脉冲式激光测距体制设备动态距离模拟器的研究设计
脉冲式激光测距体制设备动态距离模拟器的研究设计
作者:李真珠;亓洪兴;黄庚华;叶道焕;姚波;闫志欣;舒嵘
脉冲式激光测距仪体制设备的工作原理是通过测量发射激光与返回激光之间的时间差,来探测脉冲式激光测距体制设备与被探测物之间的距离。星载激光测距体制设备要求高度的稳定性和灵敏度,因此,发射前需在地面上进行充分的性能检测与评估。
早期的星载激光测距体制设备在做地面检测时,实验场所往往选在空旷的广场,以真实、静止的地面物体作为测距目标。但是,广场上的目标物只能满足短距离测试要求; 而且对目标物距离信息的精确标定工作量大,环境对测试也有较大影响。随后,研究人员引进光纤作为长距离、高精度、受周围环境干扰少的目标物[2],但其缺点是模拟距离不能实时可调。为了解决以上技术问题,就需要构建一个在星载激光测距体制设备有效测程内,距离可调、高精度、受周围环境干扰少的模拟探测目标,由此,提出了动态距离模拟技术。
近年来,随着星载激光测距体制设备测距精度的提高,对动态距离模拟器的模拟距离精度提出了更高的要求。目前,美国近地小行星观测( NEAR)激光测距仪的系统性能测试[3]、国内星载激光测距体制设备地面检测中都有动态距离模拟器的重要应用。文中采用高精度延迟器对激光脉冲实现了精确延迟,延迟控制单元对模拟距离进行了校正,模拟器的精度得到了较大的提高。
1 系统实现
1. 1 动态距离模拟器的基本原理
脉冲式激光测距体制设备探测距离为L 的远方目标时,发射的激光主波经过2L 的距离,回波信号被望远镜接收。发射激光主波与接收激光回波的时间差为t = 2Lc( c 为光速) ,脉冲式激光测距体制设备通过测量时间差t 计算出与目标物的距离值。如果脉冲式激光测距体制设备发射的激光脉冲,被一个设备捕捉,经过电子学延迟t时间(t = 2L) c后,再发出激光脉冲进入到激光测距体制设备的接收望远镜,则等效于脉冲式激光测距体制设备探测了距离为L 的目标。这就是动态距离模拟器的基本原理。那么精确控制延迟时间t,即可实现距离的高精度动态模拟。
1. 2 动态距离模拟器的系统实现
以脉冲式激光测距体制设备为地面检测对象,动态距离模拟器的系统结构。动态距离模拟器可以同时模拟两个距离信息,分别将其定义为模拟距离X 和模拟距离Y。激光接收单元、信号延迟单元输出通道A 和激光器X 共同模拟动态距离X; 激光接收单元、信号延迟单元输出通道B 和激光器Y 共同模拟动态距离Y。动态距离模拟器的工作过程为,延迟控制单元将待模拟的X、Y 距离值转化为延迟时间tX、tY,并分别设置信号延迟单元输出通道A 和输出通道B 的延迟时间。激光接收单元响应经光纤输入的脉冲式激光测距体制设备的发射激光主波,经适当的衰减、光电转换,以TTL 电平脉冲的形式触发信号延迟单元,使其开始延迟计时。信号延迟单元脉冲信号经tX、tY延迟后由输出通道A、输出通道B 分别触发激光器X 和激光器Y 出光。激光器输出的激光作为回波信号被脉冲式激光测距体制设备的望远镜接收。脉冲式激光测距体制设备通过测量发射激光主波和接收激光回波间的时间差,得出X、Y 两个探测距离。由于延迟控制单元的模拟距离X、Y实时可调,故可同时实现两个方向上的动态距离模拟。
1. 3 动态距离模拟器的各单元组成
动态距离模拟器硬件组成包括激光接收、信号延迟、激光器等单元,软件部分为延迟控制单元。
1. 3. 1 激光接收单元
激光接收单元由光衰减、高速PIN 管探测器,AD 转换电路和比较电路组成。光衰减通过光纤透射激光光束方向与探测器稍微错开来实现。高速PIN 管探测器探测到的入射激光信号,作为动态距离模拟器的延迟开始信号。最后比较电路输出一个信号延迟单元所需要的TTL 电平。
1. 3. 2 信号延迟单元
动态距离模拟器的延迟时间主要由信号延迟单元设定的延时决定。为了提高延迟时间的精度、稳定性,采用美国Highland Technology 的ModelP400,其具体技术参数: 1 ps 的分辨率, 25 ns 的插入延迟,小于25 ps 的抖动。实验中使用了信号延迟单元的通道A、通道B。各通道的延迟时间由延迟控制单元通过RS232 接口远程控制。最后信号延迟单元的通道A、通道B输出TTL 电平分别触发激光器X、激光器Y。
1. 3. 3 激光器X 和激光器Y
动态距离模拟器使用激光器向脉冲式激光测距体制设备的望远镜发射激光回波。为了尽可能符合脉冲式激光测距体制设备实际激光回波的特点,激光器X 和激光器Y 均采用深圳明鑫科技发展有限公司的1064 光纤脉冲激光器,脉冲峰值功率为1 W,脉冲宽度5 ns。激光器发射出的激光回波信号,作为动态距离模拟器延迟结束信号。
