RU2626973C1 - Optical device for determining distances to object - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: optical device for determining distances to the object includes a radiation source, a probe sequence generator, a clock generator, a light-sensitive element for detecting a reflected optical signal from the object, an integration unit, a correlation module for the radiated and reflected signals, a threshold signal detecting module, a distance detecting module to the object by the time delay of the reflected signal. In addition, the device includes an accumulation unit, a reference source of precise time and frequency signals, a sync pulse generation unit at the start of the sensing cycle at the same time point on different optical devices, a probe counting unit, a sampling and probe processing unit.

EFFECT: ensuring the mutual influence suppression of the optical device sounding signals to determine their distances to the probed objects in a group operating simultaneously on the same probed objects in the same frequency range of optical devices.

9 cl, 14 dwg, 12 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Данное изобретение относится к области измерения расстояний до объекта с помощью электромагнитных волн, а более конкретно к оптическим устройствам для определения расстояний до объекта, включающим в себя источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, генератор создания зондирующей последовательности, генератор тактового сигнала, светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, блок интегрирования, модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов модуль порогового обнаружения сигнала, модуль вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, блок вычисления временной задержки отраженного сигнала, и может быть использовано, например, в навигации, в том числе беспилотных летательных аппаратов, а также в лазерной локации при одновременной работе множества синхронизированных по времени подобных систем.This invention relates to the field of measuring distances to an object using electromagnetic waves, and more particularly to optical devices for determining distances to an object, including a radiation source to the object of a modulated binary optical signal, a probe sequence generator, a clock signal generator, a photosensitive detection element the reflected optical signal from the object, the integration unit, the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals m a module for threshold detection of a signal, a module for calculating the distance to a detected object from the time delay of the reflected signal, a block for calculating the time delay of the reflected signal, and can be used, for example, in navigation, including unmanned aerial vehicles, as well as in laser location while operating multiple time synchronized similar systems.

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 и лазерными локаторами.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 and laser locators.

Псевдослучайные (псевдошумовые) последовательности - это полностью детерминированные цифровые последовательности, которые внешнему наблюдателю они кажутся случайными.Pseudo-random (pseudo-noise) sequences are completely deterministic digital sequences that they seem random to the outside observer.

Мультиплексирование сигналов - уплотнение канала, т.е. передача нескольких потоков сигналовданных 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 y(t) и принимаемого x(t)), точка максимума корреляционной функции соответствует точке минимального квадратичного отклонения между сигналами х и у.This is a mathematical operation, a measure of the similarity of 2 signals (reference y (t) and received x (t)), the maximum point of the correlation function corresponds to the point of minimum quadratic deviation between the signals x and y.

Дополнительные последовательностиAdditional sequences

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 {а_п} и

называются дополнительными, еслиThe sequence {a _p } 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.

Пример дополнительных последовательностей, которыми являются D-коды приведен далее в примере №1.An example of additional sequences, which are D-codes, is given below in Example No. 1.

Уровень техникиState of the art

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, for example, 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 метод 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 фронта 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 US patent 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 incoherent radiation pulse 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 travel time of the front 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 is the propagation velocity of electromagnetic radiation).

Метод определения TOF состоит в том, что априори известен интервал значений TOF=T₁+dt, где dt может изменяться от T₁ до T₁+То, Согласно патента 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 [T-₁, T₁+Т₀], под воздействием управляющих сигналов фоток поступает через transfer gate 1 на накопитель заряда Q₁, а в период времени T₁+Т₀, Ti+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 the range of TOF = T ₁ + dt is a priori known, where dt can vary from T ₁ to T ₁ + To. According to US Pat. No. 8,537,218, the cell (pixel) of the receiving matrix contains one element generating a photocurrent (photo gate) and two structures (CMOS / TIR) capable of accumulating, holding and removing charge Q. To determine dt in a period of time [T- ₁ , T ₁ + T ₀ ], under the influence of control signals, the photos are transmitted through transfer gate 1 to the charge storage device Q ₁ , and during the period of time T ₁ + T ₀ , Ti + 2 * T ₀ ] enters through the transfer gate 2 to the charge storage device Q ₂ . The charge stores act as integrators of the photocurrent on segments T ₀ . Draining gates are used to quickly remove accumulated charges Q ₁ and Q ₂ . The values of the accumulated charges Q ₁ and Q ₂ are used to determine dt by the following calculation:

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 Т₁ 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 charge detection, time-dependent flight (TOF). The frequency of the periodic charge accumulation Q in the cells of such a receiving matrix can reach 10-20 MHz.

Известно из уровня техники оптическое устройство для определения расстояний до объекта, включающее в себя:It is known from the prior art an optical device for determining distances to an object, including:

- источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с- the radiation source to the object of the modulated binary optical signal, the input of which is connected to

- выходом генератора создания зондирующей последовательности, вход которого соединен с- the output of the generator generating the probe sequence, the input of which is connected to

- выходом генератора тактового сигнала,- the output of the clock signal generator,

- светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, выход которого соединен с- a photosensitive element for detecting a reflected optical signal from an object whose output is connected to

- входом блока интегрирования, выход которого соединен с- the input of the integration unit, the output of which is connected to

- входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, а- the input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals, and

- выход модуля вычисления корреляции сигналов соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с- the output of the signal correlation calculation module is connected to the input of the threshold signal detection module, the output of which is connected to

- входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, содержащего блок вычисления временной задержки отраженного сигнала, выход указанного модуля соединен с входом генератора создания зондирующей последовательности, см патент РФ на изобретение №2577079 опубликованный 10.03.2016 г.- the input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal containing the block for calculating the time delay of the reflected signal, the output of the specified module is connected to the input of the generator for generating the probe sequence, see RF patent for invention No. 2577079 published March 10, 2016.

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 как только одновременно используется несколько таких оптических устройств, каждое из которых излучает на объект модулированный бинарный оптический сигнал, то вместо того, чтобы зафиксировать «свой» отраженный сигнал, может быть зафиксирован сигнал, который излучен другим устройством. Это могут быть, например, оптические устройства, установленные на самосвалах работающих в карьере без доступа людей. Или это несколько роботов ведущих наступление или несколько оптических устройств, установленных на одном транспортом средстве, при этом сектора обзора их пересекаются. Все это приводит к ошибкам при определении расстояния до объекта.The disadvantage of this prototype is that as soon as several such optical devices are used simultaneously, each of which emits a modulated binary optical signal to the object, instead of fixing “its” reflected signal, a signal that is emitted by another device can be fixed. This can be, for example, optical devices mounted on dump trucks working in a quarry without access by people. Or it’s several robots leading an offensive or several optical devices installed on one vehicle means, while their sectors of vision intersect. All this leads to errors in determining the distance to the object.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить оптическое устройство для определения расстояний до объекта, позволяющее, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить максимальное подавление взаимного влияния зондирующих сигналов оптических устройств на определение ими дальностей до зондируемых объектов в группе одновременно работающих по одним и тем же зондируемым объектам в одном и том же частотном (оптическом) диапазоне оптических устройств, что и является поставленной технической задачей.The present invention mainly aims to provide an optical device for determining distances to an object, which allows at least smoothing at least one of the above disadvantages, namely, to maximize the suppression of the mutual influence of the probing signals of optical devices on their determination of ranges to probed objects in a group simultaneously operating on the same probed objects in the same frequency (optical) range of optical devices, which is supplied second technical problem.

Для достижения этой цели оптическое устройство для определения расстояний до объекта, дополнительно включает в себя:To achieve this, an optical device for determining distances to an object further includes:

- первый блок накопления, вход которого соединен с выходом блока интегрирования, а выход соединен с входом модуля вычисления корреляции сигналов,- the first accumulation unit, the input of which is connected to the output of the integration unit, and the output is connected to the input of the signal correlation calculation module,

- эталонный источник сигналов точного времени и частоты, выход которого соединен с входом- a reference source of accurate time and frequency signals, the output of which is connected to the input

- блока формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования в один и тот же момент времени на разных оптических устройствах, второй вход которого соединен с выходом генератора тактового сигнала, а выход блока соединен с входом- a clock generation block at the beginning of the sensing cycle at the same time on different optical devices, the second input of which is connected to the output of the clock signal generator, and the output of the block is connected to the input

- блока подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом- a block for counting sounding cycles, the output of which is connected to the input

- блока выборки и обработки зондирующих сигналов, выходы которого соединены с входом генератора создания зондирующей последовательности, входом модуля вычисления корреляции, входом первого блока накопления.- a block of sampling and processing of sounding signals, the outputs of which are connected to the input of the generator for generating a sounding sequence, the input of the correlation calculation module, the input of the first accumulation block.

Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность синхронизации работы различных оптических устройств по времени и такая организация модуляции излучаемых сигналов, которая не мешает одновременной работе оптических устройств по одним и тем же зондируемым объектам в одном и том же частотном (оптическом) диапазоне.Thanks to these advantageous characteristics, it becomes possible to synchronize the operation of various optical devices in time and such an organization of modulation of the emitted signals that does not interfere with the simultaneous operation of optical devices on the same probed objects in the same frequency (optical) range.

Существует вариант изобретения, в котором выход блока интегрирования соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя сигнала со светочувствительного элемента в цифровой сигнал, выход которого соединен с входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов.There is an embodiment of the invention in which the output of the integration unit is connected to the input of an analog-to-digital signal converter from the photosensitive element to a digital signal, the output of which is connected to the input of the correlation calculation module of the emitted and reflected signals.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность использовать для обработки принимаемых сигналов в блоках накопления и блоке вычисления корреляции цифровые вычислители (процессоры) и запоминающие устройства.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to use digital computers (processors) and storage devices for processing the received signals in the accumulation units and the correlation calculation unit.

