基于時(shí)間延遲的移動(dòng)目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李濤，崔巖梅，張毅翔，歐陽(yáng)海寧

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

按照檢定規(guī)程JJG1074-2012《機(jī)動(dòng)車激光測(cè)速儀》的規(guī)定，激光測(cè)速儀的檢定分為模擬檢定（實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)）和現(xiàn)場(chǎng)檢定（道路實(shí)測(cè)）兩部分，即在理想狀態(tài)下和實(shí)際使用狀態(tài)下考察其計(jì)量性能。目前現(xiàn)場(chǎng)檢定的手段有多種方式［1-4］，例如采用可以實(shí)時(shí)顯示速度的校準(zhǔn)車輛進(jìn)行比較法檢測(cè)，或者采用切割具有固定間距的兩光束的光遮擋法進(jìn)行速度檢測(cè)，但現(xiàn)場(chǎng)檢定有其局限性，例如實(shí)際道路環(huán)境、車輛行駛的速度范圍、測(cè)量是否同步等等，因此需要開展不受環(huán)境條件限制的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)基本都是采用時(shí)間延遲的方法。目前美國(guó)激光技術(shù)有限公司（LTI）已研制出了基于單光束的檢定裝置并將其商品化，用于激光測(cè)速儀的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。為了開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同類檢定裝置，本文在激光測(cè)速儀的校準(zhǔn)原理和實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行了深入的研究，研制出了可以實(shí)現(xiàn)任意標(biāo)準(zhǔn)速度的通用移動(dòng)目標(biāo)模擬器，可以對(duì)激光測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)速范圍和測(cè)速誤差的校準(zhǔn)。

1 單光束激光測(cè)速儀校準(zhǔn)原理

根據(jù)單光束激光測(cè)速儀的測(cè)速原理，本文提出了移動(dòng)目標(biāo)模擬器的校準(zhǔn)方法［6-7］，即采用精密時(shí)間延遲方法產(chǎn)生一組特定的電脈沖信號(hào)序列，來(lái)模擬一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波脈沖信號(hào)。在激光測(cè)速儀校準(zhǔn)裝置中，移動(dòng)目標(biāo)模擬器是最核心的部分。

激光測(cè)速儀校準(zhǔn)裝置由移動(dòng)目標(biāo)模擬器、光電轉(zhuǎn)換器和電光轉(zhuǎn)換器組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)裝置原理框圖

激光測(cè)速儀發(fā)射的激光脈沖經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一系列電脈沖，該電脈沖觸發(fā)移動(dòng)目標(biāo)模擬器，輸出對(duì)應(yīng)的一系列延時(shí)脈沖信號(hào)，該信號(hào)觸發(fā)電光轉(zhuǎn)換器發(fā)出激光脈沖（模擬激光遇到真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)后的回波脈沖信號(hào)），激光測(cè)速儀接收到回波信號(hào)后，給出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度值［8-9］。

假設(shè)激光測(cè)速儀分別在t1時(shí)刻和t2時(shí)刻發(fā)出激光脈沖，經(jīng)移動(dòng)目標(biāo)模擬器分別延時(shí)了Δt1和Δt2，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)距離L1和L2分別用時(shí)間和光速（c）的乘積表示，由于該距離是測(cè)速儀到目標(biāo)以及目標(biāo)返回測(cè)速儀的距離之和，即激光光束的往返距離，因此測(cè)速儀到目標(biāo)的實(shí)際距離應(yīng)除以2，即

根據(jù)距離（L）、時(shí)間（t）、速度（v）三者的關(guān)系，移動(dòng)目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的速度為

激光測(cè)速儀的脈沖周期T=t2-t1；Δt表示延時(shí)差，即Δt=Δt2-Δt1。因此，在激光測(cè)速儀脈沖周期T內(nèi)的兩束光，經(jīng)移動(dòng)目標(biāo)模擬器分別延時(shí)后，其延時(shí)差對(duì)應(yīng)的速度v為

