激光目標(biāo)運(yùn)動模擬器的校準(zhǔn)技術(shù)

吳 平

(上海無線電設(shè)備研究所，上海 200090)

0 引 言

激光雷達(dá)具有分辨率高、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、機(jī)動性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但最突出的優(yōu)點(diǎn)是它能夠直接提取激光目標(biāo)的三維幾何信息和激光回波信號的強(qiáng)度信息，并生成強(qiáng)度像和距離像，利用強(qiáng)度信息和距離信息構(gòu)成了目標(biāo)完整的三維位姿信息[1]。近年來，激光雷達(dá)技術(shù)研究的不斷深入，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在激光雷達(dá)、空間目標(biāo)探測、制導(dǎo)武器領(lǐng)域等技術(shù)研究和工程應(yīng)用，已經(jīng)成為各國軍事界和科研人員的重視和關(guān)注的焦點(diǎn)。由于激光雷達(dá)技術(shù)的研究投入巨大，通常在研制激光雷達(dá)實(shí)物之前需先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和論證研究，預(yù)測將要研制的激光雷達(dá)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，評價(jià)總體方案的可行性。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來逼真地復(fù)現(xiàn)雷達(dá)回波信號的動態(tài)過程是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字模擬技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。模擬的對象是激光雷達(dá)的目標(biāo)和環(huán)境，模擬的手段是利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)的設(shè)備，模擬的方式是“復(fù)現(xiàn)”蘊(yùn)含雷達(dá)目標(biāo)及目標(biāo)環(huán)境信息的激光雷達(dá)信號。實(shí)驗(yàn)室激光目標(biāo)運(yùn)動模擬器是激光雷達(dá)目標(biāo)探索技術(shù)研究中具有必不可少的綜合測試設(shè)備，它能在室內(nèi)有限空間里模擬實(shí)際空間的激光運(yùn)動目標(biāo)的方位、俯仰和距離等三維幾何信息的激光回波信號。在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下對激光雷達(dá)系統(tǒng)后級進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試；驗(yàn)證激光探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性；用作為激光雷達(dá)跟蹤裝置、激光目標(biāo)探測系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)研究及產(chǎn)品的調(diào)試測量、測試驗(yàn)收和技術(shù)性能評估。通常激光雷達(dá)目標(biāo)信號模擬器等這類綜合測試設(shè)備系統(tǒng)的計(jì)量檢定采用各分量參數(shù)分別測試，較難體現(xiàn)綜合參數(shù)的實(shí)時(shí)性和完整性，使得對激光雷達(dá)目標(biāo)信號模擬器的檢定評估較為復(fù)雜[2-3]。基于計(jì)算機(jī)的激光雷達(dá)仿真系統(tǒng)逐漸完善，對激光雷達(dá)信號模擬器的技術(shù)性能指標(biāo)、準(zhǔn)確性和可靠性等的參數(shù)的考量有了更高要求。迫于這樣的需求，對激光雷達(dá)信號模擬器綜合參數(shù)的測試計(jì)量、校準(zhǔn)檢定的技術(shù)研究是必須的。

1 激光雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動模擬器

某激光實(shí)驗(yàn)室采用一種主動式激光雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)模擬器，由模擬激光雷達(dá)目標(biāo)回波的合作光標(biāo)、二維模擬目標(biāo)運(yùn)動平臺和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)等組成，能夠在室內(nèi)有限空間模擬遠(yuǎn)處激光目標(biāo)的光輻射回波，模擬目標(biāo)的空間位置和方位、俯仰、距離三個(gè)方向上的角速度和角加速度的動目標(biāo)特性[4-5]，其位姿信息變化連續(xù)可調(diào)。圖1為主動式激光雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)框圖。

圖1 激光雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)框圖

目標(biāo)模擬系統(tǒng)工作時(shí)根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)要求，由計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)通過CAN總線實(shí)時(shí)的發(fā)出目標(biāo)航路指令，激光脈沖發(fā)生器將目標(biāo)距離信息(z)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)距離相對應(yīng)的延遲回波脈沖信號，控制激光源發(fā)射激光脈沖；運(yùn)動伺服系統(tǒng)將目標(biāo)位置信息(x,y)轉(zhuǎn)換成控制信號驅(qū)動激光合作光標(biāo)在目標(biāo)運(yùn)動平臺內(nèi)作二維運(yùn)動和定位；從而模擬了激光運(yùn)動目標(biāo)的三維空間位姿的方位角(α)、高低角(β)、距離(γ)及其運(yùn)動軌跡，如圖2所示。

