к расстоянию до объекта, используя информацию об амплитуде второго отсчета с выхода блока накопления, следующего за первым отсчетом, превышающим порог.We determine the correction to the distance to the object using information about the amplitude of the second sample from the output of the accumulation block following the first sample that exceeds the threshold.
dR=Q2/(Q1+Q2)T0=5,3333/(5,3333+2,6667)T0=0,6667*Т0*С/2, где Q1 - это амплитуда первого отсчета на выходе бока накопления, превышающего пороговое значение (в таблице 6 - это отсчет с номером 8), а Q2 - второго, следующего за ним.dR = Q2 / (Q1 + Q2) T 0 = 5.3333 / (5.3333 + 2.6667) T 0 = 0.6667 * T 0 * C / 2, where Q1 is the amplitude of the first reference at the output of the accumulation side exceeding the threshold value (in table 6 is the count with number 8), and Q2 is the second following it.
Расстояние до объекта Rточ.=Rгр.+dR=3,6667*Т0*С/2.The distance to the object Rtoch. = Rgr. + DR = 3,6667 * Т 0 * С / 2.
Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача - увеличение динамического диапазона по отраженным сигналам от объектов и снижение энергопотребления устройства за счет снижения нагрузки на вычислительные модули.Thus, in this invention, the goal is achieved - an increase in the dynamic range of reflected signals from objects and a reduction in the power consumption of the device by reducing the load on the computing modules.
Кроме того, оказалось, что достигаются и такие технические результаты, как:In addition, it turned out that technical results such as:
- полное подавление боковых лепестков в последовательности, подаваемой на пороговый обнаружитель, что позволяет увеличить динамический диапазон по амплитуде отраженных сигналов от объектов, расстояние до которых определяется.- complete suppression of the side lobes in the sequence supplied to the threshold detector, which allows to increase the dynamic range in terms of the amplitude of the reflected signals from objects, the distance to which is determined.
- полное (100%) подавление сигнала засветки.- full (100%) suppression of the backlight signal.
Рекомендуется применять данное изобретение для:It is recommended to use this invention for:
- лазерной дальнометрии,- laser ranging
- трехмерного лазерного картографирования,- three-dimensional laser mapping,
- систем технического зрения, в т.ч. и для летательных аппаратов, робототехнических систем, систем охраны и мониторинга за перемещением удаленных объектов,- systems of technical vision, including and for aircraft, robotic systems, security systems and monitoring the movement of remote objects,
- рефлектометрии оптических волокон, нахождения дефектов в оптоволоконных кабелях,- reflectometry of optical fibers, finding defects in fiber optic cables,
- устройств волоконно-оптического мониторинга удаленных протяженных объектов,- devices for fiber-optic monitoring of remote extended objects,
- в радарах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с прямым детектирование сигналов от приемных элементов (антенн), расположенных в виде приемной матрицы.- in millimeter and submillimeter range radars with direct detection of signals from receiving elements (antennas) located in the form of a receiving matrix.
Claims (16)
- генерируют тактовый сигнал,
- создают модуляцию указанного тактового сигнала,
- излучают на объект модулированный бинарный оптический сигнал,
- принимают посредством светочувствительного элемента отраженный оптический сигнал от объекта,
- преобразуют полученный отраженный сигнал из аналогового в цифровой,
- вычисляют корреляцию излученного и отраженного сигналов,
- вычисляют расстояние до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала,
отличающийся тем, что
- создают по меньшей мере одну модуляцию в виде псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем, выполненным с возможностью вычисления взаимнокорреляционной функции испускаемого и принимаемого сигналов,
- производят интегральное накопление отраженного сигнала, идущего с выхода светочувствительного элемента,
- производят мультиплексирование сигналов, идущих от различных М принимающих элементов, для чего подают сигналы в каскадный вычислитель через мультиплексор, обеспечивая возможность вычисления (обработки) одним каскадным вычислителем множества различных дискретных сигналов одновременно.1. The method of determining the distances to the object, which includes the following steps, in which:
- generate a clock signal,
- create a modulation of the specified clock signal,
- emit a modulated binary optical signal to the object,
- receive by means of the photosensitive element the reflected optical signal from the object,
- convert the received reflected signal from analog to digital,
- calculate the correlation of the emitted and reflected signals,
- calculate the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal,
characterized in that
- create at least one modulation in the form of a pseudo-noise sequence, consistent with the cascade calculator, configured to calculate the cross-correlation function of the emitted and received signals,
- produce integrated accumulation of the reflected signal coming from the output of the photosensitive element,
- multiplexing the signals coming from different M receiving elements, for which they feed the signals to the cascade computer through the multiplexer, providing the ability to calculate (process) one cascade computer many different discrete signals simultaneously.
- источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с первым выходом
- генератора создания модуляции, первый вход которого соединен с выходом
- генератора тактового сигнала,
- светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, выход которого соединен с первым входом
- модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, содержащего аналогово-цифровой преобразователь,
- первый выход модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов соединен со входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, первый выход которого соединен с вторым входом генератора создания модуляции, а второй выход которого соединен с вторым входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов,
- второй выход генератора создания модуляций соединен с третьим входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов,
отличающееся тем, что
- генератор создания модуляции выполнен в виде генератора по меньшей мере одной псевдошумовой последовательности, согласованной с каскадным вычислителем,
- выход светочувствительного элемента детектирования отраженного оптического сигнала от объекта соединен со входом модуля интегрирования, выход которого соединен с первым входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов,
- модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные между собой мультиплексор и каскадный вычислитель.9. An optical device for determining distances to an object, including:
- a radiation source to the object of a modulated binary optical signal, the input of which is connected to the first output
- modulation generator, the first input of which is connected to the output
- clock generator,
- a photosensitive element for detecting a reflected optical signal from an object whose output is connected to the first input
- a module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals containing an analog-to-digital converter,
- the first output of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals is connected to the input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, the first output of which is connected to the second input of the modulation generator, and the second output of which is connected to the second input of the module for calculating the correlation of reflected and reflected signals
- the second output of the modulation generator is connected to the third input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals,
characterized in that
- the generator for creating modulation is made in the form of a generator of at least one pseudo-noise sequence, consistent with the cascade computer,
- the output of the photosensitive element for detecting the reflected optical signal from the object is connected to the input of the integration module, the output of which is connected to the first input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals,
- the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals further comprises a series-connected multiplexer and a cascade calculator.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015121820/28A RU2605628C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method and optical device for determining distance to object |
PCT/RU2016/050016 WO2016200293A1 (en) | 2015-06-08 | 2016-06-05 | Method and optical device for determining distances to an object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015121820/28A RU2605628C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method and optical device for determining distance to object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2605628C1 true RU2605628C1 (en) | 2016-12-27 |
Family
ID=57504113
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015121820/28A RU2605628C1 (en) | 2015-06-08 | 2015-06-08 | Method and optical device for determining distance to object |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2605628C1 (en) |
WO (1) | WO2016200293A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2195688C2 (en) * | 2000-11-28 | 2002-12-27 | Научно-исследовательский институт измерительных систем | Procedure measuring distance to objects with use of picosecond pulses and device for its realization |
US7202941B2 (en) * | 2002-11-26 | 2007-04-10 | Munro James F | Apparatus for high accuracy distance and velocity measurement and methods thereof |
WO2012014077A2 (en) * | 2010-07-29 | 2012-02-02 | Waikatolink Limited | Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE60009565T2 (en) * | 2000-01-26 | 2005-02-24 | Instro Precision Ltd., Broadstairs | OPTICAL DISTANCE MEASUREMENT |
-
2015
- 2015-06-08 RU RU2015121820/28A patent/RU2605628C1/en active
-
2016
- 2016-06-05 WO PCT/RU2016/050016 patent/WO2016200293A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2195688C2 (en) * | 2000-11-28 | 2002-12-27 | Научно-исследовательский институт измерительных систем | Procedure measuring distance to objects with use of picosecond pulses and device for its realization |
US7202941B2 (en) * | 2002-11-26 | 2007-04-10 | Munro James F | Apparatus for high accuracy distance and velocity measurement and methods thereof |
WO2012014077A2 (en) * | 2010-07-29 | 2012-02-02 | Waikatolink Limited | Apparatus and method for measuring the distance and/or intensity characteristics of objects |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016200293A1 (en) | 2016-12-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2594959B1 (en) | System and method for multi TOF camera operation using phase hopping | |
JP5138854B2 (en) | Optical distance measurement | |
CN112424639B (en) | Measuring distance to object using time of flight and pseudo-random bit sequence | |
CN103616696A (en) | Laser imaging radar device and distance measurement method thereof | |
US10024966B2 (en) | Efficient implementation of distance de-aliasing for ranging systems using phase domain computation | |
CN107015233A (en) | Integrated fiber formula pseudo noise code amplitude modulation(PAM) offset correction device | |
RU2634190C1 (en) | Interference rejecting counter | |
CN111798503A (en) | Simultaneous data transmission and depth image recording with a time-of-flight camera | |
US11994627B2 (en) | Microsecond time of flight (μTOF) sensor | |
JP3641870B2 (en) | Random modulation radar equipment | |
EP3987305B1 (en) | Direct time-of-flight depth sensor architecture and method for operating of such a sensor | |
RU2605628C1 (en) | Method and optical device for determining distance to object | |
RU2560130C1 (en) | Pulsed radio signal detection and measurement device | |
RU2577079C1 (en) | Optical device for determining distance to object | |
US11561291B2 (en) | High pulse repetition frequency lidar | |
RU2626973C1 (en) | Optical device for determining distances to object | |
CN115616608B (en) | Single photon three-dimensional imaging distance super-resolution method and system | |
RU2653558C9 (en) | Optical device for determining distance to object | |
CN117008147A (en) | Distance and speed measurement and imaging method and device based on combined coding | |
CN113298778B (en) | Depth calculation method and system based on flight time and storage medium | |
US20210341606A1 (en) | System and method for calculating a binary cross-correlation | |
RU2720268C1 (en) | Laser range finder | |
US20220317270A1 (en) | Time-of-Flight Imaging System and Method and Computer Program for Operating a Time-of-Flight Imaging System | |
RU2468388C2 (en) | Synchronous hydroacoustic range-finding navigation system | |
GB2561226A (en) | Method and apparatus for managing pulse radar compression settings |