激光测距机的现场校准
激光测距机的现场校准
作者:崔岩梅;周自力
1 引 言
激光测距仪机在现代军事及民用领域已被广泛应用, 达到很高测距材质[1 ]。其校准多采用基线场的试验性校准, 对天气条件及场地条件要求较高, 而且无法用于现场校准。但是目前激光测距机的现场校准在生产线上有强烈需求, 本文正是针对这一需要, 提出了用于激光测距机主要参数现场校准的技术方案。
激光测距机的主要参数包括: 最大测程、盲区、最小可分辨距离、束散角和重复频率。本文提出的装置即可对这些参数进行全面的现场校准。
2 激光测距机的工作原理
激光测距机的工作原理为: 激光测距机发出激光脉冲的同时, 启动计时电路开始脉冲计数, 发出的激光脉冲碰到目标后其反射光返回激光测距机, 激光测距机接收到返回脉冲的同时关闭计时电路, 时间段内所计脉冲数乘以脉冲周期、再乘以光速即可得到所测距离。
从激光测距机的工作原理可以看出, 只要能对激光测距机的计时电路所需精度校准, 即可对激光测距机校准。
3 激光测距机现场校准
激光测距机现场校准装置原理图如图 1 所示。该装置对激光测距机发出的激光脉冲分光, 一部分用于激光束散角的校准; 一部分用于重复频率的校准; 一部分用于最大测程、盲区和最小可分辨距离的校准。
3. 1 重复频率的校准
装置使用高出激光测距机百倍以上的频率计进行重复频率的校准。采用高速、变换时间精确稳定的光电变换器件, 如雪崩光电二极管 (光电变换时间为n s 量级) 进行光电变换, 再采用校准精度 1×10- 6的频率计进行频率校准。另外泰克的CSA 8000 带有光脉冲输入头, 可以直接进行高精度光脉冲的频率校准。采用 n s 量级的高速光电变换器件, 重复频率的校准不确定度可忽略; 采用校准精度为 1×10- 6的频率计, 则 100 H z 对应的频率不确定度为 100×10- 6= 0. 0001 H z, 精度足够。
3. 2 激光束散角的校准
利用CCD 光束分析仪, 根据国际检测标准, 采用焦距为 1 m 的薄透镜可以进行校准。
因为常规 CCD 探测器靶面像元间距为 10~ 13 Λm , 而绝对误差量在 3~ 5 像元范围内, 则束散角的校准不确定度在 0. 05 m rad 以内, 满足校准要求。 3. 3 距离参数的校准
最大测程、盲区、最小可分辨距离的校准通过精密计数电路对激光测距机的计时电路校准来完成, 校准方法参见 GJB 2274294[2 ]。本装置所使用的计时电路的频率是待测激光测距机频率的 5 倍。由于普通激光测距机的计数脉冲频率为 30 M H z, 该校准装置中的精密计数电路所用频率为 150 M H z。激光测距机它的最大测程因为所测距离太长, 到达的回波光功率太小。
只要测得激光发射至激光接收之间的时间间隔 t, 便可算出 R , 当激光同步采样信号来到时, 延时器打开, 时钟信号发生器发出的脉冲电信号经延时时间 t 后控制激光辐射器发射 Κ= 1. 06 Λm 的半导体激光模拟回波脉冲, 其宽度与测得的测距机光脉冲宽度 ∃ t 相同(展宽可修正)。激光测距机接收到模拟光脉冲后, 经放大处理, 关闭电子门,测距机计数器便可给出所对应的R。改变激光辐射器的光衰减器, 直至激光测距机能测得R 的概率为 60 ◊ , 则该时的激光辐射器的输出光功率即为 P rm in。
相应地, (2) 式中的其它参数均可设法测出, 并代入(2) 式迭代求解 R m ax。
根据测程公式, 在现场天气及测试条件一定的情况下, 只要得到激光测距机的 P rm in , 即可得到R m ax。根据激光测距机发出的脉冲波形模拟反射回波, 使用衰减片模拟回波损失, 调整精密计时电路的脉冲数目,根据国、军标的校准方法得到 P rm in。
盲区的校准及最小可分辨距离的校准同样是通过调整精密计时电路的脉冲数目, 根据国、军标的测试方法校准。测距机的盲区是测距机的性能之一, 盲区是由时序增益控制电路影响的, 即为躲避近距离强大气散射使放大器饱和(堵塞) , 在发射激光的起始一段时间内, 放大器增益趋于零。为此, 使用激光测距机校准装置, 适当改变延迟时间, 直至激光测距机计数电路有距离计数, 对应距离数即盲区距离值。
时钟间隔 ∃ t 内接连发射多个时钟脉冲, 便可考核激光测距机多目标选择能力, 改变 ∃ t 值, 便可测得测距机的最小可分辨距离。
激光测距机距离参数盲区、最小可分辨距离的校准中, 均是采用时间延时来仿真距离实现的, 所以校准精度主要体现在现场校准装置的延时控制上。由于激光测距机的测距原理也是时间控制, 且脉冲频率为30 M H z (对应 5 m 的计数分辨率) , 校准装置的时钟若为 150 M H z, 则对应的校准计数分辨率为 1 m。除电路引入的误差外, 其他校准设备引入的误差均很小, 在修正系统误差的条件下, 达到 3 m 的校准精度是完全可行的。
4 误差分析
激光测距机现场校准系统的系统误差来源主要包括, 延时电路的计数器频率误差、大气光速误差、光电延迟误差以及电路和激光器触发等延迟误差等。
激光测距机现场校准系统的随机误差来源主要有, 延时电路的计数器量化误差、晶振频率稳定度、电路的温漂、回波模拟误差以及校准设备的随机误差等。
5 结 论
由于该测试装置方便、实用, 测试方法简单、可靠, 可以在激光测距机的生产线上及激光测距机的使用现场随时随地的校准, 且不受天气条件的影响, 因此具有广阔的应用前景。
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