CN102243301A - 激光测距机检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测距机检测装置。由取样器、吸收体、多目标模拟器、标准靶板、可变光阑组成。激光测距机对准该检测装置发射激光，取样器和多目标模拟器模拟激光目标回波，通过最大距离测距结果获得激光测距机接收光轴、最小可探测功率；通过激光光斑位置和轴间距，校准激光发射光轴和瞄准光轴；通过对各部件的精确标定，对激光测距机的发射与接收定量相关，实现激光测距机的测距能力评价。本发明无需供电且操作简单、成本低廉。

Description

激光测距机检测装置

技术领域

本发明激光测距机检测领域，主要涉及一种在激光测距机使用现场对其进行检测与校准的测量装置，尤其涉及一种不受环境和场地限制的对激光测距机进行现场检测和校准的测量方法和测量装置。

背景技术

激光测距机性能和技术指标正常与否是用户最为关心的。激光测距机在一定环境条件下对不同目标的最大测程、最小测程、距离准确度、消光比是测距能力评价的主要技术指标。影响激光测距机性能的其他技术指标还有发射激光的束散角、激光光斑模式、激光光轴抖动性、激光峰值功率、激光接收系统的最小可探测功率、激光发射光轴与接收光轴的同轴度、距离选通、首末逻辑测距、时序增益、多目标测距等。目前，对激光测距机的检测与校准方法可分为两大类：一类为实际环境条件下远距离穿靶标准靶板或实际/缩比目标实测法，一类为室内模拟法。实测环境下，由于整个激光通道上环境变化无法控制，且激光通道很长，难以严格监测，环境的不确定因素对测量结果影响很大，不易随时随地实施检测与校准，测量结果的可比性较差。室内模拟法主要有光电模拟法、光纤模拟法。光电模拟法主要采用快速光电探测器、延迟电路、模拟光源和标准衰减器，激光测距机的发射激光能量与接收激光能量无法直接相关，且模拟光源与激光测距机的接收系统光轴对准调试困难。光纤模拟法通常采用一定长度的光纤制作标准距离模拟器，对激光脉冲取样并进行时间延迟，将光纤输出激光脉冲输入激光测距机接收系统，进行单一的距离模拟，且一根光纤只能模拟一个距离；标准距离模拟器的模拟距离和激光能量衰减损耗的标定方法有截断法、插入法、后向散射法和比较法，存在测量不确定度大和对光纤具有破环性的不足。激光测距机激光发射光轴与瞄准光轴的校准通常采用大口径抛面镜聚焦法，存在焦平面处靶面易于损伤和不可见的不足，影响校准精度，激光接收光轴通常采用结构保障。没有将激光测距机发射激光能量、距离与接收系统的最小可探测激光功率、光轴同轴度等进行直接综合检测的相关报道。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，针对激光测距机检测中，环境难以控制与监测、场地受限的不足，提供一种不受环境限制的且能够将发射激光能量与接收激光能量定量相关的激光测距机测量装置和测量方法。

