摘　要:　提出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进行激光测距机最大测程测试,利用精密光电延时与激光回波模拟技术相结合的方法实现对测距机测程范围、测距精度、选通范围及精度、距离分辨力等主要性能参数的室内模拟测试。对测试原理进行了论述,并对激光测距机的实验数据进行了分析。实验结果表明:利用所提出的综合测试技术可实现对脉冲激光测距机多个主要性能参数的准确测试,为客观评价激光测距机的性能提供了可靠的测量数据。

　　激光测距作为应用最早的激光技术已在各领域得到了广泛应用[1-2]。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[3-4],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[5-7],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[8-9]。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[10]、光电消光法[11]和光纤消光法[8]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GJB2241-94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GJB2241-94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。此消光比值与最大测程的关系可以表示为

式中:ρ1为指标规定的实际测距目标的反射率;ρ2为消光试验靶的反射率;R1为最大测程;R2为消光试验时的距离(即500 m);G(R2)为测距机接收电路在距离R2处的增益;Gmax为接收电路的最大增益;τ2为距离R2的大气透过率;τ1为距离R1的大气透过率;F(A)为修正因子。

　　由式(1)可知,只要检测出被试品在距离R2处的消光比值St,以及增益系数比G(R2)/Gmax,即可计算出最大测程R1,即

    为了抗干扰,激光测距机的增益一般是随时间变化的,近距离处大气对激光散射大,放大器增益低,远距离的目标回波小,增益可达到最大。为了达到测距机的计数器关门电压,有关系

式中:Pmin(R2)和Pmin(R1)分别为距离R2处和最大测程时的临界稳定测距功率。因此,只要测出Pmin(R1)/Pmin(R2)的值,即可知增益系数比G(R2)/Gmax。

　　在相同的入射功率下,可以通过光学衰减的方法使测距机达到临界稳定测距状态。设在距离R2时所加衰减器的衰减量为M2,在距离R1时所加的衰减量为M1,则有关系

由式(3)和(4)可得到

取对数得

式中:N1为在相应Rmax下使测距机达到临界稳定测距状态所加的衰减器的衰减量,单位为dB;N2为在R2下使测距机达到临界稳定测距状态所加的衰减器的衰减量,单位为dB。将N2和N1代入式(6)可得增益系数比,再代入式(2)中可计算出最大测程值。

    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,原理框图如图1所示。

　　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。

　　测量时先将脉冲1调到被试测距机指标规定的最小选通距离s1上,在s1附近调节被试品的选通距离同时进行测距,直到测得的刚好都为脉冲2的距离为止。此时,被试品的选通距离指示值为s′1。改变脉冲1的延时使其等于指标规定的距离选通范围的中间值和最大值,记为s2,s3,用同样方法测得s′2,s′3。将被成测机的距离选通值调到最大,记为s′4。调节脉冲1所对的距离值,直到所测距离刚好为脉冲2的距离为止,记此时脉冲1的距离为s4。则可得到距离选通范围为[s1,s4],距离选通精度为Δsi=s′i-si(i=1,2,3,4)。

    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-6.835dB。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。

　　距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。表4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。

参考文献:
[1]　Wang Yang, Wang Qianqian. The application of lidar in detecting the sPACe debris[C]//Proc of SPIE. 2009:71601S.
[2]　王茜蒨,王杨,王海伟,等.激光雷达在舰载光电搜索跟踪系统中的应用[J].光学技术, 2008,34(S1): 151-153. (Wang Qianqian, WangYang, Wang Haiwei, et al. Applications of ladar in shipboard infrared search and track systems.Optical TechNIque, 2008,34(S1): 151-153)
[3]　李松明,徐荣甫,赵长明.智能激光测距机性能测试系统[J].红外与激光工程, 2001,30(4): 211-213. (Li Songming, Xu Rongfu, ZhaoChangming. Intelligent measuring system for performance parameters of laser range finder.Infraredand Laser Engineering, 2001,30(4):211-213)
[4]　Wang Yang, Wang Qianqian. The application of image processing in the measurement for three-light-axis parallelity of laser ranger[C]//Proc of SPIE. 2009:71561R.
[5]　羊毅,陆祖康,胡磊力,等.机载激光测距机测距性能的数值仿真[J].光学学报, 2001,21(1): 75-78. (Yang Yi, Lu Zukang, Hu Leili, etal. Numerical simulation of ranging performance for an airborne laser range finder.Acta Optica Sinica, 2001,21(1): 75-78)
[6]　张雏,沈洪斌,周冰,等.激光测距机最大测程评估方法研究[J].激光与红外, 2008,38(12): 1196-1198. (Zhang Chu, Shen Hongbin,Zhou Bing, et al. Study on evaluating maximum range of laser range finder.Laser and Infrared, 2008,38(12): 1196-1198)
[7]　曾嫦娥,王茜蒨,常岗,等.脉冲激光测距机最大测程测试方法研究[J].红外与激光工程, 2005,34(6): 664-668. (Zeng Chang’e, WangQianqian, Chang Gang, et al. Novel method for maximum range measure of pulse laser range finder.Infrared and Laser Engineering,2005,34(6): 664-668)
[8]　李向军.一种新型激光测距机检测仪[J].应用光学, 2002,23(2): 32-34. (Li Xiangjun. A new tester of laser range finder.Appl Opt,2002,23(2): 32-34)
[9]　胡宾鑫,张梅,殷祖涛.激光测距机测程模拟检测系统的设计已实现[J].计算机测量与控制, 2008,16(5): 619-620, 623. (Hu Binxin,Zhang Mei, Yin Zutao. Design and implementation of range imitation and test system for laser range finder.Computer Measurement andControl, 2008,16(5): 619-620, 623)
[10]　张庆生,沙定国.脉冲激光测距机消光比测试系统精度分析[J].光学技术, 2002,28(3): 236-238. (Zhang Qingsheng, Sha Dingguo.Precision analysis about extinction ratio system of pulse laser range-finder.Optical Technique, 2002,28(3): 236-238)
[11]　孙斌,王小兵,林轶,等.无靶板消光比法检测激光测距能力的研究[J].激光技术, 2004,28(1): 82-84, 87. (Sun Bin, Wang Xiaobing,Lin Yi, et al. Range-finding capability of laser range finder by extinction-ratio measurement without target.LaserTechnology, 2004,28(1): 82-84, 87)

本文作者：王茜蒨,　曾嫦娥,　彭　中
 

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理