激光测距机接收天线的视场和相对孔径
激光测距机接收天线的视场和相对孔径
作者:盂繁印、 毛振翔
在设计激光测距机接收天线时,常常遇到以下几个容易误解的问题:
1、激光测距方程中不包含接收天线的焦距f, 因此接收天线所能接收到的回波功率与焦距无关。在设计中可把进入接收天线的激光束当作平行光处理, 只控制轴上点弥散圆直径就可以了 , 而不必考虑视场。
2、激光探测器(硅光电二极管或雪崩管)上的照度与接收天线的相对孔径平方成正比,即E 心 (D/f) 2 。 因此在设计中应尽量增大接收天线的相对孔径。 在有效通光 孔径D确定之后,应尽扯减小焦距f, 以便增大相对孔径。接收天线接收的是目标上的漫反射激光回波, 因此接收天线与发射天线的轴线 平行度要求不必过高。本文就上述问题作一论述,并推导出选择接收天线的视场和相对孔径的近似公式, 以供参考。
一、 接收天线的视场足够时激光测距方程才能成立
激光接收天线的视场近似为2W=2R/f。既然激光测距方程中不包含R和f,也就可以认为激光测距方程与接收天线的视场2w无关。
其实,上述看法是不对的。为了说清楚这一问题,还得从测距方程的推导过程谈起。
在推导方程的过程中有以下几点假定:
1 • 目标表面积大于激光光斑面积, 整个激光束都照在目标表面上。
2.目标表面为漫反射体,遵从余弦辐射定律。
3.激光发散角趴很小,光束截面 上光强均布。
4.激光发射、接收天线安装在同一点,二者近似为同轴。
如果接收天线的视场过小, 就会有一部分激光能量落在激光探测器的光敏面之外,从而使Pr变小, 上述激光测距方程也就不成立了。因此设计接收天线时必需合理的选择视场。
二、 在有效通光孔径限定之后相对孔径过大带来的缺点
假定接收物镜的通光孔径D值一定, 焦距f值不同。几表示短焦距,f2表示长焦距。激光探测器的光敏面尺寸一定, 分别放在AD位置或A'D'位置。并且近似认为发射天线与接收天线安放在同一点,激光发散角。
由此可以得出一下结论:
在通光孔径一定、接收天线的视场足够的情况下,增大接收天线的相反孔径,能够提高激光探测器局部范围内的照度,但不能增加所接收到的激光回波峰值功率,因而也就不能增大测距距离。这就增大了激光探测器的噪声幅度,使信噪比降低,从而影响激光测距机的探测距离。
噪比降低,从而影响激光测距机的探测距离。另外,减小焦距f也给光学设计带来困难,使设计成本增加。在没有结构尺寸限制 的场合,是不能采用的。
二、 视场和相对孔径的选择
由此可见, 收发天线轴线火角a增大,使接收天线的焦距[显沿变小。 这将给光学设计带来很大困难, 有时甚1是入法实现的。 而且, 由于u增大使视场2 (J)显芯增大, 杂光噪声功率加大, 庄会影响测距。 所以, 在设计接收天线时必需严格控制收、 发天线 的轴线平行度。
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