本发明要解决的第二个技术问题是，针对激光测距机标准距离模拟器长度和激光能量衰减损耗标定方法的不足，提供一种精确标定其长度和能量损耗的测量方法。

本发明要解决的第三个技术问题是，针对激光测距机激光发射光轴与接收光轴的同轴度检测，提供一种检测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的测量装置(图1所示)包括取样器、吸收体、多目标模拟器、标准靶板、可变光阑。所述取样器包括标准透镜、扩束器、镜管、小目标光阑，所述标准透镜为能够会聚激光的消像差透镜，且焦距与有效通光口径的比值大于5，其有效通光口径大于等于激光测距机激光发射窗口；所述扩束器为一组长度相等的光纤棒紧密成束，且光纤棒由裸光纤外径上镀金属反射膜，经专用刀具切割而成；所述小目标光阑中间具有通孔，其通孔的口径与激光在标准透镜焦平面位置的激光光斑的比值等于技术指标规定的最大测程处目标截面与激光光斑的比值，对大目标测距情况检测时，取消小目标光阑；所述镜管为内壁具有消光纹的管体，且与标准透镜、扩束器紧固连接，镜管、标准透镜、扩束器与发射激光对准且同轴，并将发射激光全部会聚到扩束器的输入端面，小目标光阑放置于扩束器的输出端面，且通孔中心位于激光光轴上；在距扩束器输出端距离为L的光轴附近横截面上，激光能量密度随着L按一定规律衰减，其衰减倍率经过标定，获得激光能量密度随着L的变化曲线；所述吸收体为内壁具有消光纹且经喷沙发黑氧化处理的管体，管体中心轴与取样器同轴，管体的前端与取样器滑动连接，管体的后端有与多目标模拟器固定连接的接口；所述多目标模拟器由两组相同的N(N≥1)根具有一定长度且长度不等的光纤组成，所有光纤的输入/输出端面为平面，且垂直于光纤光轴，端面镀有对应激光波长的反射膜，多目标模拟器的光纤长度根据激光测距机的选通距离、距离分辨率和互为质数且相近长度进行设计，多目标模拟器的模拟距离和对脉冲激光峰值功率的衰减倍数经过精确标定，其中多目标模拟器的一组N根光纤用于激光能量监测，另外一组N根光纤用于激光目标回波模拟，且在与标准靶板接口中具有固定的空间位置，其空间位置与标准距离一一对应；所述标准靶板为激光致瞬时发光材料以一定的面阵列图案制成的方板，该图案构成笛卡儿坐标系x-y坐标轴上的刻度，该图案的中心间距为a，标准靶板上的中间部位有与多目标模拟器的N根光纤输出端连接的接口，该接口使光纤的光轴垂直于标准靶板板面；标准靶板板面与激光测距机接收光轴垂直，使多目标模拟器的输出端位于激光测距机接收光路前端一定距离处，且x轴与水平基准面平行，y轴与水平基准面垂直；所述可变光阑在被测激光测距机的接收窗口前；实际测距并调整激光测距机选通范围和可变光阑，获得距离-激光功率对应曲线，其中最大距离是标准距离的倍数，该标准距离的对应光纤在标准靶板上对应的空间位置(x_j，y_j)与激光测距机接收窗口的连线是激光测距机的实际激光接收光轴；根据取样器的透过率、扩束器输出端距离L、监测激光能量、多目标模拟器的标准距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定结果、多目标模拟器输出端激光能量分布和可变光阑口径，计算获得激光接收系统的最小可探测灵敏度和消光比。

对于不同激光波长的测距机采用与其激光波长匹配的光学材料制作取样器的标准透镜和扩束器、多目标模拟器的光纤。

激光发射光轴、接收光轴与瞄准光轴校准，激光测距机和标准靶板位置不动，屏蔽激光测距机接收窗口，当激光直接辐照到标准靶板上，产生瞬时辐射，激光测距机的瞄准(可见光、红外或微光)系统接收到瞬时辐射光斑，测量光斑上阵列图案的中心间距a_i，计算可获得在标准靶板上的激光光斑中心坐标(x，y)和激光光斑尺寸d，瞄准点的坐标(x₀，y₀)，机械调整激光测距机发射光轴使M_j＝(x，y)-(x_j，y_j)等于发射光轴与接收光轴的轴间距，机械或电子调整激光测距机瞄准视场中十字分划线或电十字中心坐标，使M＝(x，y)-(x₀，y₀)等于激光测距机的激光发射光轴与瞄准光轴的轴间距，实现激光发射光轴、接收光轴与瞄准光轴校准，a_i与a逐个比较，进行成像质量评价。

多目标模拟器的模拟距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定方法为：采用相应激光波长激光光源，多目标模拟器的一根光纤的输入端接收脉冲激光，输出端输出激光脉冲列到快速光电探测系统，数字示波器测量n个激光脉冲的波形，第i个激光脉冲能量E_i，测量第i个激光脉冲波形的峰值电压V_i、峰值电压V_i对应的时间t_i、脉冲宽度W_i、波形积分面积S_i、所有激光脉冲波形的总积分面积S，通过计算获得多目标模拟器的模拟距离R及其对应的激光能量衰减倍数S_E、激光峰值功率衰减倍数S_p、脉冲宽度的展宽系数S_W。计算公式如下：

模拟距离：R＝cT/2                   (1)

其中： $T=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(t_{i+1}-t_i)$ i＝1，2，3......

