大功率激光測距機(jī)室內(nèi)模擬性能檢測的可行性探討

柯凱黎 李玉蛟 王忠東 燕晨濤 李輝

摘要：本文通過對大功率激光測距機(jī)的性能與參數(shù)分析，首先探討三種測程模擬方式在大功率激光測距機(jī)上應(yīng)用的可能性，其次對于激光測距機(jī)的性能檢測過程中包含的橫向分辨率以及縱向分辨率是否能夠?qū)崿F(xiàn)以及如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了可行性探討，通過各方案優(yōu)缺點(diǎn)對比，為室內(nèi)進(jìn)行測距機(jī)性能檢測提供了可靠思路。

關(guān)鍵詞：測程;激光測距;電路延時;光纖延時

現(xiàn)今，激光測距儀器種類繁多，其原理大體分為兩種，一種是使用連續(xù)脈沖測距，通過相位差得到距離信息，一種是使用單脈沖測距，通過時間差得到距離信息，兩種測距方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。遠(yuǎn)距離大功率激光測距機(jī)一般使用單脈沖激光進(jìn)行距離測試。

由于單脈沖信號的脈寬窄、能量高，故峰值功率能達(dá)到兆瓦級別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過室內(nèi)模擬各設(shè)備的損傷閾值，所以室內(nèi)檢測大功率激光測距機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛。但現(xiàn)今環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，激光在大氣的氣溶膠衰減模式下，穿透能力極差，測程10km的激光測距機(jī)其能見度需達(dá)到23km才能夠?qū)ζ錅y程指標(biāo)進(jìn)行測試，為了擺脫產(chǎn)品測試過程中靠天吃飯的情況，展開大功率激光測距機(jī)室內(nèi)模擬檢測的研究是十分必要的。

激光測距機(jī)的性能檢測一般包括最大測程、最小測程、三軸一致性、橫向分辨率、縱向分辨率。三軸一致性測試的室內(nèi)檢測方法簡單可行，已廣泛應(yīng)用。本文主要探討室內(nèi)模擬技術(shù)方面較為關(guān)注的測程模擬以及分辨率模擬。

一、測程模擬

實(shí)現(xiàn)大功率激光測距機(jī)的測程模擬共有三種模式，一種使用鏡面反射達(dá)到模擬光程的目的，一種使用電路計算延時再通過設(shè)備上的激光器出射激光到產(chǎn)品的接收口徑，一種使用光纖模擬測程并通過調(diào)節(jié)衰減率達(dá)到模擬光路衰減的目的。.

（一）鏡面反射

由于隨著光程不斷增加，光斑將逐漸變大，根據(jù)一般遠(yuǎn)程激光測距機(jī)1mard的束散角進(jìn)行估算，模擬10km的光程后光斑直徑將達(dá)到10米，所以鏡面反射模式的可行性不高，只適用于近距離測程模擬。

（2）電路延時

電路延時方案在部分測距機(jī)上已實(shí)現(xiàn)了測程模擬，其原理是利用可編程器件電路延時進(jìn)行脈沖計數(shù)，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)數(shù)值時激發(fā)設(shè)備上的激光器輸出與測距機(jī)同樣波長的激光脈沖（原理框圖如下圖1所示）。但電路延時時方案不適用于單脈沖激光測距機(jī)，由于激光測距機(jī)測試10km來回時間約為66.6微秒，所以電路的延時精度、激光器的預(yù)熱啟動時間應(yīng)在納秒或皮秒級才能夠忽略，若達(dá)到微秒級則需每次啟動時間都為一固定數(shù)值。電路的延時精度在皮秒級的技術(shù)已十分成熟，但單脈沖的激光器啟動時間最小為微秒級，如某產(chǎn)品激光器，收到電開啟信號后，預(yù)熱啟動時間為50—80μs不等，常用的大功率單脈沖測距機(jī)使用波長1064nm的激光器較多，目前市面上暫無啟動時間納秒級別的1064nm單脈沖激光器。所以筆者認(rèn)為電路延時方案精度高，但適用于連續(xù)脈沖激光器，不適用于單脈沖激光器的測程模擬。

（3）光纖延時

使用光纖進(jìn)行延時，將光纖作為激光傳輸?shù)拿浇椋赃_(dá)到模擬光程的目的。將激光測距機(jī)發(fā)射出的激光經(jīng)過衰減片，再經(jīng)過光纖耦合器聚焦進(jìn)入光纖，在光纖中傳播一段距離，再使用準(zhǔn)直器和擴(kuò)束鏡將激光返回激光接收端。同樣通過衰減機(jī)構(gòu)模擬光程傳輸以及目標(biāo)反射衰減（具體原理框圖見下圖2所示）。其難點(diǎn)在于，遠(yuǎn)測程單脈沖激光測距機(jī)的峰值功率極大，易造成耦合器和光纖端面的損傷，需經(jīng)過嚴(yán)格計算，選取合適的衰減片以保護(hù)后續(xù)機(jī)構(gòu)。此方案適用于連續(xù)脈沖激光測距機(jī)以及單脈沖激光測距機(jī)。但一旦光纖長度確定以后，模擬的光程將無法改變，不如電路延時靈活。

二、分辨率模擬

（一）縱向分辨率

縱向分辨率的室外測試方法，一般采用兩間隔50m的靶板，前靶板為方框型，后靶板為方形，且與前靶板鏤空部分重合，使激光光斑中心對準(zhǔn)兩靶板重合邊界，使一半光斑打在前靶板上，另一半光斑打在后靶板上，通過控制激光測距機(jī)的首/末操控桿，來顯示不同的距離。

使用電路或光纖方案均可實(shí)現(xiàn)縱向分辨率的測試，使用電路延時方案時，只需根據(jù)距離需要，控制兩不同時間間隔的激光出射即可完成雙回波模擬。

使用光纖進(jìn)行模擬時，需以50：50的分光比將光纖內(nèi)的光束分路，進(jìn)入長度不同的兩根光纖后，在終端進(jìn)行合束，從而使單回波變?yōu)殚g隔可控的雙回波。

（二）橫向分辨率

橫向分辨率的室外測試方法與縱向分辨率大同小異，是使用橫向間隔的兩靶板進(jìn)行測試，但其目的在于測試激光測距機(jī)出射激光在2000m左右時的束散角。

若使用電路延時，則激光測距機(jī)接收到的能量為設(shè)備上的激光器出射的，對于檢測原激光測距機(jī)的束散角性能毫無意義，無法進(jìn)行測試。

若使用光纖延時方案，在光束進(jìn)入光纖在光纖內(nèi)部傳輸再準(zhǔn)直輸出的過程中，束散角都存在變化，最終檢測的束散角同樣不是原激光測距機(jī)的束散角。

通過對比GJB2241的新舊版本，筆者發(fā)現(xiàn)，在推薦的室內(nèi)模擬測試指標(biāo)中，不包括橫向分辨率指標(biāo)，現(xiàn)是否有方法可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)對于激光測距機(jī)橫向分辨率的檢測尚未可知。

三、結(jié)論

本文探討了大功率激光測距機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行測程模擬、分辨率模擬的可行性，通過多種測程模擬方案原理分析以及優(yōu)缺點(diǎn)對比，分析其適合的測距機(jī)種類。對于縱向分辨率提出了室內(nèi)模擬的實(shí)現(xiàn)方法，對于橫向分辨率各模擬方案均不適用。

簡介：柯凱黎（1990年），女，漢，湖北武穴，工程師，本科，西安北方光電科技防務(wù)有限公司，主要研究光電火控技術(shù)。