脉冲激光测距机性能综合测试技术
脉冲激光测距机性能综合测试技术
作者:王茜蒨;曾嫦娥;彭中
激光测距仪作为应用最早的激光技术已在各领域得到了广泛应用 。为了客观评价激光测距机的性能 ,需对激光测距机的性能参数进行测试。目前对测距机部件静态参数 (如发射能量、脉冲宽度、束散角和多光轴平行性等) 的测试技术已相当成熟 ,而对于反映测距机整机性能的还主要集中在对最大测程的检测上 ,此外只见到对测距功能、测距精度以及有效束散角等参数进行检测的报道 。常用的最大测程检测主要有实际测距法和消光法 ,其中消光法又分为室外消光法 、光电消光法 和光纤消光法等。相比较而言 ,实际测距法直接客观 ,在测距机的生产与鉴定中最常使用 ,但需要的空间大 ,成本高 ,干扰因素多 ,测量结果可比性差。消光法是通过在激光测距机的发射或接收光路中加入光学衰减器来模拟大气传输及目标距离改变对激光的衰减效果 ,从而模拟检测激光测距机最大测程。该方法受外界因素影响小 ,标准公认 ,但无法得到最大测程的绝对值 ,只适合于对批量产品进行比对检测 ,存在一定的局限性。本文以国军标 GJB2241294 为检测依据 ,对包括最大测程测试在内的激光测距机性能综合测试技术进行了研究 ,提出了利用 500 m 室外消光法与室内时序增益系数比检测相结合的最大测程测试方法 ,以及利用光电延时和激光回波模拟器对脉冲激光测距机的测程范围、测距精度、选通范围及选通精度、距离分辨力等参数进行检测的室内半实物仿真测试方法。
1 测量原理
1. 1 最大测程测量原理
根据国军标 GJB2241294 规定 ,脉冲激光测距仪的消光比测试需采用 500 m 室外消光法。即在距被试激光测距机 500 m 处架设一个漫反射大目标靶 ,在测距机发射光路中加入衰减器 ,瞄准靶后测距 ,改变衰减器的衰减值直到临界稳定测距状态为止 ,此时衰减片的衰减分贝值即为被试测距机的消光比 ,记为 St 。
1. 2 室内半实物仿真检测原理
由于脉冲激光测距机是通过测量激光脉冲的传输时间来计算目标距离的 ,因此可利用将被试测距机发出的测距脉冲经过适当的延时后再被此测距机接收进行测距的方法 ,在室内检测被试测距机与测距有关的性能指标 。
将被试测距机发出的测距脉冲转换成电信号 ,经过适当的精密延时后 ,触发激光回波模拟器发射激光脉冲再被此测距机接收进行测距。延时器的延时时间可通过计算机控制 ,采用两个激光回波模拟器来模拟两个不同距离目标的激光回波信号。
通过改变延时时间来仿真不同的测距距离 ,被试测距机能够正确测量的最大和最小距离值 ,即为不考虑被试品接收机灵敏度时的测程范围。
由被试激光测距机的一个发射激光脉冲经过延时后产生两个激光回波模拟脉冲 ,利用被试激光测距机的距离选通功能排除对脉冲 1 的测距。改变脉冲 2 与脉冲 1 之间的延时时间 ,能稳定测量脉冲 2 时所对应的距离间隔的最小值 ,即为被试激光测距机的距离分辨力。
先利用延时产生一个激光回波脉冲仿真距离为 R1 的目标 ,再改变延时时间产生一个仿真距离 R2 的激光脉冲 ,使 R2 = R1 ±ΔR ,被试测距机能正确分辨出的ΔR 的最小值 ,即为被试品的测距精度。
由被试激光测距机的一个发射激光脉冲经过延时后产生两个激光回波模拟脉冲 ,脉冲 1 仿真目标 1 的激光回波 ,脉冲 2 仿真比目标 1 更远的目标 2 的激光回波。脉冲 1 和脉冲 2 之间的时间间隔应大于被试测距机的最小分辨距离对应的时间间隔。
2 测量结果及分析
利用该测试系统对手持激光测距机进行室外消光比和室内时序增益系数比 ,以及测程范围、测距精度、距离分辨力、选通范围及精度等参数测试。其中 ,室外500 m处的消光比测试数据见表1 ,实验中共测试了5组数据 ,每组测距 20~30 次 ,回波率是指能够准确测距的比例。满足准测率大于 90 %的消光比值为 26. 837dB。增益系数比测试数据见表 2 ,实验中共测试了 9组数据 ,每组测距 10 次计算准测率。
通过内插可知满足准测率大于 90 %的消光比值分别为 17. 649 和 24. 484 dB ,因此增益系数比为 - 6. 835 dB。将测量数据代入式 (2) 中计算 ,其中目标的反射率取 0. 2 ,靶板反射率为 0. 837 ,消光比测试时的能见度为20 km ,可得到该测距机对于大目标 ( F( A ) = 1) 的最大测程为 6. 82 km ,与该测距机最大测程相符。
离分辨力的测量数据见表 3 ,目标 1 距离设置为1 000 m ,选通距离设置为 1 005 m。每一个设定距离测量 7 次 ,共测量了 5 组数据。从实验数据可知 ,当两个目标间隔 20 m 以上时 ,测距机可准确测距 ,当间隔为 19 m 时 ,测距基本准确 ,因此该测距机的距离分辨力为19 m。由于设定距离改变 1 m ,测距结果即可反映出来 ,因此 ,该测距机的测距精度为 ±1 m。
选通范围和精度的测量数据见表 4。考察最小选通距离时 ,选通距离设置为 63 m ,目标 2 距离设置为 200 m ,改变目标 1 距离并进行测距。考察最大选通距离时 ,选通距离设置为 4 080 m ,目标 2 距离设置为 4 200 m ,改变目标 1 距离并进行测距。每一个设定距离测量 10 次 ,共测量了 5 组数据。
实验结果表明 ,该测距机的距离选通范围为[ 61 m ,4 078 m ] ,最小选通距离以及最大选通距离处的选通精度均为 2 m。同时 ,从测量数据中也能看出 ,该测距机的测距结果有 3 m 的系统误差。
3 结 论
通过本文分析可知 ,利用室外消光法与室内时序增益系数比检测相结合的方法 ,可较准确地测试测距机的最大测程 ;利用光电延时与激光目标回波模拟器相结合的方法 ,可实现对测距机的距离分辨力、测距精度、选通范围及精度等主要性能参数的室内半实物仿真测试。并且 ,通过随机改变延时时间 ,还可考察测距机对动目标的测距能力。运用此综合测试技术可将激光测距机的多个主要性能参数测试集成到一个测试系统中 ,并且测量精度高 ,重复性好 ,试验效率高 ,操作方便可靠 ,为客观评价激光测距机的性能指标提供了可靠的测量数据。
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