激光能量衰减倍数： $S_E=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(S_i/S_{i+1})---\left(2\right)$

激光峰值功率衰减倍数：

$S_p=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(V_i/V_{i+1})---\left(3\right)$

脉冲宽度的展宽系数：

$S_w=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(W_{i+1}/W_i)---\left(4\right)$

激光脉冲列总能量：

$E=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i=\mathrm{\α}{S}_1\frac{1}{1-\frac{1}{S_E}}---\left(5\right)$

其中：α——快速光电探测器的响应灵敏度。

对多目标模拟器的所有光纤进行逐个标定，反演计算获得多目标模拟器的每一个模拟激光回波脉冲的标准距离、激光能量、激光峰值功率、激光脉冲宽度。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明的多目标模拟器把传统方法中光纤单次输出激光脉冲改为经过多次反射后输出不同延迟时间不同峰值功率的多个激光脉冲，解决了采用光纤对激光脉冲延迟的时间和衰减倍数标定的困难问题，同时实现了多目标激光脉冲的定量化衰减模拟，还降低光纤长度，尤其对红外激光波长，节约红外光纤材料。

(二)本发明由于采用了取样器，使得激光测距机对不同目标的检测实现了定量模拟，通过标定可实现对激光测距机测距能力的量化评价，提高了测量结果的可比性。

(三)本发明的扩束器，由于采用对光纤棒外径镀金属反射膜，消除了激光在光纤棒与光纤棒之间的串扰，同时利于扩束器中心区域散热，减少了热形变对输出激光光束能量分布的影响，尤其适于红外波长激光的扩束。

(四)本发明主要部件全部采用光学和机械结构，无需供电，以激光测距机的测距结果为输出结果，从而提高了整个测量装置的环境适应能力，实现快速自校准，适合激光测距机出发前的自检和自校准。

