鄧江流

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽，550081）

高精度激光動(dòng)態(tài)測試技術(shù)初探

鄧江流

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽，550081）

激光測距儀在研究過程中，主要是通過地面檢測方法對(duì)測距儀的性能指標(biāo)等加以測試研究，在整個(gè)工作過程中也是重要的工作內(nèi)容。根據(jù)激光測距儀的基本工作原理，再設(shè)計(jì)出高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，綜合分析影響高精度的誤差因素等，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光測距儀的精度測量。相比起傳統(tǒng)測試方法而言，激光測距儀具有以下兩種特點(diǎn)：其一，精度高；其二，模擬距離動(dòng)態(tài)的范圍比較大。研究結(jié)果表明，高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)距離范圍能夠達(dá)到16m~28km，模擬精度超過0.16m。高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)在操作過程中既簡單又方便，除此之外，具有比較強(qiáng)的實(shí)用性。高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)階段各種激光測距儀的基本需求。

激光測距儀；高精度；激光動(dòng)態(tài)；測試系統(tǒng)

0 引言

對(duì)激光測距儀進(jìn)行性能測試的過程中，需要輸入高精度且可以調(diào)節(jié)的仿真距離測試值。研究分析高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)的地面距離模擬源技術(shù)進(jìn)行深入研究，能夠?qū)崿F(xiàn)長度可實(shí)時(shí)輸入的延時(shí)處理[1-2]。從模擬激光測距儀到激光發(fā)射到激光回波之間的時(shí)間間隔不難發(fā)現(xiàn)，能夠綜合分析出模擬精度的誤差，最后通過高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際模擬精度的測量，能夠驗(yàn)證模擬元所提供的絕對(duì)精度值。激光測距儀具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：其一，準(zhǔn)直性強(qiáng)；其二，相干性好；其三，單色性好。激光測距儀能夠精確測量被測物體和測距儀之間的距離，隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及人類對(duì)于宇宙世界的追求，激光測距儀已經(jīng)越來越得到政府機(jī)構(gòu)和航天機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視[3-4]。除此之外，激光測距儀在冊(cè)立精度和范圍方面有著長遠(yuǎn)的進(jìn)步。根據(jù)激光測距儀的基本精度要求，不難看出，在激光測距儀的研究過程中，需要采用相應(yīng)的地面測試方法來對(duì)各項(xiàng)測距儀的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行充分的測驗(yàn)研究?；诖?，只有不斷研制出高精度且高穩(wěn)定性的測試設(shè)備，才能夠在室內(nèi)對(duì)激光測距儀進(jìn)行充分且快捷的評(píng)估和測試，上述研究點(diǎn)顯得尤為重要。目前來看，較為典型的激光測距方法有以下幾種：其一，干涉方法；其二，脈沖方法；其三，相位方法。脈沖式激光側(cè)距離方法由于具有功能消耗低、結(jié)構(gòu)簡單和測距范圍比較大等特點(diǎn)，最終得到廣泛應(yīng)用。本文將結(jié)合脈沖式激光測距離方法的基本原理，再結(jié)合現(xiàn)有的地面測試方法提出了光電延時(shí)閥的高精度激光動(dòng)態(tài)測試技術(shù)，研制出高精度激光動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的誤差加以分析和最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 脈沖激光系統(tǒng)的基本組成

1.1 距離模擬源組成結(jié)構(gòu)

使用PIN光電探測器所組成的探測電路，將激光測距儀所發(fā)出的激光作為主波，將其作為主控單元開始延時(shí)的信號(hào)[5-6]。高精度延時(shí)能夠通過模擬插入法來高效率的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中，由于受到電壓和溫度的營銷 ，所以在主控單元進(jìn)行選擇時(shí)要按照同步時(shí)鐘的計(jì)數(shù)方式進(jìn)行延時(shí)處理。延時(shí)結(jié)束時(shí)，主控激光回波觸發(fā)信號(hào)，激光測距儀此時(shí)詳細(xì)記錄好發(fā)送主波到接收回波之間的時(shí)間，最終得出具體的距離數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)硬件的基本組成

