脉冲激光测距机中钟脉冲宽度及相位对测最结果的影响
脉冲激光测距机中钟脉冲宽度及相位对测最结果的影响
李尊民
脉冲激光测距机是利用激光脉冲至目标往返的时间来测定距离的。 由于它可以对多种物体(房屋、树木、舰船、云层等)直接进行测距,能迅速得到测鼠结果,所以在气象、导航,特别在 军事上有重要的使用价值。 作为一种测狱工具,了解其含有的误差规律性,从而在设计制造和 使用中予以考虑,力求测量·结果更准确可靠,这是个值得研究的间题。我们在使用中发现:对同一个目标测距多次,其读数平均值是较稳定的;多数情况下这个 平均值比目标真实距离偏远一些; 而且各不同距离读数出现次数占总测读次数的百分比也具 有相对的稳定性。 这促使我们去思考:它是不是属千共同的规律性的东西?为什么会是这样?“我们的实践证明:感觉到了的东西,我们不能立刻理解它,只有理解了的东西才更深刻地 感觉它。“通过对以往实践结果的分析总结,使我们在认识上前进了一步,更体会到毛主席这一 教导的伟大意义。
下面就谈谈分析的结果。
一、被测时间间隔为常量的情形
我们要研究的脉冲激光测距机是采用脉冲计数法来测量两个脉冲(发射与回波)之间的时 间间隔, 然后显示出相应的距离读数的Q 这种方法的方框图如图1。 钟频振荡器产生重复周期很稳定的钟脉冲;被测时间间隔为标的两个脉冲信号加至电子门,其第一个脉冲S1e打开电 子门,第二个脉冲S。关闭电子门;脉冲计数器记下在此期间通过的钟脉冲个数刀;显示器显示 出时间间隔的测读值tc= 'YJT, T为钟脉冲周期。(或直接显示成距离读数,由于二者的差别仅 在千一个比例常数,本文以下只将其做为时间量来分析。)一般测距机中,钟脉冲与被测信号是不同步的,脉冲还具有一定宽度,这里分析一下它们对测距结果产生的影响。
加至电子门的被测信号岛、Su及其时间间隔tB。按照常见的实际电路结构,811;、s!I 是分别由激光脉冲发射信号(所谓主脉冲或参考脉冲)和回波信号经过放大、 整形后去触发一个脉冲形成电路(常用单稳触发器)所得到的, 因而它是幅度形状都很稳 定的、很接近千矩形的脉冲信号。 当然由千噪音、信号起伏等等因素,使S"'、 Sv之间的时间间 隔ta并不严格等于激光脉冲至标往返经过的时间间隔t。心相应于目标真实距离),但我们 可以先就杻为常星的情形进行分析,找出距离读数与钰之间的关系,再在第二部分来讨论tB 为随机蜇的情形。这里认为一个钟脉冲只需有很小部分通过电子门,它就能被记入。
实际的钟脉冲信号一般不是理想的矩形,例如图3, 但要驱动电子计数器计数必须有一定的能屈,由于钟脉冲的幅度及形状是一定的,因而可以在其 波形上确定两个点Q及H, 使得:O对于最邻近电子门开启时刻的那一个钟脉冲,若其波形上的H点未落到电子门 开通时间内,则该脉冲就不被计数器计入;若H点落到了电电子门开通时间内, 它就被计入;@对于最邻近电子门关 闭时刻的那一个钟脉冲,若其波形上的Q点已落在电子门开通时间内, 该钟脉冲就能被计数 器计入;否则,就不被计入。 这样,Q、 H 点就分别相当于理想矩形脉冲的前、后沿。
综上所述,得结论:
测读值to的数学期望不等千被测时间间隔tn, 二者差一个钟脉冲宽度己所以实际 工作中应取多次测读值tc的算术平均值修正(减去)钟脉冲宽度 T 以后作为对tn的测量结果。 (2)钟脉冲相位(时间t1)可以造成单次测读值有一个钟脉冲周期T的误差,但若取多次测读值的算术平均值,则由它引起的误差将随测读次数的增多而趋于零。
二、 被测时间间隔为随机量的情形
在测距机实际测距的过程中,由千噪音或信号起伏等因素使加至电子门的二个开关脉冲 信号之间的时间间隔tB不等千目标真实距离相应的时间间隔t。而含有随机的变动,这种随机成分将反映到测读值中来,但测读值只能取一系列的离散数(即n取整数),因此就有一个从被 测时间间隔的统计特性(它一般是连续的随机量)推算出测读值的统计特性(它是离散的随机 扯)的问题。下面研究这种换算方法。
三、结语
毛主席教导我们:“马克思主义的哲学认为十分重要的问题,不在干懂得了客观世界的规律性,因而能够解释世界,而在千拿了这种对千客观规律性的认识去能动地改造世界。”综合前面的分析,我们认为下面几点可供今后实践中参考:
1. 在电路设计上应力求使用较小的钟脉冲宽度t工作;并应测出仪器实际的 T 值以便修正。
2. 使用中若要得到较精确的目标距离数据,可对目标测距多次取其算术平均值并修正 T值之后作为测量结果。
3. 对同一 目标测距多次后计算出各距离读数出现次数所占的百分比,有时能从中多得到 一些信息(例如曾经由此发现了两个在距离上比较邻近的目标,发现过仪器装调中的缺陷)。
通过对已往实践的总结,使我们对这一事物有了一些认识,但还很肤浅,新产生的问题还 很多,例如概率分布密度叭吩等问题,都有待将来在实践中进一步去认识和解决。
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