(五)本发明采用了多目标模拟器，可在同一位置提供多个激光回波模拟脉冲，对转动搜索系统中激光测距机测距，可通过激光测距机的测距结果，反算转动角度和转动速度。

(六)本发明操作简单、成本低廉。

附图说明

图1是本发明的模拟测距工作原理图。

图2是本发明的激光发射光轴与接收光轴同轴度测量原理图。

图3是本发明的多目标模拟器的标定方法原理示意图。

图4是本发明的多目标模拟器的实施例之一。

图5是本发明的扩束器的实施例之一。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

实施例1

根据图1，本发明的优选实施例1对1.064μm激光波长的激光测距机进行检测，包括取样器1、吸收体2、多目标模拟器3、标准靶板4、可变光阑6。所述取样器1包括标准透镜11、扩束器12、镜管13、小目标光阑14，优选标准透镜11为焦距为300mm、口径为30mm的会聚激光的石英制作的消像差透镜，激光发射光路的有效通光口径为30mm；优选扩束器12采用石英光纤，长度为5mm的裸光纤棒，经专用刀具切割而成，光纤棒外径上镀金属反射膜，紧密成束；优选小目标光阑14中间具有通孔0.4mm，标准透镜焦平面位置的激光光斑0.6mm，激光测距机的技术指标规定的最大测程处目标截面与激光光斑的比值2/3；所述镜管13为内壁具有消光纹的管体，镜管13、标准透镜11、扩束器12与发射激光对准、同轴且紧固连接，并将发射激光全部会聚到扩束器12的输入端面，小目标光阑14放置于扩束器12的输出端面，且通孔中心位于激光光轴上；所述吸收体2为内壁具有消光纹且经喷沙发黑氧化处理的管体，管体中心轴与激光光轴同轴，管体的前端与取样器滑动连接，用以调整输入多目标模拟器3的激光能量，管体的后端与多目标模拟器3通过FC接口固定连接，优选管体的后端到扩束器12输出端距离为20mm。优选多目标模拟器3由两组相同的5根具有不同长度的单模光纤组成，长度分别为51m、53m、57m、59m、61m各两根，优选单模光纤的输入/输出端面为平面，且垂直于单模光纤光轴，镀有对激光波长1.064μm的相同反射膜；多目标模拟器3的模拟距离和对脉冲激光峰值功率的衰减倍数经过精确标定；其中多目标模拟器3的5根不同长度的单模光纤输出到激光能量计，另外5根单模光纤的输出端垂直连接到标准靶板4上，模拟激光目标回波；优选标准靶板4为印制电路板上打孔制成面阵列图案的方板，填充激光上转换材料并塑封，该图案构成笛卡儿坐标系x-y坐标轴上的刻度，该图案的中心间距为2mm，孔径为0.8mm，标准靶板4上的中间部位有与多目标模拟器3的5根单模光纤输出端连接的接口，该接口使单模光纤的光轴垂直于标准靶板4板面；标准靶板4垂直于激光光轴放置，且x轴与水平基准面平行，y轴与水平基准面垂直，5根单膜光纤在接口中具有固定的空间位置，在标准靶板4上的坐标为(x_j，y_j)，所述可变光阑6在被测激光测距机的接收窗口前；激光测距机对准多目标模拟器3的输出端实际测距，在x轴y轴方向上平移标准靶板4，并调整激光测距机选通范围测量获得最小距离、最大距离，最大距离是标准距离的倍数，依据该最大距离的标准距离对应的空间位置(x_j，y_j)，获得激光测距机的实际激光接收光轴；根据取样器1的透过率、扩束器12输出端距离L、监测激光能量、多目标模拟器3的标准距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定结果、多目标模拟器3输出端激光能量分布和可变光阑6口径，计算获得激光接收系统的最小可探测灵敏度和消光比。

根据图2，不动激光测距机和标准靶板4，屏蔽激光接收光路，离开取样器1，发射激光直接辐照到标准靶板4上，产生瞬时辐射，激光测距机的瞄准(可见光、红外或微光)系统接收到瞬时辐射光斑，测量光斑上阵列图案的中心间距a_i，计算可获得在标准靶板4上的激光光斑中心坐标(x，y)和激光光斑尺寸d，瞄准点的坐标(x₀，y₀)，机械调整激光发射系统光轴使M_j＝(x，y)-(x_j，y_j)等于发射光轴与接收光轴的轴间距，机械或电子调整瞄准视场中十字分划中心坐标，使M＝(x，y)-(x₀，y₀)等于激光测距机的激光发射光轴与瞄准系统光轴的轴间距，实现激光发射光轴、接收光轴与瞄准光轴自校准，a_i与a逐个比较，进行成像质量评价。

根据图3，多目标模拟器3的模拟距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定方法为：采用激光波长1.064μm激光光源，多目标模拟器3的一根光纤的输入端接收脉冲激光，输出端输出激光脉冲列到快速光电探测系统，数字示波器测量n个激光脉冲的波形，测量第i个激光脉冲的峰值电压V_i、峰值电压V_i对应的时间t_i、脉冲宽度W_i、波形积分面积S_i、所有激光脉冲波形的总积分面积S，通过计算获得多目标模拟器的模拟距离R及其对应的激光能量衰减倍数S_E、激光峰值功率衰减倍数S_p、脉冲宽度的展宽系数S_W。依据公式(1)-(5)计算。

对多目标模拟器3的所有光纤进行逐个标定，反演计算获得每一个模拟激光回波脉冲的标准距离、激光能量、激光峰值功率、激光脉冲宽度，用于计算激光测距机的最小可探测功率和消光比。