Заметим, что в общем могут быть варианты изобретения, в которых не используется аналогово-цифровой преобразователь, а сигналы с блока интегрирования подаются непосредственно на устройство дискретно-аналоговой обработки сигналов, выполняющее функцию первого блока накопления и блока вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов. Примером такого устройства может служить, например, разработанная в конце 80-х годов интегральная микросхема 528ХК1, содержащая аналоговое дискретное запоминающее устройство на 64 отсчета сигнала и могло вычислять корреляцию с псевдо шумовой бинарной последовательностью длины 32. За счет каскадирования ИМС длину псевдошумовой последовательности можно было увеличить до 1024.Note that, in general, there may be variants of the invention in which an analog-to-digital converter is not used, and the signals from the integration unit are fed directly to the discrete-analog signal processing device, which functions as the first accumulation unit and the unit for calculating the correlation of the emitted and reflected signals. An example of such a device is, for example, a 528XK1 integrated circuit developed at the end of the 1980s, containing an analog discrete memory for 64 samples of the signal and could calculate the correlation with a pseudo-noise binary sequence of length 32. By cascading the IC, the length of the pseudo-noise sequence could be increased up to 1024.

Существует также вариант изобретения, в котором оптическое устройство для определения расстояний до объекта, дополнительно включает в себя второй блок накопления, первый вход которого соединен с выходом модуля вычисления корреляции сигналов, и второй вход с блоком выборки, и обработки зондирующих сигналов, а выход соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала.There is also an embodiment of the invention in which the optical device for determining distances to the object further includes a second accumulation unit, the first input of which is connected to the output of the signal correlation calculation module, and the second input to the sampling and processing unit of the probing signals, and the output is connected to input of the threshold signal detection module.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность дополнительных вариантов для организации модуляции излучаемых сигналов, которая не мешает одновременной работе оптических устройств.Thanks to this advantageous characteristic, the possibility of additional options for organizing the modulation of the emitted signals, which does not interfere with the simultaneous operation of optical devices.

Существуют, кроме того, варианты изобретения, в которых выход аналогово-цифрового преобразователя соединен с входом мультиплексора, выход которого соединен с входом первого блока накопления, при этом выход второго блока накопления или выход модуля вычисления корреляции сигналов, соединен с входом демультиплексора, выход которого соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала.In addition, there are variants of the invention in which the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the multiplexer, the output of which is connected to the input of the first storage unit, while the output of the second storage unit or the output of the signal correlation calculation module is connected to the input of the demultiplexer, the output of which is connected with the input of the threshold signal detection module.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность разделять сигналы после каскадного вычислителя (выполняющего функцию по вычислению корреляции сигналов) по их принадлежности к различным источникам.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to separate the signals after the cascade calculator (which performs the function of calculating the correlation of signals) according to their belonging to various sources.

Существует еще один вариант изобретения, в котором оно имеет блок конъюнкции сигналов, один вход которого соединен с выходом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временные задержки отраженного сигнала, а другой вход, которого соединен с выходом генератора тактового сигнала, а выход блока конъюнкции сигналов соединен с входом блока интегрирования, и с входом аналогово-цифрового преобразователя, и с входом первого блока накопления.There is another embodiment of the invention in which it has a signal conjunction block, one input of which is connected to the output of the module for calculating the distance to the detected object from the time delay of the reflected signal, and another input, which is connected to the output of the clock signal generator, and the output of the signal conjunction block is connected with the input of the integration unit, and with the input of the analog-to-digital converter, and with the input of the first storage unit.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность сократить затраты на вычисления, ограничив их минимумом, необходимым для определения расстояний до объектов в заданном диапазоне дальностей.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to reduce the cost of calculations by limiting them to the minimum necessary for determining distances to objects in a given range of ranges.

Существует также вариант изобретения, в котором эталонный источник сигналов точного времени и частоты содержит приемник точного времени и частоты, принимающий сигнал, как минимум от одного другого эталонного источника, расположенного удаленно, блок коррекции точного времени по местоположению оптического устройства и блок синхронизации и подстройки частоты эталонного источника сигналов точного времени и частоты.There is also a variant of the invention, in which the reference source of the exact time and frequency signals comprises a receiver of the exact time and frequency, receiving a signal from at least one other reference source located remotely, a unit for correcting the exact time by the location of the optical device and a synchronization and frequency adjusting unit for the reference source of accurate time and frequency signals.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность синхронизации по времени устройств с поправкой на их местоположение, которая связана с тем, что в разных местоположениях лидаров, время фиксации сигналов точного времени различное.Due to this advantageous characteristic, it is possible to synchronize the time of devices adjusted for their location, which is due to the fact that in different locations of lidars, the time of fixing the exact time signals is different.

Существует кроме того вариант изобретения, в котором светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала или само оптическое устройство или приемный тракт оптического устройства расположен на устройстве гироскопической стабилизации.There is also a variant of the invention in which the photosensitive element for detecting the reflected optical signal or the optical device or the receiving path of the optical device is located on the gyro stabilization device.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность расширения использования предлагаемого решения для транспортных средств, 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, in particular for unmanned aerial vehicles, which can use the proposed solution as the basis for technical vision.

Существует возможный вариант изобретения, в котором светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент.There is a possible embodiment 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.

Существует также вариант изобретения, в котором элементы светочувствительной матрицы размещены на матрице вместе с устройствами интегрирования в качестве которого применены КМОП или МДП (Металл-диэлектрик-полупроводник) структуры, интегрирующие фототок. Например, аналогичные описанным в патенте US 8537218.There is also a variant of the invention in which the elements of the photosensitive matrix are placed on the matrix together with integration devices, which are used CMOS or MIS (Metal-dielectric-semiconductor) structures that integrate the photocurrent. For example, similar to those described in US patent 8537218.

Благодаря данной выгодной характеристике появляется возможность простого исполнения блока интегрирования, когда он выполнен в виде МДП/КМОП структур, позволяющих накапливать фототок в виде заряда.Thanks to this advantageous characteristic, it becomes possible to easily execute the integration unit when it is made in the form of MIS / CMOS structures, allowing to accumulate the photocurrent in the form of a charge.

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.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.

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 схематически изображает функциональную схему предлагаемого оптического устройства согласно изобретению,figure 1 schematically depicts a functional diagram of the proposed optical device according to the invention,

- фигуры 2, 4, 6, 7, 13, 14 изображают схемы каскадных вычислителей,- figures 2, 4, 6, 7, 13, 14 depict circuits of cascade calculators,

- фигуры 3, 5 изображают ВКФ,- figures 3, 5 depict VKF,

- фигура 8 изображает импульсы излучаемого бинарного оптического сигнала и импульсы этого же сигнала, отраженного от объекта, результаты обработки принимаемого отраженного от объекта сигнала на различных стадиях обработки принимаемого отраженного сигнала.- figure 8 depicts the pulses of the emitted binary optical signal and the pulses of the same signal reflected from the object, the processing results of the received signal reflected from the object at various stages of processing the received reflected signal.

- фигуры 9, 10, 11, 12 изображают сигналы в различных примерах, раскрытых далее.- figures 9, 10, 11, 12 depict signals in various examples disclosed below.

Согласно фигуре 1 оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя источник 1 излучения на объект 2 модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с выходом генератора 3 генератора создания зондирующей последовательности, вход которого соединен с выходом генератора 4 тактового сигнала, светочувствительный элемент 5 детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, выход которого соединен с входом блока 6 интегрирования, выход которого соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя 7 сигнала со светочувствительного элемента в цифровой сигнал, а выход аналогово-цифрового преобразователя 7 соединен с входом модуля 8 вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, а выход модуля 8 вычисления корреляции сигналов соединен с входом модуля 9 порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с входом модуля 10 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, содержащего блок 11 вычисления временной задержки отраженного сигнала, выход указанного модуля соединен с входом генератора 3 создания зондирующей последовательности.According to figure 1, the optical device for determining the distances to the object includes a radiation source 1 to the object 2 of the modulated binary optical signal, the input of which is connected to the output of the generator 3 of the probe generation generator, the input of which is connected to the output of the clock signal generator 4, a photosensitive detection element 5 the reflected optical signal from the object, the output of which is connected to the input of the integration unit 6, the output of which is connected to the input of the analog-digital pre the browser 7 of the signal from the photosensitive element into a digital signal, and the output of the analog-to-digital converter 7 is connected to the input of the module 8 for calculating the correlation of the emitted and reflected signals, and the output of the module 8 for calculating the signal correlation is connected to the input of the threshold detection module 9 of the signal, the output of which is connected to the input module 10 calculating the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal containing the block 11 calculating the time delay of the reflected signal, the output of the specified module with connected to the input of the generator 3 to create a probe sequence.

Оптическое устройство для определения расстояний до объекта, дополнительно включает в себя: первый блок накопления 12, вход которого соединен с выходом аналогово-цифрового преобразователя 7, а выход соединен с входом модуля 8 вычисления корреляции сигналов, эталонный источник 14 сигналов точного времени и частоты, выход которого соединен с входом блока 15 формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования в один и тот же момент времени на разных лидарах, второй вход которого соединен с выходом генератора 4 тактового сигнала, а выход блока 15 соединен с входом блока 16 подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом блока 17 выборки и обработки зондирующих сигналов, выходы которого соединены с входом генератора 3 создания модуляции зондирующего оптического сигнала, входом модуля 8 вычисления корреляции, входом первого блока 12 накопления, с входом модуля 10 вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.The optical device for determining distances to the object further includes: a first storage unit 12, the input of which is connected to the output of the analog-to-digital converter 7, and the output is connected to the input of the signal correlation calculation module 8, a reference source 14 of accurate time and frequency signals, an output which is connected to the input of the block 15 of the formation of the clock pulse at the beginning of the sensing cycle at the same time on different lidars, the second input of which is connected to the output of the clock generator 4, and the output is bl Oka 15 is connected to the input of the block 16 for counting the sounding cycles, the output of which is connected to the input of the block 17 for sampling and processing of sounding signals, the outputs of which are connected to the input of the generator 3 for creating the modulation of the sounding optical signal, the input of the correlation calculation module 8, the input of the first accumulation block 12, s the input of the module 10 calculating the distance to the determined object by the time delay of the reflected signal.

