激光測(cè)距機(jī)作用距離不達(dá)標(biāo)的分析與排查

徐志磊+李凱+任益斌

摘 要：激光測(cè)距機(jī)作為測(cè)量船海上距離標(biāo)定的設(shè)備，主要為雷達(dá)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(jìn)行跟蹤信標(biāo)球的過(guò)程中出現(xiàn)的測(cè)距距離不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)這一故障進(jìn)行排查，完成對(duì)激光測(cè)距機(jī)故障定位，同時(shí)對(duì)故障出現(xiàn)的誘因進(jìn)行機(jī)理分析，制定該激光測(cè)距機(jī)的使用策略，對(duì)其他單位激光測(cè)距機(jī)的使用及故障分析具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距機(jī)；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(cè)距機(jī)作為測(cè)量船經(jīng)緯儀測(cè)距設(shè)備，具有方向性好、測(cè)距精度高等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)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(cè)距機(jī)曾發(fā)生如下故障：在氣象條件良好的情況下，其對(duì)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(cè)距機(jī)“設(shè)備高壓”告警，不滿足連續(xù)工作大于15min要求。

2 激光測(cè)距機(jī)介紹

根據(jù)要求，激光測(cè)距機(jī)采用半導(dǎo)體激光二極管作泵浦源，光機(jī)電熱一體化方案設(shè)計(jì)。激光測(cè)距機(jī)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(cè)返回的激光信號(hào)并形成回波脈沖；主控部分由計(jì)時(shí)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(cè)距工作原理：

脈沖激光測(cè)距機(jī)是通過(guò)測(cè)量激光器發(fā)射的主波和被測(cè)目標(biāo)反射的回波之間的時(shí)間差，即光往返一次所需的時(shí)間來(lái)計(jì)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(shí)間為， 則被測(cè)目標(biāo)的距離：

當(dāng)激光器發(fā)射激光時(shí)，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(hào)送計(jì)數(shù)器作“開(kāi)門”信號(hào)（即主波），計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。從被測(cè)目標(biāo)上返回來(lái)的光脈沖經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡會(huì)聚到雪崩管組件的光敏面上，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，經(jīng)視頻放大器放大，送到計(jì)數(shù)器作為“關(guān)門”信號(hào)（即“回波”），計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可計(jì)算求出目標(biāo)的距離[1]。

3 激光測(cè)距機(jī)作用距離計(jì)算方法

激光作用距離是指在一定測(cè)量條件下，對(duì)一定的目標(biāo)，在滿足一定的探測(cè)概率和虛警概率的情況下，激光測(cè)距機(jī)所能探測(cè)的最遠(yuǎn)距離。使用合作目標(biāo)測(cè)距和對(duì)漫反射目標(biāo)測(cè)距最大的區(qū)別就是合作目標(biāo)的反射角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于漫反射目標(biāo)的反射角，這保證了經(jīng)過(guò)合作目標(biāo)后反射激光返回到探測(cè)器的能量比漫反射目標(biāo)對(duì)應(yīng)的反射能量強(qiáng)，因此激光測(cè)距機(jī)對(duì)合作目標(biāo)測(cè)距的測(cè)程遠(yuǎn)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(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離測(cè)距。

在大氣水平能見(jiàn)度大于23km，回波率大于90%的條件下，對(duì)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(jiàn)度大于23km，回波率大于90%的條件下，對(duì)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(gè)：一是激光測(cè)距機(jī)發(fā)射端的峰值功率降低；二是接收端的雪崩二極管探測(cè)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(cè)距機(jī)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(cè)距過(guò)程中，激光測(cè)距機(jī)對(duì)校飛飛機(jī)最大作用距離超過(guò)87km，達(dá)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(guò)程中，通過(guò)經(jīng)緯儀單桿修正功能確認(rèn)了激光測(cè)距不滿足指標(biāo)要求與激光測(cè)距機(jī)光軸、經(jīng)緯儀主鏡光軸平行度無(wú)關(guān)，排除第四種可能。

c.對(duì)激光測(cè)距機(jī)進(jìn)行設(shè)備檢測(cè)，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(cè)距不滿足指標(biāo)問(wèn)題定位為雪崩二極管損壞。

d.更換雪崩二極管后進(jìn)行激光測(cè)距拷機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)“設(shè)備高壓”告警依舊，同時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)距機(jī)散熱風(fēng)扇出現(xiàn)閃?，F(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(shí)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(jìn)行設(shè)備拷機(jī)測(cè)試，均正常。故障排除。