实施例2

根据图1，优选实施例2对10.6μm激光波长的激光测距机进行检测，包括取样器1、吸收体2、多目标模拟器3、标准靶板4、可变光阑6。优选取样器1的标准透镜11为对远红外光透射的锗透镜，优选扩束器12采用As-Se光纤材料、长度为5mm的裸光纤棒，经专用刀具切割而成，光纤棒外径上镀金属反射膜，紧密成束；优选小目标光阑14采用陶瓷材料制作；优选多目标模拟器3由2x5根具有不同长度的As-S光纤组成，长度分别为51m、53m、57m、59m、61m各两根，优选As-S光纤的输入/输出端面为平面，且垂直于光纤光轴，镀有对激光波长10.6μm相同的反射膜；多目标模拟器3的模拟距离和对脉冲激光峰值功率的衰减倍数经过精确标定；其他与实施例1相同。

实施例3

根据图4，优选实施例3对激光测距机进行远距离检测，包括多目标模拟器3、标准靶板4、自聚焦透镜5与接口，激光测距机与标准靶板4的距离为60m，标准靶板4板面垂直激光光轴，自聚焦透镜光轴与激光光轴同轴，发射激光测距，调整激光测距机的选通距离，根据测距结果对激光测距机的性能进行评估。

实施例4

根据图5，优选实施例4对10.6μm激光波长的激光进行扩束，包括扩束器12、准直透镜16及其镜管，优选扩束器12采用As-Se光纤材料、长度为5mm的裸光纤棒，经专用刀具切割而成，光纤棒外径上镀金属反射膜，紧密成束，准直透镜16对扩束激光进行准直。

实施例5

根据图5，优选实施例5对1.06μm激光波长的激光进行倍频和扩束，包括扩束器12、准直透镜16及其镜管，优选扩束器12采用倍频材料制作的光纤、长度为5mm的裸光纤棒，经专用刀具切割而成，光纤棒外径上镀金属反射膜，紧密成束，准直透镜16对原有激光和倍频激光同时进行准直和扩束。

Claims (5)

1.一种激光测距机检测装置，包括取样器[1]、吸收体[2]、多目标模拟器[3]、标准靶板[4]、可变光阑[6]；所述取样器[1]包括标准透镜[11]、扩束器[12]、镜管[13]、小目标光阑[14]；所述标准透镜[11]为能够会聚激光的消像差透镜，且焦距与有效通光口径的比值大于5，且有效通光口径大于等于激光测距机激光发射窗口；所述扩束器[12]为一组长度相等的光纤棒紧密成束，且光纤棒由裸光纤外径上镀金属反射膜，经专用刀具切割而成；所述小目标光阑[14]中间具有通孔，其通孔的口径与激光在标准透镜[11]焦平面位置的激光光斑的比值等于被测激光测距机的技术指标规定的最大测程处目标截面与激光光斑的比值，对大目标测距机检测时，取消小目标光阑[14]；所述镜管[13]为内壁具有消光纹的管体，且与标准透镜[11]、扩束器[12]紧固连接，镜管[13]、标准透镜[11]、扩束器[12]与发射激光对准且同轴，并将发射激光全部会聚到扩束器[12]的输入端面，小目标光阑[14]放置于扩束器[12]的输出端面，且通孔中心位于激光光轴上；在距扩束器[12]输出端距离为L的光轴附近横截面上，激光能量密度随着L按一定规律衰减，其衰减倍率经过标定，获得激光能量密度随着L的变化曲线；所述吸收体[2]为内壁具有消光纹且经喷沙发黑氧化处理的管体，管体中心轴与取样器[1]同轴，管体的前端与取样器[1]滑动连接，管体的后端有与多目标模拟器[3]固定连接的接口；所述多目标模拟器[3]由两组相同的N(N≥1)根具有一定长度且长度不等的光纤组成，所述光纤的输入/输出端面为平面，且垂直于光纤光轴，端面镀有对应激光波长的反射膜，多目标模拟器[3]的光纤长度根据激光测距机的选通距离、距离分辨率和互为质数且相近长度进行设计，多目标模拟器[3]的模拟距离和对脉冲激光峰值功率的衰减倍数经过精确标定，其中多目标模拟器[3]的一组N根光纤用于激光能量监测，另外一组N根光纤用于激光目标回波模拟，且在与标准靶板[4]的接口中具有固定的空间位置(x_j，y_j)；所述标准靶板[4]为激 光致瞬时发光材料以一定的面阵列图案制成的方板，该图案构成笛卡儿坐标系x-y坐标轴上的刻度，该图案的中心间距为a，标准靶板[4]上的中间部位有与多目标模拟器[3]的N根光纤输出端连接的接口，该接口使光纤的光轴垂直于标准靶板[4]板面；标准靶板[4]板面与激光测距机接收光轴垂直，使多目标模拟器[3]的输出端位于激光测距机接收光路前端一定距离处，且x轴与水平基准面平行，y轴与水平基准面垂直；所述可变光阑[6]在被测激光测距机的接收窗口前；实际测距并调整激光测距机选通范围和可变光阑[6]，获得距离-激光峰值功率对应曲线，其中最大距离是标准距离的倍数，该标准距离的对应光纤在标准靶板[4]上对应的空间位置(x_j，y_j)与激光测距机接收窗口的连线是激光测距机的实际激光接收光轴；根据取样器[1]的透过率、扩束器[12]输出端距离L、监测激光能量、多目标模拟器[3]的标准距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定结果、多目标模拟器[3]输出端激光能量分布和可变光阑[6]的口径，计算获得激光接收系统的最小可探测灵敏度和消光比。