Оптическое устройство для определения расстояний до объекта, дополнительно может включать в себя второй блок накопления 13, вход которого соединен с выходом модуля 8 вычисления корреляции сигналов, а выход соединен с входом модуля 9 порогового обнаружения, второй вход которого соединен с выходом блока 17 выборки и обработки зондирующих сигналов Выход аналогово-цифрового преобразователя 7 может быть соединен с входом мультиплексора 18, выход которого соединен с входом первого блока 12 накопления, при этом выход второго блока 13 накопления соединен с входом демультиплексора 19, выход которого соединен с входом модуля 9 порогового обнаружения сигнала.The optical device for determining distances to the object may further include a second storage unit 13, the input of which is connected to the output of the signal correlation calculation module 8, and the output is connected to the input of the threshold detection module 9, the second input of which is connected to the output of the sampling and processing unit 17 sounding signals The output of the analog-to-digital Converter 7 can be connected to the input of the multiplexer 18, the output of which is connected to the input of the first storage unit 12, while the output of the second storage unit 13 soy Inonii to the input demultiplexer 19, whose output is connected to the input unit 9 the signal detection threshold.

Оптическое устройство может опционально иметь блок 20 конъюнкции сигналов, один вход которого соединен с выходом модуля 10 вычисления расстояния до определяемого объекта по временные задержки отраженного сигнала, а другой вход, которого соединен с выходом генератора тактового сигнала 4, а выход блока конъюнкции сигналов соединен с входом блока 6 интегрирования, и с входом аналогово-цифрового преобразователя 7, и с входом первого блока накопления 12.The optical device may optionally have a signal conjugation unit 20, one input of which is connected to the output of the module 10 for calculating the distance to the determined object from the time delays of the reflected signal, and another input, which is connected to the output of the clock signal generator 4, and the output of the signal conjunction unit is connected to the input unit 6 integration, and with the input of the analog-to-digital Converter 7, and with the input of the first accumulation unit 12.

Эталонный источник 14 сигналов точного времени и частоты может опционально иметь блок 21 коррекции точного времени по местоположению оптического устройства, блок 22 подстройки частоты эталонного источника сигналов точного времени и частоты и блок 23 - приемник сигналов точного времени и частоты от удаленного источника излучения сигналов точного времени и частоты.The reference source 14 of the exact time and frequency signals may optionally have a unit 21 for correcting the exact time by the location of the optical device, a unit 22 for adjusting the frequency of the reference source of the signals for the exact time and frequency, and block 23 for receiving signals of the exact time and frequency from a remote radiation source of the exact time signals and frequency.

Блок 6 интегрирования может быть соединен с блоком 12 непосредственно.Block 6 integration can be connected to block 12 directly.

Светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала или само оптическое устройство или приемный тракт оптического устройства расположен на устройстве гироскопической стабилизации.The photosensitive element for detecting the reflected optical signal or the optical device itself or the receiving path of the optical device is located on the gyroscopic stabilization device.

Светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала может иметь поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент.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.

Светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта может быть выполнен в виде элементов светочувствительной матрицы. Элементы светочувствительной матрицы могут быть размещены на матрице вместе с устройствами интегрирования, в качестве которого применены структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник, интегрирующие фототок.The photosensitive element for detecting the reflected optical signal from the object can be made in the form of elements of the photosensitive matrix. Elements of the photosensitive matrix can be placed on the matrix together with integration devices, which are used as metal-dielectric-semiconductor structures integrating the photocurrent.

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.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.

Покажем это на различных примерах. Сперва, приведем пример дополнительных последовательностей, которыми являются D-коды.We show this with various examples. First, we give an example of additional sequences, which are D-codes.

Пример №1. D кодыExample No. 1. D codes

Исходя из правила формирования D-кодов, возможно создать устройство их генерации основанное на формировании их по правилу присоединения.Based on the rule for the formation of D-codes, it is possible to create a device for their generation based on the formation of them according to the rule of accession.

Так для формирования пары дополнительных кодов d₁₀={1,1} и d₁₁={-1,1} можно использовать устройство из одного сумматора, одного вычитателя и устройства задержки последовательности на один такт (линия задержки на 1 такт), (на фиг. 13), задержка на один такт обозначена как, Z^-1). Подав на это устройство единичный импульс, получим на выходе 1 указанного устройства, последовательность {1,1} а на выходе 2 {-1,1}So for the formation of a pair of additional codes d ₁₀ = {1,1} and d ₁₁ = {- 1,1}, you can use a device from one adder, one subtractor and a delay device of the sequence for one clock cycle (delay line for 1 clock cycle), (for Fig. 13), a delay of one clock cycle is designated as, Z ^-1 ). Having given a single impulse to this device, we get at the output 1 of the specified device, the sequence {1,1} and at the output 2 {-1,1}

А для генерации 2-х пар дополнительных кодов d₂₀, d₂₁ и d₂₂, d₂₃ - соответственно потребуется устройство, приведенное на фиг. 14.And to generate 2 pairs of additional codes d ₂₀ , d ₂₁ and d ₂₂ , d ₂₃ - respectively, the device shown in FIG. fourteen.

На выходе (1) получим последовательность d₂₀={-1,1,1,1}At the output (1), we obtain the sequence d ₂₀ = {- 1,1,1,1}

На выходе (2) получим последовательность d₂₁={1,-1,1,1}At the output (2), we obtain the sequence d ₂₁ = {1, -1,1,1}

На выходе (3) получим последовательность d₂₂={1,1,-1,1}At the output (3), we obtain the sequence d ₂₂ = {1,1, -1,1}

На выходе (4) получим последовательность d₂₃={-1,-1,-1,1}At the output (4), we obtain the sequence d ₂₃ = {- 1, -1, -1,1}

Из структуры соединений видно, что любую D-последовательность можно сгенерировать, используя 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 вычислителей) приведена на фиг. 4. Это же устройство пригодно и для вычисления корреляции с D кодами, считанными в обратном порядке. Для этого, на вход устройства нужно подать обрабатываемый сигнал, а с соответствующего выхода считывать вычисляемую ВКФ. Причем, каскадирование позволяет снизить необходимые вычисления, так для если N длина последовательности и N=2ⁱ где i это число последовательно соединенных каскадов, тогда для вычисления одного отсчета корреляции в каскадном вычислителе нужно 2*i операций сложения, а не 2ⁱ, как в случае прямого вычисления.It can be seen from the structure of the compounds that any D-sequence can be generated using compounds of 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 of the corresponding cascade. A diagram of such a device (cascade of calculators) is shown in Fig. 4. The same device is also suitable for calculating the correlation with D codes, read in the reverse order. For this, the processed signal must be sent to the input of the device and read from the corresponding output subtract slyaemuyu CCF. Moreover, cascading enables to reduce the necessary computation so for if N sequence length and N = 2 ⁱ where i is the number of series-connected stages, then to calculate a reference correlation in cascade calculator need 2 * i addition operations instead of 2 ⁱ as in the case of direct calculation.

Одно и тоже устройство вычисления корреляции можно использовать для вычисления корреляции с дискретными сигналами, поступающими с нескольких каналов. Так если необходимо параллельно производить вычисления с М каналов, то число тактов задержки во всех 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, а считываются через демультиплнексор. Это позволяет упростить обработку и сократить объем используемой для вычислений ячеек памяти.The same correlation calculation device can be used to calculate correlation with discrete signals coming from several channels. So if it is necessary to carry out calculations from M channels in parallel, then the number of delay clocks in all 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, and are read through the demultiplexer. This simplifies processing and reduces the amount of memory used for computing cells.

Пример №2Example No. 2

Оптические устройства (лидары) и зондируемые объекты могут находиться в движении, что при определенных условиях может приводить к ограничениям возможностей по накоплению принимаемых и обрабатываемых сигналов в первом и втором накопителях сигнала. Допустим, что лидар Л1 осуществляет 256 циклов зондирования без пауз. Длительность цикла зондирования составляет 30 мкс, что соответствует диапазону разрешаемых дальностей в 4.5 км. Таким образом, суммарное время зондирования объекта составляет 256×30=7.68 мс. Зондирующий оптический сигнал состоит из 256 позиций принимающих на интервалах Т_o значение «0» или «1», длительность одной позиции составляет Т_o=0.05 мкс. Интервал интегрирования фототока, для получения дискетных отсчетов так же составляет 0.05 мкс. Длительность зондирующей последовательности составляет 256*0.05=12.8 мкс.Optical devices (lidars) and probed objects can be in motion, which under certain conditions can lead to limitations on the ability to accumulate received and processed signals in the first and second signal storage devices. Suppose that L1 lidar carries out 256 sounding cycles without pauses. The duration of the sensing cycle is 30 μs, which corresponds to a range of permitted ranges of 4.5 km. Thus, the total sounding time of the object is 256 × 30 = 7.68 ms. The sounding optical signal consists of 256 positions receiving at the intervals T _{o the} value “0” or “1”, the duration of one position is T _o = 0.05 μs. The integration interval of the photocurrent for obtaining floppy samples is also 0.05 μs. The duration of the probe sequence is 256 * 0.05 = 12.8 μs.