在使用激光測(cè)速儀進(jìn)行測(cè)速時(shí)，需要根據(jù)多個(gè)激光脈沖的回波信號(hào)來(lái)計(jì)算移動(dòng)目標(biāo)的速度，所以必須在測(cè)速儀的m個(gè)脈沖周期mT內(nèi)產(chǎn)生一系列代表距離變化的回波信號(hào)，假設(shè)移動(dòng)目標(biāo)沿駛離的行駛方向做勻速運(yùn)動(dòng)，則與回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間、距離關(guān)系如圖2所示。圖2中，T2-T1=mT。

圖2 回波信號(hào)的時(shí)間、距離關(guān)系

因此，對(duì)于脈沖激光測(cè)速儀的每個(gè)脈沖信號(hào)，移動(dòng)目標(biāo)模擬器需要產(chǎn)生如圖3所示的脈沖序列（方向?yàn)轳傠x）。

圖3 輸入脈沖與輸出脈沖的時(shí)序關(guān)系

輸入信號(hào)為激光測(cè)速儀發(fā)射的脈沖信號(hào)（m個(gè)周期為T的脈沖信號(hào)），移動(dòng)目標(biāo)模擬器輸出對(duì)應(yīng)的一組脈沖信號(hào)，這組輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的延遲時(shí)間依次增大，分別為t0，t0+t1，t0+t1+t2，…，t0+t1+t2+… +tm（m對(duì)應(yīng)輸入脈沖的序號(hào)），t0是一個(gè)固定延遲，代表第一個(gè)激光脈沖到移動(dòng)目標(biāo)的往返時(shí)間。

若移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轳偨瑒t移動(dòng)目標(biāo)模擬器的輸出脈沖依次減小，分別為t0，t0-t1，t0-t1-t2，…，t0-t1-t2-… -tm。

若t1=t2=…=tm，說明這是一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)目標(biāo)。

可以看出，移動(dòng)目標(biāo)模擬器接收激光測(cè)速儀發(fā)射的脈沖后，應(yīng)輸出上述特點(diǎn)的回波脈沖信號(hào)。

2 移動(dòng)目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)移動(dòng)目標(biāo)模擬器，必須知道被測(cè)對(duì)象（即激光測(cè)速儀）的脈沖頻率f和脈沖寬度w，這兩個(gè)數(shù)據(jù)可以通過示波器或時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確測(cè)出。

還需要知道激光測(cè)速儀的觸發(fā)距離L1和L2，也就是激光測(cè)速儀在什么距離范圍內(nèi)可以測(cè)出移動(dòng)物體的速度，這個(gè)數(shù)據(jù)可以從其使用說明書上得到。

有了以上測(cè)速儀的基本數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)模擬器輸出各個(gè)速度值對(duì)應(yīng)的延時(shí)回波脈沖序列時(shí)需要的所有參數(shù)。

設(shè)計(jì)總體思路為：首先計(jì)算出在整個(gè)測(cè)速過程中，移動(dòng)目標(biāo)模擬器需要輸出的延時(shí)回波脈沖總數(shù)m（即模擬激光測(cè)速儀在其觸發(fā)距離范圍內(nèi)，發(fā)射的脈沖遇到移動(dòng)物體后返回的回波脈沖總數(shù)），再根據(jù)需要模擬的速度值v以及光速c，計(jì)算出相鄰兩個(gè)回波脈沖之間距離變化對(duì)應(yīng)的延時(shí)Δt，繼而計(jì)算出移動(dòng)目標(biāo)模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率fw，以及在此頻率下每個(gè)回波脈沖延時(shí)Δt對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)n，則移動(dòng)目標(biāo)模擬器輸出的m個(gè)回波脈沖延時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)分別為n，2n，3n，…，mn，每接收一個(gè)激光測(cè)速儀發(fā)射的脈沖，就觸發(fā)輸出一個(gè)延時(shí)回波脈沖，直到m個(gè)延時(shí)回波脈沖輸出完畢。