2.根据权利要求1所述激光测距机检测装置，其中所述取样器[1]的标准透镜[11]和扩束器[12]、多目标模拟器[3]，还包括对于不同激光波长的测距机采用与其激光波长匹配的光学材料制作取样器[1]的标准透镜[11]和扩束器[12]、多目标模拟器[3]的光纤。

3.根据权利要求1所述激光测距机检测装置，其中还包括激光发射光轴、接收光轴与瞄准光轴校准方法，激光测距机和标准靶板[4]位置不动，屏蔽激光测距机接收窗口，当激光直接辐照到标准靶板[4]上，产生瞬时辐射，激光测距机的瞄准(可见光、红外或微光)系统接收到瞬时辐射光斑，测量光斑上阵列图案的中心间距a_i，计算可获得在标准靶板[4]上的激光光斑中心坐标(x，y)和激光光斑尺寸d，瞄准点的坐标(x₀，y₀)，机械调整激光测距机发射光轴使 M_j＝(x，y)-(x_j，y_j)等于发射光轴与接收光轴的轴间距，机械或电子调整激光测距机瞄准视场中十字分划线或电十字中心坐标，使M＝(x，y)-(x₀，y₀)等于激光测距机的激光发射光轴与瞄准光轴的轴间距，实现激光发射光轴、接收光轴与瞄准光轴校准，a_i与a逐个比较，进行成像质量评价。

4.根据权利要求1所述激光测距机检测装置，其中还包括多目标模拟器[3]的模拟距离和激光能量(峰值功率)衰减损耗标定方法为：采用相应激光波长激光光源，多目标模拟器[3]的一根光纤的输入端接收脉冲激光，输出端输出激光脉冲列到快速光电探测系统，数字示波器测量n个激光脉冲的波形，其中第i个激光脉冲能量E_i，第i个激光脉冲波形的峰值电压V_i、峰值电压V_i对应的时间t_i、脉冲宽度W_i、波形积分面积S_i、所有激光脉冲波形的总积分面积S，通过计算获得多目标模拟器[3]的模拟距离R及其对应的激光能量衰减倍数S_E、激光峰值功率衰减倍数S_p、脉冲宽度的展宽系数S_w。计算公式如下：

模拟距离：R＝cT/2                               (1)

其中：i＝1，2，3......

激光能量衰减倍数：

激光峰值功率衰减倍数：

脉冲宽度的展宽系数：

激光脉冲列总能量：

其中：α——快速光电探测器的响应灵敏度。

对多目标模拟器的所有光纤进行逐个标定，反演计算获得多目标模拟器的每一个模拟激光回波脉冲的标准距离、激光能量、激光峰值功率、激光脉冲宽度。

5.根据权利要求2所述扩束器[12]，还包括光纤棒采用非线性材料制作的光纤，在其外径上镀金属反射膜，紧密成束，激光扩束和非线性效应在扩束器[12]中同时进行。 

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