Радиальная скорость сближения зондируемого объекта и лидара составляет 300 км/ч (83 м/с). Поэтому за время равное (256-1)*30 мкс. зондируемый объект приблизится к лидару на 0.64 м, благодаря этому, время прохождения последнего принимаемого сигнала от отражающего объекта к лидару сократится по сравнению с временем прохождения первого принимаемого сигнала на 0.64 м*2/С=4.25 не, что на порядок меньше, чем Т_o (интервал интегрирования фототока для получения дискетных отсчетов). Такой максимальный «уход» на 4.25 не принимаемых в 256 циклах сигналов не вызовет существенных потерь сигнала в процессе накопления в первом накопителе дискретных отчетов сигнала, полученных интегрированием фототока на отрезках Т_o в первом накопителе и не внесет каких-либо существенных искажений при определении расстояния до зондируемого объекта.The radial approach speed of the probed object and the lidar is 300 km / h (83 m / s). Therefore, for a time equal to (256-1) * 30 μs. the probed object will approach the lidar by 0.64 m, due to this, the transit time of the last received signal from the reflecting object to the lidar will be reduced in comparison with the transit time of the first received signal by 0.64 m * 2 / C = 4.25 not, which is an order of magnitude less than T _o (photocurrent integration interval for obtaining floppy samples). Such maximum “departure” at 4.25 signals not received in 256 cycles will not cause significant signal losses during the accumulation of discrete signal reports in the first accumulator obtained by integrating the photocurrent on the T _o segments in the first accumulator and will not introduce any significant distortions in determining the distance to probed object.

Пример №3Example No. 3

Для генерации бинарной псевдослучайной последовательности X используется каскадный вычислитель (см. фиг. 2), состоящий из девяти каскадов, в которых установлены задержки на 128, 1, 64, 2, 32, 4, 16, 8, 256 такт, соответственно 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.To generate a binary pseudo-random sequence X, a cascade calculator (see Fig. 2) is used, consisting of nine cascades in which delays are set at 128, 1, 64, 2, 32, 4, 16, 8, 256 cycles, respectively, and between the last and the penultimate cascade are connected, 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 cascade is connected to the first input of the last cascade.

Подаем на вход каскадного вычислителя единичный отсчет. Полученную на выходе 2 устройства, оказанного на фиг. 2, последовательность из N=512 отсчетов считываем в обратном порядке. Назовем полученную последовательность

Заменим в последовательности

минус единицы нулями. Полученную последовательность назовем «X».We feed a single sample to the input of the cascade computer. The output 2 of the device shown in FIG. 2, the sequence of N = 512 samples is read in the reverse order. We call the resulting sequence

Replace in sequence

minus ones with zeros. The resulting sequence will be called “X”.

Подадим последовательность X снова на вход схемы отраженной на фиг. 2. В результате чего, на выходе 2 устройства фиг. 2, получим на 512-м такте корреляционный отклик амплитудой 256=N/2, при этом амплитуда боковых пиков вычисляемой ВКФ не будет превышать 17. Отношение корреляционного отклика к боковым лепесткам ВКФ составляет ~1/(N/2)^1/2.We feed the sequence X again to the input of the circuit shown in FIG. 2. As a result, at the output 2 of the device of FIG. 2, we obtain at the 512th step a correlation response with an amplitude of 256 = N / 2, and the amplitude of the side peaks of the calculated VKF will not exceed 17. The ratio of the correlation response to the side lobes of the VKF is ~ 1 / (N / 2) ^1/2 .

Данная ВКФ отображена на фиг. 3. По оси ординат отложена амплитуда на выходе каскадного вычислителя (фиг. 2), при подаче на вход его последовательности X, по оси абсцисс нормированное время t/T_o (или номер синхроимпульса).This VKF is shown in FIG. 3. The ordinate axis shows the amplitude at the output of the cascade computer (Fig. 2), when its sequence X is fed to the input, the normalized time t / T _o (or the number of the clock pulse) along the abscissa axis.

Таким образом, при помощи каскадного вычислителя, отображенного на фиг. 2 осуществляется вычисление корреляции между последовательностями

и X. По существу в данном примере каскадный вычислитель осуществляет функцию устройства вычисления корреляции (блок 8 фиг. 1)Thus, using the cascade computer shown in FIG. 2, the correlation between the sequences is calculated

and X. Essentially, in this example, the cascade calculator functions as a correlation calculation device (block 8 of FIG. 1)

Для генерации последовательностей

используется другой каскадный вычислитель (см. фиг. 4)To generate sequences

another cascade calculator is used (see Fig. 4)

Подаем на вход каскадного вычислителя единичный отсчет.We feed a single sample to the input of the cascade computer.

Полученную с выхода 2 устройства (фиг. 4) последовательность из N=512 отсчетов считываем в обратном порядке, назовем полученную последовательность

Заменим в последовательности

минус единицы нулями. Полученную последовательность назовем «Y».The sequence of N = 512 samples obtained from output 2 of the device (Fig. 4) is read in the reverse order, we call the resulting sequence

Replace in sequence

minus ones with zeros. The resulting sequence will be called "Y".

Подадим эту последовательность на вход устройства, показанного на фиг. 2. На выходе 2 устройства, показанного на фиг 2., получим ВКФ (последовательность) с уровнем лепестков порядка ~2(N/2)^1/2, что ниже, чем амплитуда корреляционного отклика равная N/2=256 в случае, когда, последовательность и устройство вычисления (фильтр) согласованы.We feed this sequence to the input of the device shown in FIG. 2. At the output 2 of the device shown in FIG. 2., we obtain a VKF (sequence) with a level of lobes of the order of ~ 2 (N / 2) ^1/2 , which is lower than the amplitude of the correlation response equal to N / 2 = 256 in the case when , sequence and calculation device (filter) are consistent.

Данная дискретная ВКФ отображена на фиг. 5. По оси ординат здесь отложены дискретные отсчеты на выходе каскадного вычислителя фиг. 2, по оси абсцисс - нормированное время t/T_o (или номер синхроимпульса).This discrete VKF is shown in FIG. 5. Discrete readings at the output of the cascade computer of FIG. 2, along the abscissa axis is the normalized time t / T _o (or the number of the sync pulse).

Таким образом, при помощи каскадного вычислителя, отображенного на фиг. 2 осуществляется вычисление корреляции между последовательностями Y и

. По существу в данном примере каскадный вычислитель осуществляет функцию устройства вычисления корреляции (блок 8 фиг. 1)Thus, using the cascade computer shown in FIG. 2, the correlation between the sequences Y and

. Essentially, in this example, the cascade calculator functions as a correlation calculation device (block 8 of FIG. 1)

Как видно из фиг. 5, уровень лепестков ВКФ по отношению к амплитуде корреляционного отклика, полученного при подаче на вход согласованной последовательности (сигнала) находится на уровне ~4/(N/2)^1/2.As can be seen from FIG. 5, the level of the VCF lobes with respect to the amplitude of the correlation response obtained when a matched sequence (signal) is input is at the level of ~ 4 / (N / 2) ^1/2 .

Таким образом, осуществляется подавление принимаемых сигналов, созданных иными аналогичными устройствами, работающими в непосредственной близости от рассматриваемого приемного устройства, но использующего для модуляции зондирующего бинарного оптического сигнала иную псевдошумовую последовательность.Thus, the suppression of the received signals created by other similar devices operating in the immediate vicinity of the receiving device in question, but using a different pseudo-noise sequence to modulate the probing binary optical signal.

К недостаткам примера №3 подавления можно отнести то, что для увеличения глубины подавления (отношения амплитуды корреляционного отклика, получаемого на выходе устройства вычисления корреляции 8) при подаче на его вход согласованной последовательности с числом позиций N, к максимальному уровню боковых лепестков ВКФ при подаче на его вход иной случайной или псевдослучайной последовательности с тем же числом позиций и той же амплитудой), необходимо увеличивать N - длину последовательности.The disadvantages of suppression example No. 3 include the fact that to increase the suppression depth (the ratio of the amplitude of the correlation response obtained at the output of the correlation calculation device 8) when a matched sequence with the number of positions N is supplied to its input, the maximum level of the side lobes of the FCF when applied to its input is another random or pseudo-random sequence with the same number of positions and the same amplitude), it is necessary to increase N - the length of the sequence.

Пример №4. Совместная работа двух лидаров, установленных на двух транспортных средствахExample No. 4. Joint work of two lidars installed on two vehicles

Одновременная работа двух оптических устройств (лидаров), назовем их лидар Л1 и лидар Л2. Для синхронизации этих двух лидаров возможно использовать сингалы точного времени и частоты, полученные от одной из глобальных навигационных систем или общий стабильный генератор синхроимпульсов (в случае размещения лидаров на одном объекте, например, транспортном средстве). Оба лидара для зондирования используют четыре дополнительных последовательности, полученные из модифицированных D-кодов, сгенерированных каскадной схемой с параметрами приведеными в таблице 2. В таблице знак «=» означает, что выход 1 одного каскада соединен со входом 1 следующего каскада, и выход 2 одного каскада соответсвенно соединен с входом 2 последующего каскада, а знак «х» означает что, выход 1 одного каскада соединен со входом 2 последующего каскада и выход 2 соединен со входом 1, соотвественно.Simultaneous operation of two optical devices (lidars), let's call them L1 lidar and L2 lidar. To synchronize these two lidars, it is possible to use the exact time and frequency singals obtained from one of the global navigation systems or the general stable clock generator (if lidars are placed on one object, for example, a vehicle). Both lidars for sensing use four additional sequences obtained from modified D-codes generated by a cascade circuit with the parameters given in Table 2. In the table, the “=” sign means that output 1 of one cascade is connected to input 1 of the next cascade, and output 2 of one the cascade is respectively connected to the input 2 of the subsequent cascade, and the sign "x" means that the output 1 of one cascade is connected to the input 2 of the subsequent cascade and the output 2 is connected to input 1, respectively.

Схемы генерации модифицированных D-кодов, используемых лидаром Л1 и лидаром Л2 приведены на фигурах 6 и 7.Schemes for generating modified D codes used by L1 lidar and L2 lidar are shown in figures 6 and 7.