1. 3. 4 延迟控制单元
延迟控制单元,即用labview 程序编写的控制界面,主要实现对信号延迟单元延迟时间的设定、模拟距离的校正。延迟控制单元模拟距离的输入可由手动或主控机命令两种方式完成。
2 动态距离模拟器的关键技术参数分析
结合理论知识、系统设计和实验测量,对动态距离模拟器的关键技术参数进行如下分析计算。
2. 1 最小模拟距离
星载激光测距体制设备的测量范围宽,较小动态距离的模拟,可满足星载激光测距体制设备测量较小距离的性能检测需要。动态距离的模拟,通过设置脉冲式激光测距体制设备发射激光主波与接收激光回波间的时间间隔来实现,这段时间包括信号延迟单元设定的延迟时间和信号在系统中的固有延迟。当信号延迟单元延迟时间设定为0 s 时,发射激光主波与接收激光回波间存在一个最短时间间隔,由这一最短时间间隔模拟出动态距离模拟器的最小模拟距离。
实验通过安捷伦DSO90404A 高性能示波器多次等精度测量,得到: 珚Dr = 2 ns,珚Dd = 33 ns,珚De = 60ns。代入公式( 1 ) 得出最小模拟距离Lmin =14. 24 m。
2. 2 准确度
延迟控制单元在将模拟距离值转化为延迟时间来设定信号延迟单元的延迟时,完成了对模拟距离的校正,保证了动态距离模拟器模拟距离的准确度。实际工作中,信号延迟单元的延迟时间若仅根据公式t = 2L /c 设定,那么系统的固有延迟珚D 将使得发射激光主波与接收激光回波间的时间间隔有一个较大的偏差。延迟控制单元通过公式( 2) 对上述偏差加以校正。
2. 3 精度
模拟距离精度是动态距离模拟器最为关键的技术参数。在模拟距离校正时,系统的固有延迟带来的误差已经消除,因此,输出脉冲抖动引起的随机误差是影响该系统精度最主要的因素。动态距离模拟器输出脉冲的时间抖动由系统各单元输出脉冲的时间抖动引起。
分别为激光接收单元、信号延迟单元和激光器输出脉冲时间抖动的标准差;K 为包含因子( 或称覆盖因子) ,与一定的置信概率相联系。置信概率取0. 99,则K = 3。实验中,通过安捷伦DSO90404A 高性能示波器多次测量各单元的输出时间处理实验测量数据得: 激光接收单元输出脉冲抖动σr≈150 ps,信号延迟单元输出脉冲抖动为σd≈100 ps,激光器出光时间抖动σe≈200 ps。将σr,σd,σe代入公式( 3) ,得到动态距离模拟器输出脉冲时间抖动E = 0. 808 ns。依据公式L = ct /2,得动态距离模拟器模拟距离的最大误差为: ΔL = 0. 12 m。
3 实验
为了验证动态距离模拟器所提供的模拟距离的精度,需要对动态距离模拟器从接收激光主波到发射激光回波的时间间隔进行实际测量。由于激光脉冲为光信号,接收和发射的具体时刻难以测量,因此实际测量时以电信号检测代替光信号检测。检测模拟距离精度的实验装置如图4 所示,首先断开激光接收、信号延迟单元间的连接,然后将激光器和激光接收单元用光纤接通。检测时使用信号发生器产生电脉冲,作为计时开始信号,触发信号延迟单元。信号延迟单元延迟结束后,触发激光器发射激光。激光接收单元通过光纤接收到激光后,将其转化为电信号输出,作为计时结束信号。通过安捷伦DSO90404A 高性能示波器测量计时开始与计时结束间的时间间隔,这段时间包括信号延迟单元设定的延迟和信号在系统中的固有延迟。
将实验测得的时间间隔读出,检测动态距离模拟器的模拟距离精度。实验中,延迟控制单元模拟距离设定为5 000 m,信号发生器以2 Hz 的频率触发动态距离模拟器的信号延迟单元,采用安捷伦DSO90404A 高性能示波器测量100 组时间间隔数据。通过脉冲式激光测距体制设备测距时距离时间转化公式t = 2L /c,将测得的时间数据转化为距离值,得到如图5 所示的实验结果。统计得出,模拟距离的平均值为5 000. 01 m,标准差为0. 04。实验证明,动态距离模拟器对星载激光测距体制设备进行高精度的地面检测实验,动态距离模拟器应用效果良好。
4 结论
动态距离模拟器中信号延迟单元具有高分辨率、低插入延迟和低抖动等特点,延迟控制单元修正了系统的固有延迟,使得动态距离模拟器的精度得到较大的提高。经理论分析、实验验证,模拟距离精度优于0. 15m。动态距离模拟器可由主控机或手动输入模拟距离信息、并同时模拟两个距离值,在室内即可对星载激光测距体制设备进行地面检测实验,应用效果良好。
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