大量程脉冲激光测距仪性能检测方法
大量程脉冲激光测距仪性能检测方法
作者:柳鸣;张国玉;安志勇;王劲松;段洁;赵昭;郑志峰
脉冲激光测距仪因具有探测距离远、测距精度高等特点,在军事、航空航天等领域获得了广泛应用。脉冲激光测距仪的测距精度与最大测程是实现其基本功能的根本保障,需对这两项重要指标进行检测。
目前,国内常见的检测手段有基于光纤延时检测法、数字可编程门阵列延时检测法、斜坡电路比较检测法等,这些方法存在模拟距离受限、延时精度不高等缺点,无法对最大测程指标进行检测。文中研究的大量程脉冲测距仪性能检测系统采用MODTRAN大气传输特性数据库模拟军标GJB2241A-2008中的仲裁试验气象参数,采用高精延时模块和激光辐射模块实现1064nm、1540nm和1570nm等多个波长的测距仪回波模拟。实现了一台设备对两项指标的检测,满足50m-22km宽测程、0.2m高精度的测距精度指标的检测需求,并同时定量地对最大测程指标进行检测,优于以往的测试方法,对红外脉冲激光测距仪的制备与检测具有实际意义。
1、系统组成及工作原理
脉冲激光测距仪性能检测系统的基本原理是用一个可控延迟的脉冲激光信号代替测距仪发射的反射回波模拟出等效距离。
其工作过程是:模拟距离参数通过串口送给置数缓冲器锁存,同时依据GJB2241A测试环境的气象参数,运用Modtran数据库的功率模型计算出回波信号峰值功率,并通过辐射模块控制输出功率。当测距仪发射激光信号后,脉冲激光通过衰减片和聚焦透镜组件汇聚于高速PIN探测器上,将光脉冲信号转换成电脉冲信号,经由放大整形电路及阈值门限电路后,单稳态触发器将接收到的脉冲信号展宽,用该信号作为高频振荡器的门控信号。FPGA数字延时模块是一个减法计数器,当门控信号有效时做减法运算,当延时计数器递减溢出时触发模拟延时模块,数字延时模块与模拟延时模块之间由皮秒级比较器连接。模拟延时模块信号溢出后触发辐射模块发出一束激光送给激光测距仪,即完成一次测距仪性能检测试验。
2、模型建立及方法实现
2.1基于Modtran大气透过率的回波功率模型
在计算回波信号功率的具体应用中,Modtran数据库仅提供红外激光大气传输透过率,并不能直接得出红外激光回波信号峰值功率。因此需要根据测距仪的光学特性建立回波信号功率与大气透过率之间的关系,即经过大气路径衰减后的回波功率数学模型。脉冲激光测距仪标定试验中,测距仪的激光传输过程。
2.2激光回波功率衰减实现
辐射模块采用半波片和偏振片组合的方式对激光光强进行衰减,从而达到输出功率连续精度的控制。
3精度分析
3.1延时精度分析及修正
延时模块的误差主要由随机误差和系统误差组成。系统误差可以通过标定与校正消除,通过实验标定可得系统误差t0=125ns。
3.2回波功率复现精度分析
辐射模拟器的功率变化主要是靠调节半波片和偏振片之间的夹角来实现的,由步进电机带动蜗轮蜗杆运动,从而实现预定辐射功率的模拟。步进电机的最小步进角是1.5°,机械传动比为1:30。
4实验及结果分析
实验通过标定某型号的激光测距仪完成,其主要技术指标如下:作用距离5km,激光波长1.064μm,输出峰值功率为2MW,束散角θ小于1mrad,脉冲宽度10ns,测距精度0.1m。对该型号激光测距仪进行检测。
采用1GHz采样频率的数字示波器对检测系统模拟不同距离的回波信号的延时精度进行检测,示波器测得延时数据,检测系统的延时精度优于2ns,与设计分析吻合。
为了验证室内检测测距仪最大测程的可行性,利用野外立靶实验与其进行对比。以迷彩布为合作目标,从距目标4~7km处每隔500m作一次标记,在每个标记处有效发射激光50次,记录下所有测量数据并关注临界稳定状态,即测准率落入40%~60%区间范围内。将野外立靶实验与检测系统所测结果进行比对,实验数据表如表2所示,两者检测结果基本吻合。
5结论
文中介绍了一种新的大量程脉冲式激光测距仪测距性能的检测方法,在高精延时技术的基础上将Modtran大气传输透过率数据库结合大气回波功率衰减的数学模型以及回波功率复现方法应用于激光测距仪最大测程的检测中。实验结果表明:该方法最大测程的测准率高于90%,延时误差小于2ns,相较于光纤延时法的延时精度提高了5倍以上。但系统处理数据较大,计算时间较长,可在随后的研究中优化算法并考虑采用嵌入式系统代替工控机。该方法还适用于武器火控设备的解算精度检测以及机载雷达测距性能检测中。
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