Подав на вход схемы, изображенной на фигуре 6 единичный импульс на первом такте, получим с первого по восьмой такты на выходе 1 и выходе 2 дополнительные кодовые последовательности длины 8. Запишем их в обратном порядке и назовем их D и

Having applied to the input of the circuit depicted in Figure 6 a single pulse at the first clock cycle, we will receive from the first to eighth clock cycles at output 1 and output 2 additional code sequences of length 8. We write them in the reverse order and call them D and

Сформируем четыре дополнительных последовательности, которые будут использоваться в качестве зондирующих лидаром Л1. Для этого из последовательности D сформируем последовательность К1 путем замены на «0», и последовательность К2 путем замены «1» на «0» и «-1» на «1». Аналогичным образом из последовательности

сформируем последовтаельности К3 и К4.We form four additional sequences that will be used as probing L1 lidar. To do this, from the sequence D we form the sequence K1 by replacing it with “0”, and the sequence K2 by replacing “1” with “0” and “-1” with “1”. Similarly from the sequence

form the sequences K3 and K4.

Кодовые последовательности К1, К2, К3, К4 используются для модуляции бинарных оптических сигналов излучаемых лидаром в качестве зондирующих последовательно.Code sequences K1, K2, K3, K4 are used to modulate binary optical signals emitted by lidar as probing in series.

Модуляция состоит в том, что по тактовому сингналу с частотой f_мод. На каждом такте, в случае если кодовая позиция принимает значение 1 излучается оптический импульс фиксированной длительности Т_м причем Т_м≤1/ f_mod =Т_о, а если кодовая позиция принимает значение 0, то ничего не происходит.Modulation is that by a clock single with a frequency f _mod . At each step, if the code position takes the value 1, an optical pulse of fixed duration T _{m is} emitted, with T _m ≤1 / f _mod = T _o , and if the code position takes the value 0, nothing happens.

В рассматриваемом примере Т_м=1/f_mod=Т_о, где Т_о интервал интегрирования фототока в блоке 6.In this example, T _m = 1 / f _mod = T _about , where T _{about the} interval of integration of the photocurrent in block 6.

Длительность излучаемого бинарного оптического сигнала модулировного кодовой последоваельностью составляет 8Т₀, где 8 - длина кодовых последовательстей К1, К2, К3, К4.The duration of the emitted binary optical signal modulated by a code sequence is 8T ₀ , where 8 is the length of the code sequences K1, K2, K3, K4.

Бинарные оптические сигналы, модулированные последовательностями К1, К2, К3, К4, излучаются периодически с периодом Т_зонд.Binary optical signals modulated by the sequences K1, K2, K3, K4 are emitted periodically with a period T _probe .

Т_зонд=2R_макс⋅/C, где С - скорость света, R_Макс⋅ - верхняя граница диапазона разрешаемых дальностей до зондируемых объектов.T _probe = 2R _max⋅ / C, where С is the speed of light, R _Max ⋅ is the upper limit of the range of permitted ranges to the probed objects.

Так что сначала излучается сигнал, модулированный кодом К1, затем бинарные оптические сингалы, модулированные кодами К2, К3 и К4. Далее цикл зондирования при необходимости повторяется снова.So first the signal modulated by the K1 code is emitted, then the binary optical singals modulated by the K2, K3 and K4 codes. Then the sensing cycle is repeated again if necessary.

На фигуре 8 представлены синхроимпульсы (график А фиг. 8). Излучаемый бинарный оптический сигнал, модулированный последовательностью К1 (график Б, фиг. 8) и тот же сингал, отраженный от объекта (график В, фиг. 8).The figure 8 presents the clock (graph A of Fig. 8). The emitted binary optical signal modulated by the sequence K1 (graph B, Fig. 8) and the same singal reflected from the object (graph C, Fig. 8).

На графике Г показан процесс интегрирования принимаемого оптического сигнала на отрезках Т_o=1/f_mod с началом интегрирования по синхроимпулсам (график А). На графике Д, фиг. 8 показана дискретная последовательность, получаемая в результате интегрирования.Graph D shows the process of integrating the received optical signal over the segments T _o = 1 / f _mod with the start of integration over clock pulses (graph A). In graph D, FIG. 8 shows a discrete sequence obtained by integration.

На первом цикле зондирования дискретные отсчеты, с блока 6 (через блок 7) записываются в ячейки памяти первого блока накопления 12, причем номер каждой ячейки памяти, есть номер дискретного отсчета отсчитываемый в каждом цикле зондирования заново или номер синхроимпульса поступающего на блок 6 (интегрирования на инервалах времени Т_o).In the first sensing cycle, discrete readings from block 6 (through block 7) are recorded in the memory cells of the first accumulation block 12, and the number of each memory cell is the number of the discrete readout re-counted in each sensing cycle or the number of the clock pulse arriving at block 6 (integration on time intervals T _o ).

На втором цикле зондирования дискретные отсчеты, с блока 6 (через блок 7) вычитаются из содержимого ячеек памяти первого блока накопления, причем номер каждой ячейки памяти, есть номер дискретного отсчета и результат вычитания синхронно подается на блок вычисления взаимной корреляции 8.In the second sensing cycle, discrete samples from block 6 (through block 7) are subtracted from the contents of the memory cells of the first accumulation block, and the number of each memory cell is the number of the discrete sample and the subtraction result is synchronously fed to the cross-correlation calculation unit 8.

В блоке вычисления корреляции 8 вычисляется корреляция между дискретной выборкой длинны 8 соотвествующей выборке D и считанной с первого блока накопления последовательности. В данном примере для вычисления дискретной коорреляции используется каскадный вычислитель, представленный на фиг 6, а требуемая ВКФ считывается с выхода 1 устройства на фиг. 6.In the correlation calculation unit 8, a correlation between a discrete sample of length 8 of the corresponding sample D and read from the first sequence accumulation unit is calculated. In this example, the cascade calculator shown in FIG. 6 is used to calculate the discrete correlation, and the desired VKF is read from the output 1 of the device in FIG. 6.

Дискретная последовательность с блока 8 синхрооно записывается в ячейки памяти второго блока накопления, причем номер ячейки накопления соотвествует номеру считываемого дискретного отсчета.The discrete sequence from block 8 is synchronously recorded in the memory cells of the second accumulation block, and the accumulation cell number corresponds to the number of the discrete readout.

Далее, на а 3-м цикле зондирования, дискретыне отсчеты с блока 6 (через блок 7) записываются в ячейки памяти первого блока накопления и результат вычитания синхронно подается на блок вычисления взаимной корреляции 8.Further, on the 3rd probe cycle, discrete samples from block 6 (through block 7) are recorded in the memory cells of the first accumulation block and the subtraction result is synchronously fed to the cross-correlation calculation block 8.

В блоке вычисления корреляции 8 вычисляется корреляция между дискретной выборкой длинны 8 соотвествующей выборке D и считанной с первого блока накопления последовательности. В данном примере для вычисления дискретной коорреляции используется каскадный вычислитель, представленный на фиг 6, а требуемая ВКФ считывается с выхода 2 устройства на фиг. 6.In the correlation calculation unit 8, a correlation between a discrete sample of length 8 of the corresponding sample D and read from the first sequence accumulation unit is calculated. In this example, the cascade calculator shown in FIG. 6 is used to calculate the discrete correlation, and the required VKF is read from the output 2 of the device in FIG. 6.

Дискретная последовательность с блока 8 прибавляется к значениям записанонным в ячейки памяти второго блока накопления, причем номер ячейки памяти соотвествует номеру считываемого дискретного отсчета. Содержимое ячейки памяти, содержащее, результат сложения подается на пороговый обнаружитель 9 при превышении порога на блок 10 вычисления расстояния до зондируемого объекта подается так же, информация о номерах ячеек памяти, содержимое которых превысило порог.The discrete sequence from block 8 is added to the values recorded in the memory cells of the second accumulation block, and the number of the memory cell corresponds to the number of the discrete readout. The contents of the memory cell, containing, the result of addition is fed to the threshold detector 9 when the threshold is exceeded, the information about the number of memory cells whose contents exceeded the threshold is supplied to the block 10 for calculating the distance to the probed object.

В таблице 5 приведены амплитуды сигналов на выходах блоков лидара Л1 в зависимости от номера синхроимпульса и номера цикла зондирования, номера ячеек памяти первого и второго накопителей и привязаны к номеру синхроимпульса подаваемому на блок интегрирования 6 в каждом цикле зондирования.Table 5 shows the amplitudes of the signals at the outputs of the L1 lidar blocks depending on the number of the clock pulse and the number of the sounding cycle, the number of memory cells of the first and second drives and are tied to the number of the clock pulse supplied to the integration unit 6 in each sounding cycle.

В момент времени, соответствующий 14-му и 15-му синхроимпульсам, на выходе блока накопления пороговым обнаружителем зафиксировано превышение порога (допустим, пороговый уровень обнаружения сигнала пусть равен 1.0). Определим задержку принимаемого сигнала относительно зондирующего. Грубо по номеру синхроимпульса на котором произошло пороговое обнаружение. Номер этого синхроимпульса в данном примере равен 14.At the point in time corresponding to the 14th and 15th clock pulses, the threshold detector detected an excess of the threshold at the output of the accumulation block (for example, let the threshold level of signal detection be 1.0). Define the delay of the received signal relative to the probing one. Roughly according to the number of the clock on which the threshold detection occurred. The number of this clock in this example is 14.

Т_гр.=((m-1-N)T_o), где N - это чисто позиций 0 и 1 в зондирующем сигнале то есть N=8, am- это номер синхроимпульса, на котором произошло пороговое обнаружение, то есть m=14.T _gr . = ((M-1-N) T _o ), where N is the purely positions 0 and 1 in the probe signal, that is, N = 8, am is the number of the clock at which the threshold detection occurred, that is, m = fourteen.

Т_гр.=5Т_o T _gr . = 5T _o

Определим поправку к задержке, используя информацию об амплитуде второго отсчета с выхода блока накопления, следующего за первым отсчетом превышающем порог.We determine the delay correction using the information on the amplitude of the second sample from the output of the accumulation block following the first sample exceeding the threshold.

dt=Q2/(Q1+Q2)T_o=8/(8+8)Т_o=0.5*Т_о, где Q1 это амплитуда первого отсчета на выходе бока накопления превышающего пороговое значение (в таблице 5 это отсчет с номером 14), a Q2 второго следующего за ним.dt = Q2 / (Q1 + Q2) T _o = 8 / (8 + 8) T _o = 0.5 * T _o , where Q1 is the amplitude of the first sample at the output of the accumulation side exceeding the threshold value (in table 5, this is sample number 14) , a Q2 of the second following it.