具體計(jì)算過程如下：

首先，根據(jù)激光測(cè)速儀脈沖頻率f、觸發(fā)距離L1和L2（L1＜L2）及需要模擬的標(biāo)準(zhǔn)速度v，計(jì)算整個(gè)測(cè)速過程需要輸出的延時(shí)回波脈沖總數(shù)m，即

其次，計(jì)算相鄰兩個(gè)回波脈沖之間距離變化對(duì)應(yīng)的延時(shí)Δt，得到需要的工作數(shù)據(jù)頻率fw。

如果工作數(shù)據(jù)頻率在移動(dòng)目標(biāo)模擬器的頻率范圍內(nèi)，就可以采用調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)精密延時(shí)，直接設(shè)置該工作數(shù)據(jù)頻率為移動(dòng)目標(biāo)模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率，此時(shí)延時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)n=1。

如果工作數(shù)據(jù)頻率大于移動(dòng)目標(biāo)模擬器的最大工作數(shù)據(jù)頻率，則采用降頻的時(shí)序細(xì)分法，每降（倍降）一次頻率，延時(shí)回波脈沖總數(shù)m增加一倍，經(jīng)過k次倍降頻，直至將頻率降至移動(dòng)目標(biāo)模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率范圍以內(nèi)。

此時(shí)每k個(gè)延時(shí)回波脈沖需要延時(shí)的脈沖個(gè)數(shù)均為n=1。

再根據(jù)移動(dòng)目標(biāo)模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率fw，計(jì)算測(cè)速起始距離對(duì)應(yīng)的延時(shí)脈沖數(shù)PL（假設(shè)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轳傠x，采用距離為L(zhǎng)1）。

最后，根據(jù)測(cè)速儀的脈寬w和移動(dòng)目標(biāo)模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率，計(jì)算回波信號(hào)持續(xù)的脈沖個(gè)數(shù)Pw。

3 移動(dòng)目標(biāo)模擬器的實(shí)現(xiàn)

為了產(chǎn)生上述的延時(shí)回波脈沖序列，采用美國(guó)TEK公司的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器作為硬件電路生成設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)模擬器。

通過編程計(jì)算延時(shí)回波脈沖序列的各個(gè)參數(shù)，再控制數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器的存儲(chǔ)分配和電路生成，一次性完整地生成某標(biāo)準(zhǔn)速度值下的回波脈沖序列，并固化在移動(dòng)目標(biāo)模擬器中，需要時(shí)可以直接調(diào)用固化文件并立刻輸出。

用數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器生成回波脈沖序列時(shí)，需要考慮其存儲(chǔ)深度限制，即block總數(shù)和blocksize的長(zhǎng)度，除了這兩個(gè)參數(shù)本身有大小限制之外，兩者的乘積也有限制。前一個(gè)參數(shù)block總數(shù)，也就是上面計(jì)算出來(lái)的延時(shí)回波脈沖總數(shù)m，該值與速度大小成反比，低速時(shí)，需要的block總數(shù)會(huì)成倍增加。為了盡量減小需要的block數(shù)量，可以不必在激光測(cè)速儀整個(gè)測(cè)速范圍內(nèi)都生成回波脈沖，只要保證在其測(cè)速時(shí)間內(nèi)（比如0.3 s）生成回波脈沖即可，這樣就能在低速時(shí)大大減少block的數(shù)量。后一個(gè)參數(shù)blocksize的長(zhǎng)度中包含了測(cè)速起始距離（L1或 L2）對(duì)應(yīng)的延時(shí)脈沖數(shù)PL和回波信號(hào)持續(xù)的脈沖個(gè)數(shù)Pw，如果這兩個(gè)脈沖個(gè)數(shù)之和不超過規(guī)定的最小模式長(zhǎng)度就可以不做處理，如果大于，就需要通過其它方式減小其長(zhǎng)度。

生成脈沖序列時(shí)，可以按照下面的步驟對(duì)數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置：由于對(duì)單脈沖激光測(cè)速儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只需要輸出一路脈沖信號(hào)，因此首先需要新建一個(gè)邏輯通道，并將此邏輯通道與數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器的硬件通道相關(guān)聯(lián)；下一步就可以建立m個(gè)block，并設(shè)置每個(gè)block的長(zhǎng)度均為blocksize，之后就可以對(duì)所有的block編輯其數(shù)據(jù)向量，也就是回波脈沖的波形數(shù)據(jù)；再設(shè)置數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器的輸出電平、頻率和觸發(fā)方式，最后設(shè)置輸出序列的順序。