距離模擬元的基本硬件組成主要包括以下幾種：其一，激光主波接收；其二，鑒別單元；其三，激光回波發(fā)射單元；其四，主控單元。在激光主波接收單元和鑒別單元中， 通過單級(jí)電壓放大電路信號(hào)，再經(jīng)過告訴比較電路輸出，再放大電路寬帶移機(jī)信噪比。在激光回波發(fā)射單元中，通過距離模擬源使用激光二極管，將接收系統(tǒng)的回波發(fā)送到二極管中，通過高速器件瞬時(shí)導(dǎo)通大電流脈沖之中，驅(qū)動(dòng)激光二極管。通過調(diào)整儲(chǔ)能電容的數(shù)值能夠積極改變電容的整體放電時(shí)間，達(dá)到距離模擬源發(fā)射出的買中峰值。在主控單元中 ，為了減小時(shí)間量化誤差，不斷提高計(jì)時(shí)分辨率，使用內(nèi)部鎖相環(huán)進(jìn)行振蕩器的時(shí)鐘計(jì)算。主控單元通過通信和總線對(duì)延時(shí)長度加以設(shè)定 ，再積極調(diào)整好距離值。

2 基本工作原理

2.1 脈沖式激光測距儀的基本工作原理

脈沖式激光測距儀在測量距離的過程中主要是通過激光束和被測物體之間的往返時(shí)間，最終能夠確定好具體的距離。在激光測距儀T0時(shí)刻中發(fā)出一束激光脈沖，再經(jīng)過目標(biāo)反射在T1時(shí)刻將被測距儀的接受望遠(yuǎn)鏡所接受，探測時(shí)間T=T1-T0。脈沖式激光測距儀的總距離（R）等于T乘以關(guān)在真空中的傳播速率除以2.T為時(shí)間間隔，見圖1.

圖1 脈沖式激光測距儀的工作原理圖

2.2 動(dòng)態(tài)距離模擬器的基本工作原理

使用動(dòng)態(tài)距離模擬器對(duì)脈沖式激光測距儀加以測試，從總體而言，就是采用動(dòng)態(tài)距離模擬器將所發(fā)出的激光沖脈延遲一段時(shí)間之后，再輸出激光脈沖，將其作為測距儀的接收望遠(yuǎn)鏡。通過比較測距儀所測得的距離值以及動(dòng)態(tài)距離模擬器之間的設(shè)定值，便于及時(shí)測量激光儀的具體精度。

3 動(dòng)態(tài)距離模擬器的基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)距離模擬器一般由以下幾個(gè)單元組合而成：其一，時(shí)間延遲單元；其二，激光接收單元；其三，激光發(fā)射單元；其四，激光控制單元。激光測距儀發(fā)射的激光脈沖，通過光學(xué)系統(tǒng)的輸入，再由激光接收單元的探測器加以測得，再通過光電探測器輸出的信號(hào)形成完整的脈沖信號(hào)，從出發(fā)時(shí)間的延時(shí)單元加以計(jì)時(shí)處理。在時(shí)間延遲單元中，通過控制好單元調(diào)節(jié)情況和控制情況。當(dāng)延遲時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，從時(shí)間延遲單元之中出發(fā)激光發(fā)射單元的激光，激光器所輸出的激光將作為回波信號(hào)而被脈沖式激光測距儀的望遠(yuǎn)鏡所接收。在激光接收單元中，由以下幾個(gè)部分組合而成：其一，PIN管探測器；其二，閾值比較電路；其三，恒比定時(shí)電路；其四，脈沖輸出電路。PIN管探測器選用美國公司生產(chǎn)的HKG874型光電探測器，響應(yīng)時(shí)間小于2ns，波長范圍在210nm~1080nm。上述探測器的靈敏度比較高，閾值電路以及恒必定時(shí)電路有MII9699 型告訴比較器和 MC528 型差分D觸發(fā)器組構(gòu)而成。 此類高速比較器電路的傳輸延遲時(shí)間為：600ps；輸出抖動(dòng)為：350fs。脈沖輸出電路采用的電平轉(zhuǎn)換器為數(shù)字脈沖信號(hào)，輸出的數(shù)字脈沖上升時(shí)間為：1ns，繼而保證好電路的快速性能。在時(shí)間延遲單元中，為了提高延遲時(shí)間的穩(wěn)定性和精度性，可以選用高精度的數(shù)字脈沖觸發(fā)器，具體參數(shù)表現(xiàn)如下：其一，具有4個(gè)或者4個(gè)以上的觸發(fā)通道；其二，具有最大化的延時(shí)量程；其三，分辨率為1ps。從激光發(fā)射單元中，其主要作用是受到時(shí)間延遲單元所輸出的一束激光，再作為回波信號(hào)返回到激光測距儀的望遠(yuǎn)鏡之中。激光發(fā)生單元所選用的光纖脈沖激光器為深圳某公司生產(chǎn)，型號(hào)為JYIGJKKLHJ-1255-15-025-5型。上述激光器采用低電壓供電 ，通過BNC接口直接出發(fā)，使用過程非常方便且能夠集中在系統(tǒng)之中。從延遲控制單元中，其主要作用是用于設(shè)定模擬距離，實(shí)時(shí)顯示出具體的距離信息，從而能夠存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用LABVIEW程序編寫在控制界面之中，通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間延遲單元的設(shè)定 ，積極完成模擬距離的校正。

