智能激光测距机组件检测系统
智能激光测距机组件检测系统
作者:王国富;郭宇;王泰华;刘庆华;陈良益
在激光测距仪、照射、瞄准等激光器组件生产中 ,需要对组件的相关性能参数进行测试 ,包括激光器光束本身的性能特性 ,例如光束的发散角、能量、脉宽等 ,以及激光光轴与发射天线光轴的同轴度、与安装基准的偏差、发射光轴与接收光轴的同轴度等 ,方便激光器组件的辅助装配 ;同时还需要对测距组件的整体性能进行离线测试 ,包括测距功能的模拟、常温性能测试、环境实验和验收、故障检测等. 而现有的激光参数检测仪是针对各参数独立测量 ,没有一个综合的激光参数、功能测试平台 ,不仅测量的准确度、效率低 ,而且测量参数不齐全[629 ] ,这些因素已成为制约激光产品研制、激光瞄准系统性能提高的 “颈瓶”,因此本文研制了一种高准确度的激光测距仪参数综合检测系统 ,能同时实现光轴平行性、光束发散能量、脉宽编码准确度以及天线的视场和灵敏度测试. 系统的角分辨率达 5″,可捕获窄达 100 p s的激光脉冲.
1 系统的功能
激光测距机检测仪系统是一个综合的激光参数及功能自动化测试平台 ,是集光学、精密机械、自动控制、计算机软硬件为一体的综合系统。检测仪共包含上述各功能模块 ,各测量模块排布在防震基准平台上 ,在中心测控计算机的协调下完成测量. 激光辐射器及天线夹持后 ,通过 CCD (红外) 准直校靶镜测量校核两者的光轴偏差 ;能量测试单元完成激光辐射能量的测量 ,束散角测量单元由可变光阑、能量计、CCD 监视系统组成 ,完成束散角的测量 ;时间测量单元由快速二极管和高频示波器组成 ,完成编码准确度及脉冲波形的测试 ;激光微辐射器及双光锲组件完成接收系统灵敏度和视场测试 ;光纤测距系统完成测距功能的实验室模拟测试 ;衰减片完成输入光能和探测器动态范围的匹配 ;洁净电源提供激光辐射器和检测仪的供电 ,同步系统提供整个测试系统的时间基准.
以上各测试模块都具备独立的功能 ,通过 RS2422 总线及 I/ O 等接口和中心计算机相连 ,计算机内扩展有数据采集卡、串口卡、图像采集卡等 ,除光轴对准外 ,所有的操作都是通过操作计算机软件和控制台上的按钮自动完成 ,无须人工干预.
2 激光辐射器光轴和发射天线光轴偏差测量
辐射器光轴与天线光轴偏差测量光路如图 2.此时小角度反射镜退出光路 ,测量由 CCD 校靶镜完成. 校靶镜由准直物镜、分化板、CCD 接收系统等组成 ,安装在精密调整基座上. 分别测量激光辐射器光轴和加装天线后的光轴在 CCD 靶面的位置 ,求出两位置的偏差量Δx 、Δy ,根据望远镜的焦距 f′可求得光轴角度偏差Δθx ,Δθy光轴是光斑最密集的中心. 因此测量一段时间内的Δxi 、Δyi ,统计求中心. 这里可以将Δxi 、Δyi 由小到大排序 ,取中间的Δxi 、Δyi 代入式 (1) 求解光轴与基准偏差. 高分辨率 CCD 的主要技术参数为 :像元数 :2 048 ×2 048 ;像元尺寸 :15μm ×15μm ;像素时钟 :74 M Hz ;根据 CCD 的像元尺寸 ,准直物镜的焦距设计为 1 100 mm ,可保证 5″的角分辨率.
3 接收通道灵敏度和接收视场测量
灵敏度测试系统由激光微辐射器、扩束系统、连续可调衰减片、微功率计、双光锲等组成 ,其中扩束系统固定在精密可调整平台上 ,双光锲结构能够相对转动. 由激光微辐射器的输出功率调节和衰减调节实现通道接收强度的调节及灵敏度测试. 微功率计的功能是实现接收功率的定量测定. 旋转双光锲 ,则双光锲后的输出光束方向微量改变 ,实现接收通道视场的测定 ,视场的具体量值根据光锲的相对旋转角由式 (2) 计算.
δ= 2 ( n - 1)αcos < (2)式中α表示光锲顶角 , <表示光锲的相对转角 , n 表示光锲材料折射率. 根据视场测量要求 ,双光锲的顶角据此式计算. 在测量接收视场之前 ,需首先调整激光微辐射器系统使辐射光轴和接收光轴同轴. 为了测量接收通道的灵敏度 ,需要具备大范围能量连续可调衰减环节 ,拟采用两个偏振衰减片实现 ,偏振片的优点是不会改变光斑强度分布 ,最大调节范围可以达到 100 000 ∶1 ,对旋转控制的准确度要求低.