Задержка сигнала точно:Signal delay precisely:

Т_точ=T_гр+dt=5.5*Т_o T _dot = T _gr + dt = 5.5 * T _o

R_точ=Т_точ*С/2R _dot = T _dot * C / 2

Графическое пояснения к определению задержки Т_зад=R_точ*2/C приведено на фиг. 8 (график Е).A graphic explanation of the determination of the delay T _ass = R _dot * 2 / C is shown in FIG. 8 (graph E).

Вычисление задержки сигнала точно вычисляет блок 11. Покажем на этом примере функции, которые выполняет блок 17 выборки и обработки зондирующих сигналов. В соответствии с номером цикла зондирования, блок 17 обеспечивает модуляцию бинарного оптического сигнала на первом цикле зондирования последовательность К1, на втором К2, на третьем К3 и на четвертом К4, кроме того блок 17 определяет порядок действий с ячейками памяти первого и второго накопителей, так а первом цикле зондирования значения дискретных отсчетов с блока 7 заносятся в ячейки памяти первого накопителя, а на втором вычитаются из содержимого ячеек памяти при этом результат вычитания передается на блок 8, а результат вычисления с блока 8 поступает на второй накопитель и так далее.The calculation of the signal delay is precisely computed by block 11. Let us show in this example the functions that the block 17 performs the sampling and processing of sounding signals. In accordance with the probe cycle number, block 17 provides modulation of the binary optical signal in the first probe cycle, the sequence K1, second K2, third K3 and fourth K4, in addition, block 17 determines the order of actions with memory cells of the first and second drives, so in the first sensing cycle, the values of discrete readings from block 7 are recorded in the memory cells of the first drive, and in the second, they are subtracted from the contents of the memory cells, while the subtraction result is transmitted to block 8, and the result of the calculation with 8 and supplied to the second reservoir and so on.

Лидар Л2 работает одновременно с лидаром Л1 с той же тактовой частотой синхроимпульсов, так же совпадают во времени начало и окончание циклов зондирования.Lidar L2 works simultaneously with lidar L1 with the same clock frequency of synchronization pulses; the beginning and end of the sounding cycles coincide in time.

В лидаре Л2 используется другой набор кодовых последовательностей, назовем их L1, L2, L3, L4.Lidar L2 uses a different set of code sequences; let us call them L1, L2, L3, L4.

Подав на вход схемы, показанной на фиг. 7 единичный импульс на первом такте, получим с первого по 8-й такты на выходе 1 и выходе 2 дополнительные кодовые последовательности длины 8. Запишем их в обратном порядке и назовем их С и

By applying to the input of the circuit shown in FIG. 7 is a single pulse at the first step, we will receive from the first to the 8th beat at output 1 and output 2 additional code sequences of length 8. We write them in the reverse order and call them C and

Сформируем четыре дополнительных последовательности, которые будут испльзоваться в качестве зондирующих лидаром Л2. Для этого из последовательнсти С сформируем последовательности L1 путем замены «-1» на «0», также сформируем последовательность L2 путем замены «1» на «0» и «-1» на «1». Аналогичным образом из последовательности

сформируем последовтаельности L3 и L4.

We form four additional sequences that will be used as probing L2 lidar. To do this, from sequence C, we form the sequence L1 by replacing “-1” with “0”, we also form the sequence L2 by replacing “1” with “0” and “-1” with “1”. Similarly from the sequence

form the sequences L3 and L4.

Кодовые последовательности L1, L2, L3, L4 используются для модуляции бинарных оптических сигналов излучаемых лидаром Л2 в качестве зондирующих.The code sequences L1, L2, L3, L4 are used to modulate binary optical signals emitted by the lidar L2 as probing ones.

В таблице 8 приведены амлитуды сингалов на выходах блоков лидара Л1 при приеме им сигнала лидара Л2 в зависимости от номера синхроимпульса и номера цилка зондирования.Table 8 shows the amplitudes of the singals at the outputs of the L1 lidar blocks when it receives the L2 lidar signal, depending on the number of the clock pulse and the number of sensing circuits.

Как видно из таблицы 8, последовательность на выходе второго накопителя на 4-м цикле зондирования, только нулевые значения. Таким образом осуществляется полное подавление сигнала от лидара Л2, в лидаре Л1.As can be seen from table 8, the sequence at the output of the second drive on the 4th probe cycle, only zero values. Thus, the signal is completely suppressed from the lidar L2, in the lidar L1.

Аналогично оптический сигнал лидара Л1 будет так же подавляться в приемном тракте лидара Л2. Благодаря этому два лидара могут синхронно работать, одновременно не мешая работе друг друга.Similarly, the optical signal of the lidar L1 will also be suppressed in the receiving path of the lidar L2. Thanks to this, two lidars can work simultaneously, without interfering with each other's work.

Кроме того, при наличии дополнительных средств обработки лидары Л1 и Л2 могут взаимно принимать зондирующие сигналы друг друга, что может быть использовано, например, для повышения точности определения координат целей, отражающих оптический сигнал.In addition, in the presence of additional processing means, the lidars L1 and L2 can mutually receive sounding signals from each other, which can be used, for example, to increase the accuracy of determining the coordinates of targets reflecting an optical signal.

В ряде случаев необходима одновременная работа не двух, а N лидаров. Покажем, как в этом случае избежать или по крайней мере существенным образом сократить уровень взаимных помех, вызванный работой других одновременно работающих лидаров.In some cases, simultaneous operation of not two, but N lidars is necessary. We show how in this case to avoid or at least significantly reduce the level of mutual interference caused by the work of other simultaneously working lidars.

Пример №5. Совместная работа трех лидаров, установленных на трех транспортных средствахExample No. 5. Joint work of three lidars mounted on three vehicles

Лидары работают синхронно с использованием одного и тогоLidars work synchronously using the same

Т_зонд=2R_макс/СT _probe = 2R _max / C

Лидар Л1 использует частоту синхроимпульсов f_mod1=F₁ Lidar L1 uses the clock frequency f _mod1 = F ₁

Лидар Л2 использует частоту синхроимпульсов f_mod2=F₁ Lidar L2 uses the clock frequency f _mod2 = F ₁

Лидар ЛЗ использует частоту синхроимпульсов f_mod3=0.1*F₁ Lidar LZ uses the clock frequency f _mod3 = 0.1 * F ₁

Лидар Л1 использует кодовую последовательность X из примера 2, назовем ее Е1. Лидар Л2 использует кодовую последовательность Y из примера 2, назовем ее Е2. Лидар Л3 использует кодовоую последовательность К1 из примера 3, назовем ее Е3.Lidar L1 uses the code sequence X from Example 2, let's call it E1. Lidar L2 uses the code sequence Y from Example 2, let's call it E2. Lidar L3 uses the code sequence K1 from Example 3, let's call it E3.

Кроме того, лидары для модуляции зондирующих оптических сингналов также используют и последовательности

которые отличаются от последовательностей E заменой единиц на нули и нулей на единицы.In addition, lidars also use sequences to modulate probe optical singles

which differ from E sequences by replacing units with zeros and zeros with units.

Пусть лидары синхронно осуществляют четыре цикла зондирования При этом в каждом цикле зондирования используются следующие сигналы выбор которых определяется с использованием матрицы Адамара размерности М=2ⁿ, причем М-1 определяет число одновременно работающих лидаров. В рассматриваемом примере М+1=2²=4. Н₄ - матрица Адамара размерности 4.Let the lidars simultaneously carry out four sounding cycles. In each sounding cycle, the following signals are used, the selection of which is determined using the Hadamard matrix of dimension M = 2 ⁿ , and M-1 determines the number of simultaneously operating lidars. In this example, M + 1 = 2 ² = 4. H ₄ - Hadamard matrix of dimension 4.

Пусть второй столбец в этой матрице определяет порядок зондирующих сигналов лидара Л1 следующим образом:Let the second column in this matrix determine the order of the probing signals of the lidar L1 as follows:

позиция 1 в столбце соответствуют кодовой последовательности Е1,position 1 in the column correspond to the code sequence E1,

позиция «-1» соответствует кодовой последовательности

.position "-1" corresponds to the code sequence

.

Аналогично, для определения порядка зондирующих сигналов лидара Л2 используем столбец 3, а для лидара Л3-столбец 4 соответственно. Правило выбора зондирующей последовательности приведено в таблице 9.Similarly, to determine the order of the probing signals of the lidar L2, we use column 3, and for the lidar, the L3 column 4, respectively. The rule for selecting a probe sequence is shown in table 9.

Принимаемые отраженные оптические сигналы в лидаре Л1 синхронно детектируются, путем интегрирования фототока на интервалах Т_o и подаются в первый блок накопления 12, причем на каждом цикле зондирования в соотвествии с правилом, приведенным в таблице 10 происходит изменение знака последовательности подаваемой на первый блок накопления сигнала (12) на отрицательный (знак «-1» в таблице 9). Таблица 10 так же постоена из матрицы Адамара путем отбрасывания первого столбца марицы Адамара. На первым цикле зондирования последовательность с блока 6 (через блок 7) записывается в соотвествующие ячейки первого блока накопления, а на последующих циклах происходит прибавление соотвествующих дискретных отсчетов получаемых с блока 6 (через блок 7) с учетом знака определяемого по правилу таблицы 10.The received reflected optical signals in the lidar L1 are synchronously detected by integrating the photocurrent at the intervals T _o and are supplied to the first accumulation unit 12, and on each probe cycle in accordance with the rule given in table 10, the sign of the sequence supplied to the first signal accumulation unit changes ( 12) negative (“-1” in table 9). Table 10 is also constructed from the Hadamard matrix by discarding the first column of the Hadamard marina. In the first probe cycle, the sequence from block 6 (through block 7) is recorded in the corresponding cells of the first accumulation block, and in subsequent cycles, the corresponding discrete samples obtained from block 6 (through block 7) are added taking into account the sign determined by the rule of Table 10.