圖2 目標(biāo)運(yùn)動軌跡

2 雙通道非掃描校準(zhǔn)系統(tǒng)

運(yùn)動目標(biāo)模擬裝置模擬飛行目標(biāo)，不僅逼真地反映真實(shí)目標(biāo)的空間位置，還體現(xiàn)目標(biāo)的運(yùn)動姿態(tài)。如上所述，激光目標(biāo)運(yùn)動模擬器由激光合作光標(biāo)、二維模擬目標(biāo)運(yùn)動平臺和計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)等組成，各組成部分都經(jīng)過了嚴(yán)格的測試，但是組合起來后的總體性能仍然難以用各分部件的測試結(jié)果準(zhǔn)確地得出，因此對激光目標(biāo)模擬器進(jìn)行整體性能的測量、校準(zhǔn)成為必要。圖3為雙通道非掃描測量校準(zhǔn)系統(tǒng)圖，由光學(xué)系統(tǒng)、APD探測、CCD成像、位姿解析等組成[6-7]。

圖3 雙通道非掃描測量校準(zhǔn)系統(tǒng)圖

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)部分起到光信號的處理和傳遞作用，由光學(xué)透鏡、分光棱鏡、CCD、APD等器件組成。激光目標(biāo)模擬器出射光束，經(jīng)光學(xué)變焦透鏡進(jìn)行聚焦，在平行光管處靠近焦平面處放置一個(gè)分光鏡，將光學(xué)圖像分成主、次兩通道，形成雙通道光學(xué)探測系統(tǒng)，如圖4所示。主通道上在平行光管處焦平面上安置一個(gè)CCD探測器，由CCD探測出各像素點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)不同位置的入射光信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理后送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行精準(zhǔn)定位[8-10]；次通道上在分光鏡后放置一個(gè)APD探測器，由APD探測器測得光功率譜中含有目標(biāo)距離的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)采集進(jìn)入接收信號處理電路中，利用飛行時(shí)間法計(jì)算出目標(biāo)的絕對距離值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的一維距離信息的非掃描測量[11]。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

2.2 APD測距

對于非掃描激光雷達(dá)的APD測距，在模擬目標(biāo)運(yùn)動范圍內(nèi)的光脈沖輻射位置對應(yīng)于整個(gè)APD探測器的接收視場，每個(gè)位置上的激光脈沖光束在探測器上都可以接收到，從而得出距離信息。針對雙通道探測模式的關(guān)鍵技術(shù)之一是基于APD雪崩光電二極管的非掃描激光探測系統(tǒng)，APD探測器對納秒級脈沖激光束作為激光目標(biāo)的回波進(jìn)行探測，利用飛行時(shí)間法(Time of Flight，TOF)實(shí)現(xiàn)一維距離信息的非掃描測量。TOF飛行時(shí)間法實(shí)現(xiàn)距離測量，根據(jù)發(fā)射和接收光脈沖之間的時(shí)間差，計(jì)算出待測目標(biāo)的實(shí)際距離，根據(jù)下式計(jì)算出被測目標(biāo)的實(shí)際距離：

D=CΔT/2

(1)

式中：D表示所測距離；ΔT為時(shí)間差；C為光速。

被動式激光脈沖的測距系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。當(dāng)時(shí)基同步信號激勵到達(dá)APD測距系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，激光目標(biāo)模擬器根據(jù)仿真距離延時(shí)觸發(fā)激光光束作為回波信號經(jīng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)匯聚到APD上，APD將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過放大、整形以后進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集、時(shí)間鑒別測量模塊，通過測出回波信號與同步信號間的時(shí)間延遲并計(jì)及目標(biāo)模擬器的固有時(shí)間延遲，得到激光回波束到達(dá)APD測距系統(tǒng)的、精確的時(shí)間延遲值，計(jì)算出模擬激光目標(biāo)的絕對距離值，波形如圖6所示[12]。

