智能激光测距机性能测试系统
智能激光测距机性能测试系统
作者:李松明;徐荣甫;赵长明
1 引 言
某激光雷达 ,它能够远距离探测、跟踪目标 ,并能测出目标的距离。此系统与微波雷达一起工作 ,能取长补短 ,提高武器系统的战斗力。激光雷达的测距功能由波长 1. 06μm 的激光测距仪机实现。在研制过程中 ,需及时检测激光光束的各种性能参数 ,以判定产品是否合格。
2 技术要求
按产品技术文件和用户要求 ,此系统应能自动捕获激光脉冲并检测出如下性能参数 :
(1) 激光发射通道光轴与基准轴的平行度 ,角度分辨率优于 10″;
(2) 激光辐射脉冲波形的半宽度、峰值等 ,激光脉冲宽度分别为 10ns、20ns、30ns、50ns、70ns、100ns ;
(3) 激光脉冲能量 ;
(4) 激光光束的发散角。
3 系统框图及工作原理
激光脉冲经一光阑孔入射到置于黑盒子内的分光光学系统。为测出同一脉冲的上述各参数 ,采用分光技术将光束一分为三入射到三个接收装置上。激光能量计探头接受激光脉冲并转换为电压信号送给激光能量计 ,能量计给出脉冲能量。计算机通过 RS2232 串行口与能量计连接通讯 ,完成对能量计的自动控制 ,并自动将测量结果输入计算机存储、显示。激光能量计由美国一公司生产 ,主要技术指标为 :
(1) 工作波段 :0. 18~20μm ; (2) 最大探测量 :10. 0J ; (3) 最小探测量 :100μJ ; (4) 校准精度 : ±5 % ; (5) 最高重复频率 :40Hz ; (6) 最大可测脉宽 :1. 0ms。
纳秒探头是进口的纳秒光电探测器。它将激光脉冲转换成对应的电压脉冲并输入 Tektronix 公司生产的 350MHz 数字式示波器 ,示波器测出电压脉冲的半宽、峰值等需要的光束性能参数。计算机通过IEEE2488 接口同示波器连接 ,可自动完成对示波器量程、时基、触发方式、测量项目等方面的控制 ,同时将测得的脉冲参数输入计算机存储、显示。纳秒探测器的技术参数为 :(1) 工作波段 :800~1000nm ; (2) 上升时间 :1ns ;(3) 输出阻抗 :50Ω ,10kΩ; (4) 灵敏面 : <0. 1mm。
计算机通过一 PCI 图像采集卡与上述 CCD 连接 ,并以 12 幅/ s 的速度采集图像输入计算机。图像处理软件自动控制图像采集 ,并计算出光束发散角、光轴偏角 ,然后将结果显示于计算机屏幕并可存储测量结果。高分辨率 CCD 的主要技术参数为 :
(1) 像元数 :1300 ×1030 ; (2) 像元尺寸 :6. 7μm ×6. 7μm ; (3) 数据分辨率 :10 位 ; (4) 像素时钟 :20MHz。
根据CCD 像元尺寸 ,合理选取光学系统焦距 ,可保证 10″的角度分辨率。
4 关键技术分析
激光测距机发射的不是连续波 ,而是以一定频率发射的间断脉冲。上述系统硬件设计完成后 ,如何设计系统软件 ,保证三个接受装置均能准确无误地捕获到每个激光脉冲 ,是系统成败的关键。同步上述三个接收装置的采样和测距机的激光发射是不漏测激光脉冲的前提 ,可采用内同步或外同步两种方法。
4. 1 外同步技术
如果测距机能在发射激光的同时 ,对外输出脉冲电信号 ,则可用此电信号作为三个接收装置的采样同步信号 ,即用此脉冲信号作为三个装置的采样触发信号 ,这是一种既简单又可靠的方法。若测距机未给出同步电信号 ,则可引入附加同步信号发生装置 ,即在光路中 ,每个接收装置附近安装一光电接收装置 ,用其输出的脉冲电信号作为采样触发信号。这种方法的缺点是需要增加新的硬件。
4. 2 内同步技术
如果难以获得外同步信号 ,则可采用内同步方法。即根据每个接收装置探测到的信号大小 ,判断是否收到了激光脉冲 ,并决定是否进行测量。这种方法不需外部信号 ,关键在软件设计。我们用 PC 机固有的定时器 ,用中断的方法实现内同步测量。三个测量装置的中断服务程序流程图。根据激光脉冲的发射频率 ,适当选择定时器的时间常数 ,可以保证不漏测激光脉冲。
5 研制结果
此测量系统已通过验收 ,各项性能指标均满足设计要求 ,并已交付用户使用。其控制软件由 WIN32平台开发而成 ,界面美观、友好 ,使用方便 ,用户反映良好。
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