激光測距機作用距離不達標(biāo)的分析與排查

徐志磊+李凱+任益斌

摘 要：激光測距機作為測量船海上距離標(biāo)定的設(shè)備，主要為雷達設(shè)備提供標(biāo)校用的距離信息。本文介紹了某型光電經(jīng)緯儀在海上標(biāo)校進行跟蹤信標(biāo)球的過程中出現(xiàn)的測距距離不達標(biāo)問題，通過對這一故障進行排查，完成對激光測距機故障定位，同時對故障出現(xiàn)的誘因進行機理分析，制定該激光測距機的使用策略，對其他單位激光測距機的使用及故障分析具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：激光測距機；作用距離；雪崩二極管；穩(wěn)壓電源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.222

1 引言

激光測距機作為測量船經(jīng)緯儀測距設(shè)備，具有方向性好、測距精度高等優(yōu)點，是測量船重要組成部分。

2016年9月，船用某型光電經(jīng)緯儀配備的激光測距機曾發(fā)生如下故障：在氣象條件良好的情況下，其對信標(biāo)球最大連續(xù)作用距離只有12km，不滿足大于15km的指標(biāo)要求；且在工作7min后設(shè)備狀態(tài)激光測距機“設(shè)備高壓”告警，不滿足連續(xù)工作大于15min要求。

2 激光測距機介紹

根據(jù)要求，激光測距機采用半導(dǎo)體激光二極管作泵浦源，光機電熱一體化方案設(shè)計。激光測距機由激光發(fā)射部分、激光接收部分、主控三部分組成。其中激光發(fā)射部分包括發(fā)射光學(xué)鏡頭、激光器和激光電源、溫控電路等，其功能是發(fā)射激光脈沖并產(chǎn)生主波脈沖；激光接收部分由接收光學(xué)鏡頭、控制電路、接收電路等部分組成，其功能是探測返回的激光信號并形成回波脈沖；主控部分由計時電路、控制電路和通訊電路等部件組成，其功能主要是根據(jù)主波和回波脈沖解算出距離信息并控制各分系統(tǒng)協(xié)同工作。

測距工作原理：

脈沖激光測距機是通過測量激光器發(fā)射的主波和被測目標(biāo)反射的回波之間的時間差，即光往返一次所需的時間來計算目標(biāo)距離的。

已知光在空間的傳播速度為C，光往返一次所需的時間為， 則被測目標(biāo)的距離：

當(dāng)激光器發(fā)射激光時，置于激光發(fā)射器全反射端諧振腔外部的主波取樣頭將漏出的“微弱”激光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送計數(shù)器作“開門”信號（即主波），計數(shù)器開始計數(shù)。從被測目標(biāo)上返回來的光脈沖經(jīng)接收望遠鏡會聚到雪崩管組件的光敏面上，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，經(jīng)視頻放大器放大，送到計數(shù)器作為“關(guān)門”信號（即“回波”），計數(shù)器停止計數(shù)。根據(jù)計數(shù)器的計數(shù)值可計算求出目標(biāo)的距離[1]。

3 激光測距機作用距離計算方法

激光作用距離是指在一定測量條件下，對一定的目標(biāo)，在滿足一定的探測概率和虛警概率的情況下，激光測距機所能探測的最遠距離。使用合作目標(biāo)測距和對漫反射目標(biāo)測距最大的區(qū)別就是合作目標(biāo)的反射角遠遠小于漫反射目標(biāo)的反射角，這保證了經(jīng)過合作目標(biāo)后反射激光返回到探測器的能量比漫反射目標(biāo)對應(yīng)的反射能量強，因此激光測距機對合作目標(biāo)測距的測程遠大于漫發(fā)射目標(biāo)。

3.1 合作目標(biāo)作用距離

一般采用角反射器作為激光合作目標(biāo)；合作目標(biāo)反射角約0.2mrad，因此反射光比較集中，能量密度高，適合于遠距離或超遠距離測距。

在大氣水平能見度大于23km，回波率大于90%的條件下，對裝有反射面積為30cm2的合作目標(biāo)，作用距離大于60km的要求。

3.2 漫反射目標(biāo)作用距離

在大氣水平能見度大于23km，回波率大于90%的條件下，對標(biāo)定氣球，直徑為1.5m，作用距離大于15km的要求。

4 故障排查

根據(jù)故障現(xiàn)象分析，可能故障原因主要有以下四個：一是激光測距機發(fā)射端的峰值功率降低；二是接收端的雪崩二極管探測靈敏度降低；三是發(fā)射光軸與接收光軸之間的不平行度變化；四是激光測距機光軸與經(jīng)緯儀主鏡光軸不平行度增大。排查定位步驟如下：

a.在測距過程中，激光測距機對校飛飛機最大作用距離超過87km，達到作用距離大于60km的指標(biāo)要求，初步排除第一和第三種可能。

b.在跟蹤信標(biāo)球過程中，通過經(jīng)緯儀單桿修正功能確認(rèn)了激光測距不滿足指標(biāo)要求與激光測距機光軸、經(jīng)緯儀主鏡光軸平行度無關(guān)，排除第四種可能。

c.對激光測距機進行設(shè)備檢測，常溫條件下，雪崩二極管偏壓值僅為140V左右，正常偏壓值應(yīng)在300V至450V。首先更換放大器高壓模塊，雪崩二極管偏壓值仍為140V；更換新的雪崩二極管后，雪崩二極管偏壓值為380V。測距不滿足指標(biāo)問題定位為雪崩二極管損壞。