На фигуре 9 на оси абсцисс отложен номер синхроимпульса от начального момента зондирования в лидаре Л1. На графиках А-Г фиг. 9 отображены последовательсти Е1,

Е1,

подаваемые на первый блок накопления сигнала 12, на первом (график А фиг. 9), втором (график Б фиг. 9), третьем и четвертом циклах зондирования.In figure 9, the abscissa axis shows the number of the sync pulse from the initial moment of sounding in the lidar L1. In graphs A-D of FIG. 9 displays the sequences E1,

E1

supplied to the first signal storage unit 12, in the first (graph A of FIG. 9), second (graph B of FIG. 9), the third and fourth sensing cycles.

Блок изменения знака последовательности в соответствии с правилом, приведенным в таблице 10 на схеме фиг. 1 не указан, т.к. фактически изменение знака эквивалентно вычитанию дискретных отсчетов из содержимого соответствующих ячеек памяти первого блока накопления дискретного сигнала. В настоящий и последующий пример он введен для упрощения графических пояснений.The sequence sign changing unit in accordance with the rule given in table 10 in the diagram of FIG. 1 is not specified since in fact, a change in sign is equivalent to subtracting discrete samples from the contents of the corresponding memory cells of the first discrete signal storage unit. In the present and subsequent example, it is introduced to simplify graphical explanations.

На графике Д фиг. 9 отображена последовательность (дискретный сигнал), считываемая с ячеек памяти первого блока накопления 12 и подаваемая на блок 8 вычисления дискретной корреляции, в частном случае он может быть реализован в виде каскадного вычислителя.In graph D of FIG. 9 shows a sequence (discrete signal) read from the memory cells of the first accumulation unit 12 and supplied to the discrete correlation calculation unit 8, in the particular case it can be implemented as a cascade computer.

Если блок 8 реализован в виде каскадного вычислителя, как в примере 2, то считывание производилось с выхода 2. Как видно, на выходе каскадного вычислителя получаем сигнал с корреляционным пиком на 2900 такте от начала зондирования (подсчет тактов ведется для каждого цикла зондирования, как в примере №4).If block 8 is implemented as a cascade calculator, as in Example 2, then reading was performed from output 2. As you can see, at the output of the cascade calculator we get a signal with a correlation peak at 2900 clock from the start of the sounding (clock counting is performed for each sounding cycle, as in Example No. 4).

На фигуре 10 на графиках А-Г (фиг. 10) отображены последовательсти Е2, -Е2,

(создаваемые лидаром Л2), подаваемые на блок накопления 12In figure 10, graphs A-D (Fig. 10) display the sequences E2, -E2,

(created by Lidar L2) fed to accumulation unit 12

лидара Л1, на первом (график А, фиг. 10), втором (график Б, фиг. 10), третьем график В, фиг. 10), и четвертом график Г, фиг. 10), циклах зондирования. На оси абсцисс указаны номера синхроимпульсов на каждом такте зондирования лидара Л1. На графике Д, фиг. 10 отображена последовательность (дискретный сигнал), считываемый с первого блока накопления 12 лидара Л1 и подаваемая на блок вычисления корреляции 8 лидара Л1.lidar L1, on the first (graph A, FIG. 10), the second (graph B, FIG. 10), the third graph C, FIG. 10), and the fourth graph G, FIG. 10), sounding cycles. The abscissa axis shows the numbers of sync pulses on each probe cycle of the L1 lidar. In graph D, FIG. 10 shows a sequence (discrete signal) read from the first accumulation unit 12 of lidar L1 and supplied to the correlation calculation unit 8 of lidar L1.

Как видно, сигнал, считываемый с первого блока накопления 12 лидара Л1 нулевой. График Д, фиг. 10. Соответственно лидар Л2 не будет создавать помех при дальнейшей обработке накопленного сигнала в блоке вычисления корреляции 8 лидара Л1.As can be seen, the signal read from the first accumulation unit 12 of the lidar L1 is zero. Schedule D, FIG. 10. Accordingly, the L2 lidar will not interfere with further processing of the accumulated signal in the correlation calculation unit 8 of the L1 lidar.

На фигуре 11 на графиках А - Г, отображены последовательности Е3,

-Е3 (создаваемые лидаром Л3), подаваемые на первый блок накопления лидара Л1, на первом (график А, фиг. 11), втором (график Б, фиг. 11), третьем (график В, фиг. 11), и четвертом (график Г, фиг. 11), циклах зондирования. На оси абсцисс указаны номера синхроимпульсов на каждом цикле зондирования лидара 1. На графике Д, фиг. 11 отображена последовательность (дискретный сигнал) считываемый с первого блока накопления 12 лидара Л1 и подаваемая на блок вычисления корреляции 8 лидара Л1. Если он реализован в качестве каскадного вычислителя, как в примере 2 (фиг 2), то считывание производилось с выхода 2.In figure 11, on graphs A through D, the sequences E3 are displayed,

-E3 (created by L3 lidar) supplied to the first block of accumulation of lidar L1, on the first (graph A, FIG. 11), second (graph B, FIG. 11), third (graph C, FIG. 11), and fourth ( graph G, Fig. 11), sounding cycles. The abscissa axis shows the numbers of the sync pulses on each sensing cycle of lidar 1. On graph D, FIG. 11 shows a sequence (discrete signal) read from the first accumulation unit 12 of lidar L1 and supplied to the correlation calculation unit 8 of lidar L1. If it is implemented as a cascade computer, as in example 2 (FIG. 2), then reading was performed from output 2.

Как видно, сигнал, считываемый с первого блока накопления 12 лидара Л1 - нулевой. См. график Д, фиг. 11. Соответственно лидар Л3, работающий на пониженной тактовой частоте, не будет создавать помех при дальнейшей обработке накопленного сигнала в блоке вычисления корреляции 8 лидара Л1.As you can see, the signal read from the first accumulation block 12 of the lidar L1 is zero. See graph D, FIG. 11. Accordingly, the L3 lidar operating at a reduced clock frequency will not interfere with further processing of the accumulated signal in the correlation calculation unit 8 of the L1 lidar.

Пример №6. Пример использования второго блока накопления 13Example No. 6. An example of using the second accumulation block 13

Первые четыре цикла зондирования лидаров Л1, Л2, Л3 ничем не отличаются от приведеных в примере №5. На последующих четырех циклах используются для зондирования дополнительные коды к кодам Е и

The first four sensing cycles of lidars L1, L2, L3 are no different from those given in example No. 5. In the next four cycles, additional codes to codes E and

Назовем их коды

Let's call them codes

Так код

получается следующим образом. Подаем на вход каскадного вычислителя фиг. 2 единичный отсчет. Полученную на выходе 1 последовательность из N=512 отсчетов считываем в обратном порядке, при этом минус единицы заменяем нулями, назовем эту последовательность

последовательность

получается путем замены в последовательности

нулей единицами и единиц нулями.So code

obtained as follows. We feed the input of the cascade computer of FIG. 2 single count. The resulting sequence of N = 512 samples obtained at the output 1 is read in the reverse order, while minus one is replaced by zeros, let's call this sequence

sequence

obtained by substituting in sequence

zeros to ones and ones to zeros.

Аналогичным образом из последовательности с дополнительного выхода каскадного вычислителя формируются последовательности и

и

Similarly, sequences are formed from the sequence from the additional output of the cascade computer

and

Последовательность с каскадного вычислителя (основной выход), сформированная после первых четырех циклов зондирования записывается в ячейки памяти второго блока накопления 13.The sequence from the cascade computer (main output) generated after the first four sensing cycles is recorded in the memory cells of the second storage unit 13.

Последовательность с каскадного вычислителя (дополнительный выход) сформированная после вторых четырех циклов зондирования (циклы 5, 6, 7, 8) прибавляется к содержимому ячеек памяти второго блока накопления 13.The sequence from the cascade computer (additional output) formed after the second four sensing cycles (cycles 5, 6, 7, 8) is added to the contents of the memory cells of the second storage unit 13.

При этом, в получаемой при сложении последовательности происходит взаимное подавление боковых лепестков двух исходных ВКФ, что отображено на фиг 12.At the same time, in the sequence obtained by adding, mutual suppression of the side lobes of the two initial VKF occurs, which is shown in Fig. 12.

Пример №7Example No. 7

Производительность современных процессоров с архитектурой параллельных вычислений (Например, компании Nvidia) измеряется в терафлопах, что эквивалентно 1 триллиону операций над вещественными числами разрядности 64. И может достигать 4-7 терафлопThe performance of modern processors with parallel computing architecture (for example, Nvidia) is measured in teraflops, which is equivalent to 1 trillion operations on real numbers of bits of 64. And it can reach 4-7 teraflops

В примере №2 используется приемная матрица, содержащая 300×200=60000 элементов, преобразующих оптический сигнал в фототок и интегрирующих этот фототок на отрезках Т_o. Для зондирования отражающих объектов используются оптические сигналы, содержащие 256 кодовых позиций.In example No. 2, a receiving matrix is used that contains 300 × 200 = 60,000 elements that convert the optical signal into a photocurrent and integrate this photocurrent on segments T _o . Optical signals containing 256 code positions are used to probe reflective objects.

То есть, для обработки одного принимаемого отсчета, подаваемого на блок вычисления ВКФ с первого блока накопления, при использовании для вычисления ВКФ каскадного вычислителя необходимо 16 операций сложения.That is, to process one received sample supplied to the VKF calculation unit from the first accumulation unit, when using the cascade calculator for calculating the VKF, 16 addition operations are necessary.