4 高精度激光動(dòng)態(tài)測試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)

4.1 分析誤差

距離模擬元的誤差來源，將系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差加以分析計(jì)算，不難發(fā)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和使用的器件等能夠加以性能參數(shù)設(shè)計(jì)，再對(duì)各個(gè)誤差的來源進(jìn)行理論誤差分析。在系統(tǒng)誤差的分析中，需要在一定測量條件之下，對(duì)一個(gè)被測量數(shù)值加以重復(fù)檢測，誤差值的大小和誤差值的符號(hào)保持高度不變。系統(tǒng)誤差不僅僅會(huì)影響到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值的絕對(duì)精度，再通過標(biāo)定加以消除。在主要系統(tǒng)誤差中，將其分為系統(tǒng)固定延遲誤差和固定閾值鑒別誤差。

4.2 精度測試

動(dòng)態(tài)距離模擬器的精度主要用于模擬距離值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，受到以下幾個(gè)因素的影響：其一，激光接收單元輸出秒沖的抖動(dòng)信號(hào)；其二，時(shí)間延遲單元輸出信號(hào)；其三，延遲脈沖的抖動(dòng)；其四，激光發(fā)生單元時(shí)間的抖動(dòng)。動(dòng)態(tài)距離模擬器輸出的脈沖時(shí)間抖動(dòng)由各個(gè)系統(tǒng)輸出脈沖的時(shí)間抖動(dòng)所引起，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可得知，激光接收單元的輸出脈動(dòng)抖動(dòng)數(shù)值為：150ps；信號(hào)延遲單元輸出脈動(dòng)抖動(dòng)數(shù)值為：50ps；激光發(fā)射單元出的光時(shí)間抖動(dòng)為：200ps。

4.3 實(shí)驗(yàn)方法

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法中，將模擬距離分別設(shè)定為：22米、45米、90米、180米、400米、800米、1800米、3500米、9000米、20000米、30000米，將每一個(gè)設(shè)定距離分別測量100次。實(shí)測距離均值為：21.99米、44.98米、89.99米、179.96米、399.95米、799.96米、1799.98米、3499.88米、8999.96米、20000.02米、30000.01米.標(biāo)準(zhǔn)差為：0.016、0.017、0.018、0.015、0.019、0.017、0.016、0.018、0.019、0.022、0.018.

5 結(jié)束語

高精度激光動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的研究會(huì)在很大程度上改善脈沖式激光測距儀的測試標(biāo)準(zhǔn)方法，從幾十米到幾萬米的距離上測量激光測距儀的精度，具有比較高的測試精度，與此同時(shí)還能夠充分滿足比較高的測試精度要求，與此同時(shí)能夠滿足不同程度的激光測距儀測試基本需求。從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果不難看出，高精度激光動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，操作界面非常友好且操作簡單。除此之外，高精度激光動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)不會(huì)受到天氣和場地等條件的影響，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on high precision laser dynamic testing technology

Deng Jiangliu
(Career Technical College,Guiyang Guizhou,550081)

Laser rangefinder in the course of the study, the main research is to test the ground detection method of range finder performance indicators, in the whole process of the work is also an important content of the work According to the basic principle of the laser range finder, and then design a high precision laser dynamic testing system, a comprehensive analysis of the impact of high precision the error factors, can achieve the precision measurement of laser rangefinder Compared with the traditional test method, laser rangefinder has the following two characteristics: first, the precision is high; second,the range of distance is relatively large The dynamic simulation results show that the dynamic range of high precision laser testing system can reach 16m~28km the simulation accuracy of more than 0.16m. high precision laser dynamic testing system in the operation process is simple and convenient, in addition, has a relatively strong practical dynamic high precision laser The test system can meet the basic needs of various laser range finders at the present stage

laser range finder; high precision; laser dynamics; test system