激光测距机脉宽测量技术研究
激光测距机脉宽测量技术研究
作者:谭威;曾文锋;王小兵;王在渊;李东
激光测距仪机具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点,在军事领域应用广泛。激光测距机的使用可以大大提高武器装备的首发命中率[4-5],配合各种战术武器,可使首发命中率高达80%以上。自1971年美国首次装备了 AN/GVS-3型红宝石激光测距机以来,激光测距机的发展经历了3代,第1代为0.6943μm 的红宝石激光测距机,很快被第2代取代;第2代为1.06μm 的 Nd:YAG激光测距机,现为部队主战装备;第3代为人眼安全的激光测距机,其中1.5xμm 成为研发重点。激光脉宽是激光测距机的重要性能参数,激光脉宽的畸变会引起漂移误差,影响激光的测距误差。在研制和检修过程中需要对激光脉宽性能参数进行检测,因为脉冲固体激光测距机采用调 Q技术,脉冲上升时间短,激光脉宽数量级为ns级,且光电探测器灵敏度高、响应速度快,所以采用500MHz带宽示波器和光电探测器相结合的方法测量各代激光测距机的激光脉宽,分析了光电探测器特型对激光脉宽的影响。
2 测量系统的实现
脉冲激光测距机脉宽测量系统主要由激光激励系统、激光器、衰减器、光电探测器和示波器等组成,如图1所示。由于激光测距机中大多采用调Q 技术压缩脉宽,达到提高峰值功率的目的,各类激光测距机中激光脉宽由表1可知,大多处于10ns量级。为了不失真测量激光脉冲宽度,光电探测器负载与示波器的电缆阻抗匹配,并要求示波器频带足够宽。
选用泰克公司 TDS3052C数字荧光存储示波器对探测信号进行采集处理,TDS3052C数字示波器具有500 MHz带宽、5GS/s实时采样率,折合上升时间为70ps,可通过USB接口实时存储脉冲波形。探测器采用美国 Thorlabs公司的 DET10A 和 DET10C光电探测器。DET10系列探测器是便携通用型高速光电探测器性能指标如表2所示。示波器观测到的上升时间t0 是由系统各个单元的上升时间组成的,包括被测激光器上升时间t1、示波器上升时间t2、电缆上升时间t3 如式(1)所示。因为示波器上升时间远小于探测器上升时间,探测器上升时间对整个系统测量波形起重要作用。
激光测距机脉宽处于10ns量级,示波器上升时间70ps,探测器的响应时间为ns级其上升时间决定了示波器观测的脉宽总上升时间。并为了信号不失真,输出阻抗应在全带宽范围内为50Ω,与50Ω同轴电缆匹配连接,从而减少输出信号反射,满足测量激光脉宽要求。
3 脉冲波形测量与分析
3.1 激光脉冲宽度的测量
每种探测器都有一定的光谱响应范围,从表1中可知不同类型激光测机激光波长不同,匹配光电探测器与激光测距机激光,选择 DET10A 对 Nd:YAG 激光测距机激光进行脉宽测量;选择 DET10C对喇曼频移、铒玻璃、OPO激光测距机激光进行脉宽测量,并重复测量n(n ≥10)按式(2)计算脉冲宽度。
3.2 探测器响应对脉宽测量的影响
由于光电探测器探测波长范围、响应度等都是有一定范围图2所示为 DET10A 探测器的光谱响应曲线。在进行脉宽测量时,探测器必须工作在线性工作区域,当探测器工作在饱和区时脉冲顶部会变圆,所以必须加衰减片使探测器工作在线性区域,确保脉冲不失真。 DET10A探测器测量1.06μmNd:YAG 激光测距机脉宽加衰减器和无衰减时脉冲波形,DET10C探测器测量1.54μm喇曼激光测距机脉宽加衰减器和无衰减时脉冲波形,结果显示,探测器工作在非线性区域时,脉冲波形会失真。为使测量的脉宽准确,必须选择合适衰减系数的衰减器。
3.3 探测器上升时间对脉宽的影响
DET10A和 DET10C探测器的上升时间分别为不大于1ns和10ns,用这2种探测器对1.06μm激光测距机激光脉宽进行测量,测量结果显示 DET10A 探测脉宽为12.57ns,DET10C探测脉宽为13.78ns,2种相差1.21ns。结果显示探测器本身上升时间是影响激光脉冲宽度准确测量的重要因素。探测器本身上升时间越大,它对脉宽波形的展宽效应越明显。
4 结 论
通过以上测量实验表明高带宽、高采样率数字示波器结合高速光电探测器可以实现对脉冲调Q 固体激光测距机脉冲宽度的测量,整套系统结构简单、便于观察记录、响应速度快。但是光电探测器和衰减器的匹配直接影响测量脉宽的精度;并且探测器上升时间对系统整个测量误差起重要作用。
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