Накопление дискетного сигнала, перед подачей на каскадный вычислитель осуществляется за 256 циклов. Таким образом, чтобы выполнить обработку (каскадным вычислителем) накопленного за 256 циклов сигнала за последующие 256 циклов зондирования необходим процессор производительностью, всего 0.1 терафлоп.The accumulation of a diskette signal, before applying to the cascade computer is carried out for 256 cycles. Thus, in order to perform processing (by a cascade computer) of the signal accumulated over 256 cycles for the next 256 sounding cycles, a processor with a productivity of 0.1 teraflops is required.

Пример №8Example No. 8

Пусть несколько лидаров зондируют одни и те же объекты на близком расстоянии, например расположенные на расстоянии не более десятков метров от лидаров. В этом случае можно использовать иной режим синхронизации работы лидаров, так называемый режим разделения времени. В данном режиме у каждого лидара есть время начало работы. Допустим лидар Л1 осуществляет зондирование в течении 2 мкс, каждые 10 мкс. Лидар Л2 осуществляет зондирование в течении 2 мкс, каждые 10 мкс, но с задержкой времени начала зондирования на 2 мкс по отношению к лидару Л1 и т.д. Такой режим совместной работы целесообразно использовать для обзора пространства непосредственно примыкающего к лидару. В этом режиме использование первого блока накопления необязательно.Let several lidars probe the same objects at close distances, for example, located at a distance of no more than tens of meters from lidars. In this case, you can use a different synchronization mode of the lidars, the so-called time-sharing mode. In this mode, each lidar has a time to start work. Suppose L1 lidar probes for 2 μs, every 10 μs. Lidar L2 probes for 2 μs, every 10 μs, but with a delay in the start time of sounding by 2 μs with respect to the lidar L1, etc. This mode of collaboration is advisable to use to view the space directly adjacent to the lidar. In this mode, the use of the first accumulation block is optional.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Предлагаемое оптическое устройство для определения расстояний до объекта может быть осуществлены специалистом на практике и при осуществлении обеспечивают реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.The proposed optical device for determining distances to the object can be carried out by a specialist in practice and, when implemented, ensure 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 одновременной работы нескольких оптических устройств. Таким образом, в данном изобретении достигнута поставленная задача - обеспечение максимального подавления взаимного влияния зондирующих сигналов оптических устройств на определение ими дальностей до зондируемых объектов в группе одновременно работающих по одним и тем же зондируемым объектам в одном и том же частотном (оптическом) диапазоне оптических устройств.Calculations of the operation of the device showed that it provides the possibility of simultaneous operation of several optical devices. Thus, in this invention, the goal is achieved - to ensure maximum suppression of the mutual influence of the probing signals of optical devices on their determination of the distances to the probed objects in the group simultaneously working on the same probed objects in the same frequency (optical) range of optical devices.

Рекомендуется применять данное изобретение для:It is recommended to use this invention for:

- систем технического зрения, в том числе и для летательных аппаратов, робототехнических систем,- vision systems, including for aircraft, robotic systems,

Несмотря на то что изобретение было подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления изобретения приведены только в целях иллюстрации изобретения. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем притязаний изобретения, поскольку в схему описанного изобретения специалистами в области обработки сигналов и проектирования интегральных микросхем, и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать изобретение конкретным устройствам или ситуациям, и не выходящим за рамки прилагаемой формулы изобретения. Специалисту в данной области техники понятно, что в пределах сферы действия изобретения, которая определяется пунктами формулы изобретения, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения.Although the invention has been described in detail with examples of options that appear to be preferred, it must be remembered that these examples of the invention are provided only to illustrate the invention. This description should not be construed as limiting the scope of claims of the invention, since the circuit of the described invention by specialists in the field of signal processing and design of integrated circuits, etc. may be amended to adapt the invention to specific devices or situations, and not beyond the scope of the attached claims. Specialist in the art will understand that within the scope of the invention, which is determined by the claims, various variations and modifications are possible, including equivalent solutions.

Claims (23)

1. Оптическое устройство для определения расстояний до объекта, включающее в себя:1. An optical device for determining distances to an object, including: - источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, вход которого соединен с- the radiation source to the object of the modulated binary optical signal, the input of which is connected to - выходом генератора создания зондирующей последовательности, вход которого соединен с- the output of the generator generating the probe sequence, the input of which is connected to - выходом генератора тактового сигнала,- the output of the clock signal generator, - светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, выход которого соединен с- a photosensitive element for detecting a reflected optical signal from an object whose output is connected to - входом блока интегрирования, выход которого соединен с- the input of the integration unit, the output of which is connected to - входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов, а- the input of the module for calculating the correlation of the emitted and reflected signals, and - выход модуля вычисления корреляции сигналов соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала, выход которого соединен с- the output of the signal correlation calculation module is connected to the input of the threshold signal detection module, the output of which is connected to - входом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, содержащего блок вычисления временной задержки отраженного сигнала, выход указанного модуля соединен с входом генератора создания зондирующей последовательности,- the input of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal containing the block for calculating the time delay of the reflected signal, the output of the specified module is connected to the input of the generator for generating the probe sequence, отличающееся тем, что оптическое устройство для определения расстояний до объекта, дополнительно включает в себя:characterized in that the optical device for determining distances to the object, further includes: - первый блок накопления, вход которого соединен с выходом блока интегрирования, а выход соединен с входом модуля вычисления корреляции сигналов,- the first accumulation unit, the input of which is connected to the output of the integration unit, and the output is connected to the input of the signal correlation calculation module, - эталонный источник сигналов точного времени и частоты, выход которого соединен с входом- a reference source of accurate time and frequency signals, the output of which is connected to the input - блока формирования синхроимпульса на начало цикла зондирования в один и тот же момент времени на разных оптических устройствах, второй вход которого соединен с выходом генератора тактового сигнала, а выход блока соединен с входом- a clock generation block at the beginning of the sensing cycle at the same time on different optical devices, the second input of which is connected to the output of the clock signal generator, and the output of the block is connected to the input - блока подсчета циклов зондирования, выход которого соединен с входом- a block for counting sounding cycles, the output of which is connected to the input - блока выборки и обработки зондирующих сигналов, выходы которого соединены с входом генератора создания зондирующей последовательности, входом модуля вычисления корреляции, входом первого блока накопления.- a block of sampling and processing of sounding signals, the outputs of which are connected to the input of the generator for generating a sounding sequence, the input of the correlation calculation module, the input of the first accumulation block. 2. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что выход блока интегрирования соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя сигнала со светочувствительного элемента в цифровой сигнал, выход которого соединен с входом модуля вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов.2. The optical device according to claim 1, characterized in that the output of the integration unit is connected to the input of the analog-to-digital signal converter from the photosensitive element to a digital signal, the output of which is connected to the input of the correlation calculation module of the emitted and reflected signals. 3. Оптическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя второй блок накопления, первый вход которого соединен с выходом модуля вычисления корреляции сигналов, и второй вход с блоком выборки, и обработки зондирующих сигналов, а выход соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала.3. The optical device according to claim 2, characterized in that it further includes a second accumulation unit, the first input of which is connected to the output of the signal correlation calculation module, and the second input to the sampling and processing unit of the probing signals, and the output is connected to the input signal detection threshold module. 4. Оптическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что выход аналогово-цифрового преобразователя соединен с входом мультиплексора, выход которого соединен с входом первого блока накопления, при этом выход второго блока накопления или выход модуля вычисления корреляции сигналов соединен с входом демультиплексора, выход которого соединен с входом модуля порогового обнаружения сигнала.4. The optical device according to claim 2, characterized in that the output of the analog-to-digital converter is connected to the input of the multiplexer, the output of which is connected to the input of the first storage unit, while the output of the second storage unit or the output of the signal correlation calculation module is connected to the input of the demultiplexer, output which is connected to the input of the threshold signal detection module. 5. Оптическое устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно имеет блок конъюнкции сигналов, один вход которого соединен с выходом модуля вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала, а другой вход которого соединен с выходом генератора тактового сигнала, а выход блока конъюнкции сигналов соединен с входом блока интегрирования, и с входом аналогово-цифрового преобразователя, и с входом первого блока накопления.5. The optical device according to claim 2, characterized in that it has a signal conjunction block, one input of which is connected to the output of the module for calculating the distance to the detected object by the time delay of the reflected signal, and the other input of which is connected to the output of the clock signal, and the output unit signal conjunction is connected to the input of the integration unit, and with the input of the analog-to-digital Converter, and with the input of the first accumulation unit. 6. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что эталонный источник сигналов точного времени и частоты содержит приемник точного времени и частоты, принимающий сигнал от другого эталонного источника, расположенного удаленно, блок коррекции точного времени по местоположению оптического устройства и блок синхронизации и подстройки частоты эталонного источника сигналов точного времени и частоты.6. The optical device according to claim 1, characterized in that the reference source of accurate time and frequency signals comprises a receiver of the exact time and frequency, receiving a signal from another reference source located remotely, an exact time correction unit for the location of the optical device, and a synchronization and adjustment unit frequency of the reference source of signals of accurate time and frequency. 7. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала или само оптическое устройство или приемный тракт оптического устройства расположен на устройстве гироскопической стабилизации.7. The optical device according to claim 1, characterized in that the photosensitive element for detecting the reflected optical signal or the optical device itself or the receiving path of the optical device is located on the gyroscopic stabilization device. 8. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала имеет поляризационный фильтр, размещенный перед входом оптического сигнала на светочувствительный элемент.8. The optical device according to claim 1, characterized in that 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. 9. Оптическое устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы светочувствительной матрицы размещены на матрице вместе с устройствами интегрирования, в качестве которого применены КМОП или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) структуры, интегрирующие фототок.9. The optical device according to claim 1, characterized in that the elements of the photosensitive matrix are placed on the matrix together with integration devices, which are CMOS or MIS (metal-dielectric-semiconductor) structures integrating the photocurrent.

Images