高精度激光動態測試技術初探

鄧江流

（貴陽職業技術學院，貴州貴陽，550081）

高精度激光動態測試技術初探

鄧江流

（貴陽職業技術學院，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測距儀的性能指標等加以測試研究，在整個工作過程中也是重要的工作內容。根據激光測距儀的基本工作原理，再設計出高精度激光動態測試系統，綜合分析影響高精度的誤差因素等，最終能夠實現對激光測距儀的精度測量。相比起傳統測試方法而言，激光測距儀具有以下兩種特點：其一，精度高；其二，模擬距離動態的范圍比較大。研究結果表明，高精度激光動態測試系統距離范圍能夠達到16m~28km，模擬精度超過0.16m。高精度激光動態測試系統在操作過程中既簡單又方便，除此之外，具有比較強的實用性。高精度激光動態測試系統能夠滿足現階段各種激光測距儀的基本需求。

激光測距儀；高精度；激光動態；測試系統

0 引言

對激光測距儀進行性能測試的過程中，需要輸入高精度且可以調節的仿真距離測試值。研究分析高精度激光動態測試系統的地面距離模擬源技術進行深入研究，能夠實現長度可實時輸入的延時處理[1-2]。從模擬激光測距儀到激光發射到激光回波之間的時間間隔不難發現，能夠綜合分析出模擬精度的誤差，最后通過高精度激光動態測試系統進行實際模擬精度的測量，能夠驗證模擬元所提供的絕對精度值。激光測距儀具有以下幾個方面的特點：其一，準直性強；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，隨著近年來科學技術的不斷發展以及人類對于宇宙世界的追求，激光測距儀已經越來越得到政府機構和航天機構的關注和重視[3-4]。除此之外，激光測距儀在冊立精度和范圍方面有著長遠的進步。根據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，需要采用相應的地面測試方法來對各項測距儀的技術指標進行充分的測驗研究。基于此，只有不斷研制出高精度且高穩定性的測試設備，才能夠在室內對激光測距儀進行充分且快捷的評估和測試，上述研究點顯得尤為重要。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。脈沖式激光側距離方法由于具有功能消耗低、結構簡單和測距范圍比較大等特點，最終得到廣泛應用。本文將結合脈沖式激光測距離方法的基本原理，再結合現有的地面測試方法提出了光電延時閥的高精度激光動態測試技術，研制出高精度激光動態測試系統，對系統的誤差加以分析和最終的實驗驗證。

1 脈沖激光系統的基本組成

1.1 距離模擬源組成結構

使用PIN光電探測器所組成的探測電路，將激光測距儀所發出的激光作為主波，將其作為主控單元開始延時的信號[5-6]。高精度延時能夠通過模擬插入法來高效率的實現，系統在實現過程中，由于受到電壓和溫度的營銷 ，所以在主控單元進行選擇時要按照同步時鐘的計數方式進行延時處理。延時結束時，主控激光回波觸發信號，激光測距儀此時詳細記錄好發送主波到接收回波之間的時間，最終得出具體的距離數據。

1.2 系統硬件的基本組成

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， 通過單級電壓放大電路信號，再經過告訴比較電路輸出，再放大電路寬帶移機信噪比。在激光回波發射單元中，通過距離模擬源使用激光二極管，將接收系統的回波發送到二極管中，通過高速器件瞬時導通大電流脈沖之中，驅動激光二極管。通過調整儲能電容的數值能夠積極改變電容的整體放電時間，達到距離模擬源發射出的買中峰值。在主控單元中 ，為了減小時間量化誤差，不斷提高計時分辨率，使用內部鎖相環進行振蕩器的時鐘計算。主控單元通過通信和總線對延時長度加以設定 ，再積極調整好距離值。

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間，最終能夠確定好具體的距離。在激光測距儀T0時刻中發出一束激光脈沖，再經過目標反射在T1時刻將被測距儀的接受望遠鏡所接受，探測時間T=T1-T0。脈沖式激光測距儀的總距離（R）等于T乘以關在真空中的傳播速率除以2.T為時間間隔，見圖1.