d.更換雪崩二極管后進行激光測距拷機時發(fā)現(xiàn)“設(shè)備高壓”告警依舊，同時發(fā)現(xiàn)測距機散熱風(fēng)扇出現(xiàn)閃停現(xiàn)象；檢查24V穩(wěn)壓電源供電情況，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)“設(shè)備高壓”告警時穩(wěn)壓電源24V輸出突然降至11V后又恢復(fù)至24V，故障定位為24V穩(wěn)壓電源性能下降。更換穩(wěn)壓電源后，故障消失。

e.進行設(shè)備拷機測試，均正常。故障排除。

f.在接下來的試驗中，激光測距機在跟蹤過程中經(jīng)緯儀主控軟件狀態(tài)區(qū)出現(xiàn)“待機高壓”告警，同時也出現(xiàn)了激光作用距離不連續(xù)，作用距離不達標(biāo)現(xiàn)象。由于與前次故障現(xiàn)象類似，初步認(rèn)為是雪崩二極管再次損壞。

g.進行設(shè)備檢測，進而更換雪崩二極管，經(jīng)過設(shè)備拷機試驗，測距機工作正常。

h.安裝新電源并對經(jīng)緯儀進行重新配重。

2016年10月，當(dāng)光電經(jīng)緯儀設(shè)備再次進行跟蹤信標(biāo)球試驗時，激光連續(xù)有效測距距離最遠達到23.5km，設(shè)備工作正常，問題解決。

5 機理分析

（1）根據(jù)合作目標(biāo)大小及發(fā)射的能量分析，激光測距機對裝有30cm2合作目標(biāo)的飛機，距離需大于15km才能保證測距時內(nèi)部雪崩二極管的安全。當(dāng)測距距離小于15km時，將不同程度的對雪崩二極管造成損傷，損傷積累到一定程度，激光測距機將因雪崩二極管無法從噪聲中提取回波信號而出現(xiàn)激光作用距離不能滿足指標(biāo)要求的現(xiàn)象。

（2）雪崩二極管的PN結(jié)有單向?qū)щ娦裕螂娮栊?，反向電阻endprint

很大。當(dāng)反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，就是反向電擊穿。造成雪崩二極管損傷，嚴(yán)重時雪崩二極管損毀直至無法工作。

（3）由于電源模塊負(fù)責(zé)對激光測距機供電，當(dāng)電源模塊功率不足或者工作不穩(wěn)定時，激光測距機檢測程序?qū)⒊霈F(xiàn)“設(shè)備高壓”告警。

6 使用建議

通過公式2和公式3可知，激光測距機接收到的合作目標(biāo)能量是漫反射目標(biāo)能量的近百萬倍，而雪崩二極管又極其脆弱，因而極易造成對雪崩二極管的損傷。為了能夠在完成各項試驗任務(wù)同時保障設(shè)備安全，建議對激光測距機進行不同的使用策略。

（1）使用激光測距機前，需對其進行檢查。一般可使用感光紙對其進行發(fā)射功能檢查；在碼頭期間可通過對標(biāo)校塔等目標(biāo)進行測距性能檢查，在海上可通過對低云層進行檢查。

（2）針對漫反射目標(biāo)：如在跟蹤信標(biāo)球時，在完成要求基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)降低使用時間以延長激光測距機壽命。另外考慮設(shè)備工作時長的要求，一般建議在8km開始進行激光測距，完成15km指標(biāo)要求進行停機。

（3）激光靶板：由于在船廠期間受船廠外部條件影響，激光靶板距離相對較近（600m左右），同時靶板的反射率較高，一般對接收鏡頭加裝帶透光孔的遮光蓋，避免對雪崩二極管造成損傷。

（4）激光靶標(biāo)：考慮到激光合作目標(biāo)屬于合作目標(biāo)，參照（2）執(zhí)行，并選用最小的孔徑進行測距試驗。

（5）激光測距試驗：在激光測距機對裝有合作目標(biāo)的飛機等進行測距時，考慮到激光合作目標(biāo)屬于合作目標(biāo)，距離需大于15km才可進行測距以保證內(nèi)部雪崩二極管的安全。由于飛機的高度只有8km，為保證設(shè)備安全建議放棄過頂測距，待其到達安全距離后在進行測距工作。經(jīng)過測算，使用透孔遮光蓋的最大孔（孔徑0.6cm），能夠在最遠距離不超過30km的范圍內(nèi)測距工作。

7 結(jié)束語

測量船相繼進行設(shè)備改造換型，即將列裝的激光測距機與經(jīng)緯儀上的激光測距機屬同一類型，各項指標(biāo)基本一致。本船激光測距機在半年內(nèi)數(shù)次出現(xiàn)雪崩二極管損壞的問題，說明在使用過程中一定要注意關(guān)鍵重要事項。通過此次故障排除，明確了激光測距機的使用策略，可以延長激光測距機的使用壽命，對激光測距機的使用具有一定的借鑒意義。本文必然存在不足之處，望批評指正！

參考文獻：

[1]王古常，孫斌，萬強，程勇.光學(xué)與光電技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù)，2003（04）：55-59.

作者簡介：徐志磊（1992-），男，江蘇儀征人，大專，測量員，研究方向：光學(xué)測量。endprint