本文通過數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器的GPIB接口，編制了VC程序?qū)Σ僮髅姘暹M(jìn)行遠(yuǎn)程控制。圖4是標(biāo)準(zhǔn)速度序列產(chǎn)生的程序界面，只需輸入測(cè)速儀的參數(shù)（頻率、脈沖寬度、觸發(fā)距離）和需要產(chǎn)生的速度值、行駛方向，就可計(jì)算出延時(shí)序列所需的所有參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的延時(shí)回波脈沖序列，該序列還可以命名存儲(chǔ)，以便需要時(shí)直接調(diào)出并立刻輸出。該程序可以任意設(shè)置速度值、觸發(fā)距離和行駛方向。

圖4 生成脈沖序列的程序界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

激光測(cè)速儀校準(zhǔn)裝置實(shí)物如圖5所示，使用該校準(zhǔn)裝置可以實(shí)現(xiàn)激光測(cè)速儀測(cè)速范圍、測(cè)速誤差的校準(zhǔn)。

由激光測(cè)速儀發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)輸入至移動(dòng)目標(biāo)模擬器的Trigger In觸發(fā)端口，通過“輸出模塊”的CH1通道端口，輸出一系列的延時(shí)電脈沖信號(hào)，激光測(cè)速儀接收到電光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的回波信號(hào)后，就可以對(duì)激光測(cè)速儀進(jìn)行校準(zhǔn)了。

圖5 校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖

為了驗(yàn)證移動(dòng)目標(biāo)模擬器生成速度序列的性能，采用TEK公司AFG3252產(chǎn)生的脈沖來(lái)代替激光測(cè)速儀發(fā)射的激光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖后的信號(hào)，用美國(guó)STANFORD公司SR620高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器對(duì)移動(dòng)目標(biāo)模擬器產(chǎn)生的脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行校準(zhǔn)，再根據(jù)脈沖頻率計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的速度值，在溫度22.5℃、濕度38%條件下對(duì)設(shè)定的速度值進(jìn)行連續(xù)20次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，在20～250 km/h的速度范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性不大于0.1 km/h，偏差量峰峰值不大于0.01 km/h，說明利用數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器設(shè)計(jì)的移動(dòng)目標(biāo)模擬器具有很好的重復(fù)性。

5 結(jié)論

本文提出的校準(zhǔn)方法是通過時(shí)間延遲的方法產(chǎn)生一組電脈沖信號(hào)序列，采用TEK公司的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器作為硬件電路生成設(shè)備，成功模擬了具有任意標(biāo)準(zhǔn)速度的移動(dòng)目標(biāo)，最終形成通用移動(dòng)目標(biāo)模擬器，并與其它輔助設(shè)備共同構(gòu)建了國(guó)內(nèi)首套激光測(cè)速儀檢定裝置。通過對(duì)模擬速度值的測(cè)試試驗(yàn)，其速度的偏差量小于0.01 km/h，重復(fù)性小于0.1 km/h，驗(yàn)證了該移動(dòng)目標(biāo)模擬器可以滿足單光束激光測(cè)速儀的檢定需要。

表1 “移動(dòng)目標(biāo)模擬器”重復(fù)性測(cè)量結(jié)果 km/h

隨著激光測(cè)速技術(shù)的發(fā)展，各種類型的激光測(cè)速儀也相繼出現(xiàn)，例如安裝在龍門架上的雙光束激光測(cè)速儀和安裝在路側(cè)的雙光束激光測(cè)速儀，雖然它們的測(cè)速原理不同，但都可以使用數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)與之對(duì)應(yīng)的移動(dòng)目標(biāo)模擬器，開展不同類型脈沖激光測(cè)速儀的校準(zhǔn)工作。