圖5 APD測距系統(tǒng)框圖

圖6 目標(biāo)時(shí)間延遲測量波形

激光測距系統(tǒng)的測量精確度主要依賴于激光脈沖的上升沿、接收通道的帶寬、APD探測的信噪比和時(shí)間間隔測量精確度。從分析激光飛行時(shí)間T出發(fā)，精確穩(wěn)定地控制計(jì)時(shí)的起止時(shí)刻和精確測量延時(shí)時(shí)間ΔT，它們各自具備對應(yīng)的時(shí)刻鑒別單元和時(shí)間間隔測量單元。由于激光脈沖在空中傳輸過程中會產(chǎn)生衰減和畸變，進(jìn)而導(dǎo)致接收到的激光脈沖與發(fā)射激光脈沖在形狀和幅度上都有很大改變，這就會對起止時(shí)刻的精確測定帶來困難。輸入噪聲引起的時(shí)間抖動也是影響測量精度的一個(gè)原因。所以正確設(shè)計(jì)時(shí)刻鑒別單元以達(dá)到消除、減小漂移誤差和時(shí)間抖動等因素是激光脈沖測距技術(shù)的設(shè)計(jì)重心之一。

2.3 CCD位置檢測

在模擬激光目標(biāo)運(yùn)動范圍內(nèi)，目標(biāo)光束輻射的每個(gè)位置對應(yīng)于CCD探測器的接收視場內(nèi)位置上的像素位置。目標(biāo)光束輻射源通過光學(xué)成像透鏡系統(tǒng)對能量會聚、濾波并照射到探測器的光敏面上，示意圖如圖7所示。

圖7 CCD方位角測量原理圖

CCD的功能主要是通過測量目標(biāo)的角位移來確定目標(biāo)的方位角的。由圖7原理圖，根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以得到:

(2)

式中，α為被測目標(biāo)相對于傳感器的方位角;x為目標(biāo)在傳感器上的成像位置;x0為目標(biāo)在方位角為0°時(shí)在傳感器上的成像位置;a為成像距離。

同理可以得到：

(3)

式中：β為被測目標(biāo)相對于傳感器的高低角；y為目標(biāo)在傳感器上的成像位置；y0為目標(biāo)在俯仰角為0°時(shí)在傳感器上的成像位置。CCD位置檢測的功能是對前置光學(xué)系統(tǒng)形成的光學(xué)圖像進(jìn)行采集,并以圖像的形式存儲在計(jì)算機(jī)中,確定面陣CCD像敏元和所采集的圖像像素之間的對應(yīng)關(guān)系,對于圖像上指定的點(diǎn)就能在CCD面陣上能找到相應(yīng)的像敏元[13-14]。 但是圖像采樣的像素點(diǎn)與探測器的光敏元沒有確定的對應(yīng)關(guān)系,因而必須設(shè)計(jì)出一種新的電路,它能產(chǎn)生一個(gè)帶有標(biāo)志線的圖像信號,該標(biāo)志線在CCD面陣上的像敏元位置已知,通過圖像板對這個(gè)圖像信號采樣,得到一幅圖像,針對此圖像進(jìn)行分析找到標(biāo)志線所在的像素,這樣將圖像上標(biāo)志線的位置與CCD上像敏元的位置相比,得到一個(gè)常量,通過這個(gè)常量我們就可以將圖像上的像素點(diǎn)與CCD面陣上的像敏元一一對應(yīng)起來。圖8表示出了CCD面陣和圖像像素的對應(yīng)關(guān)系。

圖8 CCD面陣與圖像像素的對應(yīng)關(guān)系

水平比例常數(shù):

垂直比例常數(shù)：

不難知道水平常數(shù)constH和垂直常數(shù)constV的值是與CCD的分辨力、讀出時(shí)鐘和圖像采集板的設(shè)置有關(guān)的。在相同條件下，只要得到這2個(gè)常數(shù),就可以確定任何一幅圖像與CCD面陣像敏元的映射關(guān)系，即可確定被測目標(biāo)相應(yīng)的位置。激光目標(biāo)回波光束通過光學(xué)系統(tǒng)后并對其進(jìn)行準(zhǔn)直、整形后形成一個(gè)圓形光束，此光束成像到CCD有效光敏面上，通過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)處理得到實(shí)時(shí)的光斑位置變化信息[15]。光斑位置測量時(shí)，先將CCD檢測系統(tǒng)調(diào)整到設(shè)定的工作距離上(此距離由光學(xué)鏡頭參數(shù)和測量精度決定)，并調(diào)整測試臺支架使合作目標(biāo)光點(diǎn)成像到CCD光敏面的中心位置，當(dāng)激光目標(biāo)位置發(fā)生移動后，CCD感應(yīng)的像點(diǎn)發(fā)生變化。此變化反映了被測激光目標(biāo)的位移量，在此基礎(chǔ)上通過已產(chǎn)生的測量標(biāo)志線脈沖,精確測定標(biāo)志脈沖的位置,得到表征圖像像素和CCD像敏元對應(yīng)關(guān)系的水平和垂直比例常數(shù)constH、constV，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理可得到激光目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)及其運(yùn)動軌跡[16-17]。