4 光束发散角测量
所谓光束发散角是指激光束可传输多远的距离而不显著发散开来 ,它也与可聚焦多少能量有关. 在激光许多实际应用中常作为判断光束质量的参数。测量束散角的方法有几种 ,套孔法、刀口法、CCD 拟合法等. 常用的束散角θ测量方法是 :用一个长焦距透镜将被测量光束聚焦后 ,在后焦面上测量焦斑宽度ωf (实际为经过透镜变换后的束腰直径) 。
点线部分表示束散角测试单元 ,由长焦距透镜、可变光阑、能量计、CCD监视系统等组成 ,可变光阑放置在透镜后焦面上 ,而焦斑大小的确定就要用小孔光阑来定 :变换光阑首先使光束无限制的通过 ,测得能量 E0 ;缩小光阑 ,实时测量能量 E ,当 E/ E0 = 0. 86 时 ,光阑的大小即为上式中的ωf . 而光阑的大小由 CCD 监视系统求解 ,通过图像判读、误差修正提高可变光阑测量准确度 ,提高束散角的求解准确度。
束散角测量系统装校完毕后是一个固话的模块. 图 (4) 中对接镜的作用是实现光程的中继和光路对接功能 ,对接镜结构上可实现方位和俯仰的调整.小角度反射镜的功能也是实现光程中继以及衰减 ,实现探测器能量的匹配. 由式 (4) 可知 ,焦距越长 ,发散角测量准确度越高 ,设计取 f = 2 000 mm.
5 能量和时间测量
时间和能量测量主要取决于探测器的性能 ,对光学系统的要求相对较低 ,因此采用漏光取样测量.能量计排布在小角度反射镜后 ,通过尖劈的透射光测量能量 ,这里测量的是能量的相对值 ,通过标定得出激光器输出能量的绝对值. 能量测量取多次测量的平均值。
在系统中能量计作为一个独立的单元模块 ,具备独立的测试功能 ,能够直接和计算机通过 RS2 422 通信 ,读取测量结果.系统中时间测量包括脉冲波形和编码准确度.时间测量采用快速 PIN 管 + 示波器 ,光路排布如图6 ,通过反射镜漏光取样进行测量 . 采用上升沿为p s (10 - 12 s) 量级的快速探测器 (光电二极管) ,将光脉冲信号转换成电脉冲 ;用宽带传输线 (快速电缆)无失真地将电脉冲信号输送到高带宽示波器上. 示波器为 Tetronix TDS6154C ,性能参数为 : 模拟带宽 :15 GHz ;传输速率为 3. 125 Gb/ s ;捕获能力为100 p s ;触发抖动 : ≤1. 3 p sRMS . 示波器进行数据处理 ,实时显示并计算出脉冲波形、宽度、重复频率等时间量. 数字示波器能够和计算机直接通信接口 ,便于测量数据的获取. 时间测量也可以采用光纤取样进行测量 ,通过光纤准直器将光取样输入探测器 ,这样可以缩短探测器和示波器之间的传输电缆 ,有利于宽带信号的无失真传输.
6 测距功能的模拟
测距功能的模拟可以采用两种方式实现 :一是通过光纤传输实现 ;二是通过时间同步延迟实现 ,光纤传输方法.光纤模拟测距由缩束系统、光纤偶合输入、光纤传输、光纤偶合输出、扩束系统等组成. 实现实验室测距功能的模拟 ,根据激光触发时刻和接收组件接收到的经传输后的脉冲时间差Δt 计算光程Δt ×v = l1 + nl2 + l3 (6)式中Δt 为计数器计时间差 ; v 为光速 ; l1 为缩束系统前的几何光程 ; l3 为扩束系统后的几何光程 ; l2 为光纤几何长度 ; n 为光纤芯径的折射率. 由于式 (6)中 v、l1 、l3 、l2 、n 为准确已知量 ,因此可以根据式 (6)校正测距电子系统的计数误差Δt ,提高测距的准确度. 光纤模拟测距系统的关键是光纤准直器和传输光纤的选择 ,并且需要准确知道或测量光纤芯径的折射率.
时间同步延迟实现模拟测距的方法见图 8. 图 8中同步延迟器接收激光辐射器的同步光脉冲 ,经精确延迟后输出触发信号给接收通道的激光微辐射器出光 ,接收组件接收实现模拟测距功能. 在激光测距检测仪中 ,两种测距方式同时使用 ,互为验证.
7 软件设计
软件中的各模块分别完成以下功能 :虚拟仪器操作界面功能集成了仪器操作的虚拟面板 ,包括参数的设置、结果显示、调节、启动等. 通信模块按照约定的通信协议完成主控微机和下级功能模块的数据交换 ,发送指令 ,接收数据 ,仪器自检状态等. 数据库以报表的形式提供产品检测的相关数据 ,包括产品检测的日期、时间 ,产品型号、编号、各参量检测结果、处理意见等 ,并能打印测量参数. 数据库同时还具备检索功能. 图像处理模块完成图像的数字采集、处理、显示等. 其中图像处理是核心功能 ,即采用合适的算法处理图像 ,求解出光斑的中心坐标. 图像处理包括有图像的增强、去噪、编码、重建、分析. 本系统包括的图像处理算法主要有边缘检测、小波分析、曲线拟合等. 系统的主控软件运行在 windows 2000环境下 ,采用流行的 visual C + + 6. 0 作为程序开发语言 ,使软件界面友好 ,功能齐备 ,方便使用 ,扩展容易等.
8 结论
在研究国内外有关技术的基础上 ,以相关军标为依据 ,设计了一套能用现代控制技术和计算机控制技术方便标校的智能化、模块化的激光测距机综合检定系统. 它不仅突破了以往常用的光纤及简易电子学方法检测的局限性[12 ] ,还可以通过更改检测模块来扩展其他波段的检定测试. 除了对整机进行部分性能测试及校准、传递外 ,本设备还可以对有关参量进行快速检测 ,以便更迅速 ,比较全面地评价整机性能. 该设备具有操作方便 ,人眼安全等特点 ,目前已交付使用 ,工作状态良好.
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