f.在接下來(lái)的試驗(yàn)中，激光測(cè)距機(jī)在跟蹤過(guò)程中經(jīng)緯儀主控軟件狀態(tài)區(qū)出現(xiàn)“待機(jī)高壓”告警，同時(shí)也出現(xiàn)了激光作用距離不連續(xù)，作用距離不達(dá)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(jìn)行設(shè)備檢測(cè)，進(jìn)而更換雪崩二極管，經(jīng)過(guò)設(shè)備拷機(jī)試驗(yàn)，測(cè)距機(jī)工作正常。

h.安裝新電源并對(duì)經(jīng)緯儀進(jìn)行重新配重。

2016年10月，當(dāng)光電經(jīng)緯儀設(shè)備再次進(jìn)行跟蹤信標(biāo)球試驗(yàn)時(shí)，激光連續(xù)有效測(cè)距距離最遠(yuǎn)達(dá)到23.5km，設(shè)備工作正常，問(wèn)題解決。

5 機(jī)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(cè)距機(jī)對(duì)裝有30cm2合作目標(biāo)的飛機(jī)，距離需大于15km才能保證測(cè)距時(shí)內(nèi)部雪崩二極管的安全。當(dāng)測(cè)距距離小于15km時(shí)，將不同程度的對(duì)雪崩二極管造成損傷，損傷積累到一定程度，激光測(cè)距機(jī)將因雪崩二極管無(wú)法從噪聲中提取回波信號(hào)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(shí)，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(shí)雪崩二極管損毀直至無(wú)法工作。

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

6 使用建議

通過(guò)公式2和公式3可知，激光測(cè)距機(jī)接收到的合作目標(biāo)能量是漫反射目標(biāo)能量的近百萬(wàn)倍，而雪崩二極管又極其脆弱，因而極易造成對(duì)雪崩二極管的損傷。為了能夠在完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)同時(shí)保障設(shè)備安全，建議對(duì)激光測(cè)距機(jī)進(jìn)行不同的使用策略。

（1）使用激光測(cè)距機(jī)前，需對(duì)其進(jìn)行檢查。一般可使用感光紙對(duì)其進(jìn)行發(fā)射功能檢查；在碼頭期間可通過(guò)對(duì)標(biāo)校塔等目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距性能檢查，在海上可通過(guò)對(duì)低云層進(jìn)行檢查。

（2）針對(duì)漫反射目標(biāo)：如在跟蹤信標(biāo)球時(shí)，在完成要求基礎(chǔ)上應(yīng)適當(dāng)降低使用時(shí)間以延長(zhǎng)激光測(cè)距機(jī)壽命。另外考慮設(shè)備工作時(shí)長(zhǎng)的要求，一般建議在8km開(kāi)始進(jìn)行激光測(cè)距，完成15km指標(biāo)要求進(jìn)行停機(jī)。

（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(duì)較近（600m左右），同時(shí)靶板的反射率較高，一般對(duì)接收鏡頭加裝帶透光孔的遮光蓋，避免對(duì)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(jìn)行測(cè)距試驗(yàn)。

（5）激光測(cè)距試驗(yàn)：在激光測(cè)距機(jī)對(duì)裝有合作目標(biāo)的飛機(jī)等進(jìn)行測(cè)距時(shí)，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(jìn)行測(cè)距以保證內(nèi)部雪崩二極管的安全。由于飛機(jī)的高度只有8km，為保證設(shè)備安全建議放棄過(guò)頂測(cè)距，待其到達(dá)安全距離后在進(jìn)行測(cè)距工作。經(jīng)過(guò)測(cè)算，使用透孔遮光蓋的最大孔（孔徑0.6cm），能夠在最遠(yuǎn)距離不超過(guò)30km的范圍內(nèi)測(cè)距工作。

7 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)量船相繼進(jìn)行設(shè)備改造換型，即將列裝的激光測(cè)距機(jī)與經(jīng)緯儀上的激光測(cè)距機(jī)屬同一類型，各項(xiàng)指標(biāo)基本一致。本船激光測(cè)距機(jī)在半年內(nèi)數(shù)次出現(xiàn)雪崩二極管損壞的問(wèn)題，說(shuō)明在使用過(guò)程中一定要注意關(guān)鍵重要事項(xiàng)。通過(guò)此次故障排除，明確了激光測(cè)距機(jī)的使用策略，可以延長(zhǎng)激光測(cè)距機(jī)的使用壽命，對(duì)激光測(cè)距機(jī)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(píng)指正！

參考文獻(xiàn)：

[1]王古常，孫斌，萬(wàn)強(qiáng)，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(jiǎn)介：徐志磊（1992-），男，江蘇儀征人，大專，測(cè)量員，研究方向：光學(xué)測(cè)量。endprint