2.4 位姿解析及計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)

目標(biāo)位姿參數(shù)解析處理是利用位置測試數(shù)據(jù)、距離探測數(shù)據(jù)，完成目標(biāo)方位角、俯仰角、距離和速度的計(jì)算。APD 和CCD兩路測試數(shù)據(jù)以數(shù)字信號經(jīng)總線傳輸至校準(zhǔn)系統(tǒng)的內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)通過與存儲器的接口讀出存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行位姿解析綜合處理。結(jié)合二組數(shù)據(jù)可以得出運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動信息，確定目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。視角變動速度和距離運(yùn)動速度通過目標(biāo)的空間位置信息的微分處理得到。最后計(jì)算出方位角(α)、俯仰角(β)、距離(γ)和速度ν，獲得激光雷達(dá)模擬目標(biāo)運(yùn)動的位姿參數(shù)，校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的軟件主要流程如圖9所示。計(jì)算機(jī)處理軟件包含數(shù)據(jù)采集與處理程序，主要完成以下幾方面的工作：數(shù)據(jù)采集、位姿解析、數(shù)據(jù)比對及存儲。運(yùn)動目標(biāo)速度的計(jì)算激光雷達(dá)目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件還需具有系統(tǒng)參數(shù)輸入、測量數(shù)據(jù)位姿參數(shù)保存、輸出校準(zhǔn)結(jié)論、顯示目標(biāo)運(yùn)動軌跡并打印校準(zhǔn)測試報(bào)告等功能。

圖10是激光運(yùn)動目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)系統(tǒng)無前端探測設(shè)備的半實(shí)物數(shù)值仿真的校準(zhǔn)測量軌跡曲線。激光目標(biāo)模擬器運(yùn)動軌跡的控制信號作為校準(zhǔn)系統(tǒng)的期望運(yùn)動軌跡，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得激光模擬目標(biāo)在空間虛擬的運(yùn)動信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和位姿解析得到校準(zhǔn)測量的運(yùn)動軌跡。校準(zhǔn)系統(tǒng)工作時(shí)，由激光運(yùn)動目標(biāo)模擬系統(tǒng)發(fā)出預(yù)設(shè)目標(biāo)運(yùn)動的航路指令，通過CAN總線傳至系統(tǒng)作為實(shí)時(shí)目標(biāo)位姿的測量校準(zhǔn)基準(zhǔn)，將系統(tǒng)處理計(jì)算的位姿參數(shù)與測量校準(zhǔn)基準(zhǔn)比對同一時(shí)刻的期望軌跡參數(shù)和實(shí)際測量軌跡參數(shù)，引入測量不確定度理論分析法，計(jì)算隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差等測量不確定度分量，分析其對系統(tǒng)校準(zhǔn)測量的影響，從而對被校激光目標(biāo)模擬器的參數(shù)性能的評估，正確評估被校準(zhǔn)的激光目標(biāo)模擬器準(zhǔn)確度和可靠性，實(shí)時(shí)顯示和輸出模擬目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)結(jié)論。

圖9 校準(zhǔn)測試系統(tǒng)軟件流程

圖10 校準(zhǔn)測量軌跡

3 結(jié) 語

研究激光模擬目標(biāo)空間位置變動和運(yùn)動軌跡特征，將光學(xué)系統(tǒng)、CCD圖像系統(tǒng)、APD測距及計(jì)算機(jī)位姿處理系統(tǒng)結(jié)合起來，開發(fā)測量校準(zhǔn)軟件，實(shí)現(xiàn)模擬激光目標(biāo)位姿(即：方位、俯仰方向上的視線角變化和距離方向的變化)的測量和校準(zhǔn)，獲得激光雷達(dá)模擬目標(biāo)運(yùn)動的位姿參數(shù)，以考量被校激光雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性，實(shí)時(shí)顯示和輸出模擬目標(biāo)的三維空間數(shù)據(jù)及校準(zhǔn)結(jié)論。本校準(zhǔn)技術(shù)方法的研究，在校準(zhǔn)測量方法上有所創(chuàng)新突破，系統(tǒng)集成易于實(shí)現(xiàn)，可適用于多種類型的激光雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)，具有良好的實(shí)用性，能有效地進(jìn)行相關(guān)量值的溯源，滿足激光雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求。

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