圖1 脈沖式激光測距儀的工作原理圖

2.2 動態距離模擬器的基本工作原理

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

3 動態距離模擬器的基本系統設計

動態距離模擬器一般由以下幾個單元組合而成：其一，時間延遲單元；其二，激光接收單元；其三，激光發射單元；其四，激光控制單元。激光測距儀發射的激光脈沖，通過光學系統的輸入，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形成完整的脈沖信號，從出發時間的延時單元加以計時處理。在時間延遲單元中，通過控制好單元調節情況和控制情況。當延遲時間達到設定值時，從時間延遲單元之中出發激光發射單元的激光，激光器所輸出的激光將作為回波信號而被脈沖式激光測距儀的望遠鏡所接收。在激光接收單元中，由以下幾個部分組合而成：其一，PIN管探測器；其二，閾值比較電路；其三，恒比定時電路；其四，脈沖輸出電路。PIN管探測器選用美國公司生產的HKG874型光電探測器，響應時間小于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電路有MII9699 型告訴比較器和 MC528 型差分D觸發器組構而成。 此類高速比較器電路的傳輸延遲時間為：600ps；輸出抖動為：350fs。脈沖輸出電路采用的電平轉換器為數字脈沖信號，輸出的數字脈沖上升時間為：1ns，繼而保證好電路的快速性能。在時間延遲單元中，為了提高延遲時間的穩定性和精度性，可以選用高精度的數字脈沖觸發器，具體參數表現如下：其一，具有4個或者4個以上的觸發通道；其二，具有最大化的延時量程；其三，分辨率為1ps。從激光發射單元中，其主要作用是受到時間延遲單元所輸出的一束激光，再作為回波信號返回到激光測距儀的望遠鏡之中。激光發生單元所選用的光纖脈沖激光器為深圳某公司生產，型號為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，使用過程非常方便且能夠集中在系統之中。從延遲控制單元中，其主要作用是用于設定模擬距離，實時顯示出具體的距離信息，從而能夠存儲實驗數據。采用LABVIEW程序編寫在控制界面之中，通過計算機控制實現對時間延遲單元的設定 ，積極完成模擬距離的校正。

4 高精度激光動態測試技術和實驗

4.1 分析誤差

距離模擬元的誤差來源，將系統誤差和隨機誤差加以分析計算，不難發現，根據系統設計的方法和使用的器件等能夠加以性能參數設計，再對各個誤差的來源進行理論誤差分析。在系統誤差的分析中，需要在一定測量條件之下，對一個被測量數值加以重復檢測，誤差值的大小和誤差值的符號保持高度不變。系統誤差不僅僅會影響到標準時間值的絕對精度，再通過標定加以消除。在主要系統誤差中，將其分為系統固定延遲誤差和固定閾值鑒別誤差。

4.2 精度測試

動態距離模擬器的精度主要用于模擬距離值的穩定性和準確性，受到以下幾個因素的影響：其一，激光接收單元輸出秒沖的抖動信號；其二，時間延遲單元輸出信號；其三，延遲脈沖的抖動；其四，激光發生單元時間的抖動。動態距離模擬器輸出的脈沖時間抖動由各個系統輸出脈沖的時間抖動所引起，根據實測數據可得知，激光接收單元的輸出脈動抖動數值為：150ps；信號延遲單元輸出脈動抖動數值為：50ps；激光發射單元出的光時間抖動為：200ps。

4.3 實驗方法

在系統實驗方法中，將模擬距離分別設定為：22米、45米、90米、180米、400米、800米、1800米、3500米、9000米、20000米、30000米，將每一個設定距離分別測量100次。實測距離均值為：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.標準差為：0.016、0.017、0.018、0.015、0.019、0.017、0.016、0.018、0.019、0.022、0.018.

5 結束語

高精度激光動態檢測系統的研究會在很大程度上改善脈沖式激光測距儀的測試標準方法，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，與此同時還能夠充分滿足比較高的測試精度要求，與此同時能夠滿足不同程度的激光測距儀測試基本需求。從實驗研究結果不難看出，高精度激光動態檢測系統具有良好的穩定性，操作界面非常友好且操作簡單。除此之外，高精度激光動態檢測系統不會受到天氣和場地等條件的影響，因此具有廣闊的應用前景。

[1]葉道煥,黃庚華,程鵬飛等.高精度激光動態測試技術研究[J].紅外,2016,37(5):7-9,16.

[2]李艷曉,張磊,張紅剛等.基于雙CCD探測的外場高精度激光光斑測試技術[J].紅外與激光工程,2015,14(1):59-64.

[3]岳玉芳,張飛舟,張玉雙等.激光動態光束定向系統的跟蹤識別過程仿真[J].強激光與粒子束,2008,20(8):1270-1274.

[4]樊玉銘,張國雄,高翔等.基于時間差法主動調焦式激光測頭的研究[J].中國激光,2005,32(4):514-518.

[5]安穎,杜振輝,劉景旺等.激光自外差相干測量中分布反饋半導體激光器電流調諧非線性的補償方法[J].物理學報,2012,61(3):183-188.

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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