CN102590802A - 一种可调谐激光距离模拟器及距离模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐激光距离模拟器及检测方法，为激光测距敏感器室内试验调试提供距离信息。本发明通过信号延迟器可调的延迟时间信息模拟激光传输的动态距离信息；通过光衰减器的衰减量，尽可能真实的模拟激光传播随距离、大气环境及入射点地理环境等因素的衰减；系统由labview程序实时控制，labview随时接收上级的模拟距离信息，控制整个可调谐激光距离模拟器系统模拟出该距离信息，从而来检验激光测距敏感器所测出距离信息的准确度。另外，距离模拟器还有一个专门的自标定系统，避免一些技术参数随着使用时间及环境等发生漂移。本发明实现了高精度、宽范围的距离信息模拟，为激光测距敏感器的室内试验调试带来了很大的方便。

Description

一种可调谐激光距离模拟器及距离模拟方法

技术领域：

本发明涉及一种激光测距敏感器的激光距离模拟器，具体是指一种可调谐激光距离模拟器及距离模拟方法，它用于检测激光测距敏感器的测距性能。

背景技术：

脉冲激光测距通过测量从激光主波发射到激光回波接收的时间长度来计算与目标的相对距离，具有探测距离远、测量精度高、对光源相干性要求低等优点。在对激光测距敏感器，尤其是对测距范围较大的星载激光测距敏感器进行测距性能测试时，使用真实地面物体作为距离目标，接收从目标反射的激光回波测试激光测距敏感器性能的方法，需要提供长距离且可精确标定距离的测距目标，对目标和环境的要求很高，而要建立一个在激光测距仪有效测距内，距离可以任意变化的测试目标则更为困难。

在对测距范围从15m到30km的星载激光测距敏感器进行地面性能测试时，并且使模拟距离精度优于0.15m，数据响应速率大于4Hz，目前在已经公开的文献中，还没有相应的技术方案。

本发明激光测距动态距离模拟器，即在满足以上技术指标要求的前提下，为了减小目标及环境条件对测试的影响，同时提高测试的易操作性和精确性，从而被设计发明出来的。距离模拟器接收激光测距敏感器发射的激光，经过可由计算机设定的延时后，产生一定强度和宽度的激光脉冲，输入激光测距敏感器作为模拟回波信号。距离模拟器提供的模拟距离不受客观环境限制，能覆盖激光测距敏感器的全部测程，可在室内给激光测距敏感器提供闭环的可调光信号激励，对测距敏感器的灵敏度、距离分辨率以及测距精度等性能参数进行测试。

发明内容：

本发明提供一种可调谐激光距离模拟器来解决激光测距敏感器检测所需的动态距离信息的问题。

可调谐激光距离模拟器的系统构成如附图1所示：它由激光距离模拟模块(虚线框1以内部分)和自定标模块组成(虚线框1与虚线框2之间部分)，激光距离模拟模块包括激光接收单元、信号延迟单元，激光发射单元X，激光发射单元Z，光衰减器和延迟控制单元；自定标模块包括激光光源单元、标准光纤单元、平衡探测器单元和示波器。其中：

1.激光接收单元

激光接收单元由光衰减器、高速PIN管探测器模块，AD转换电路和比较电路组成。其中，光衰减器通过一个分束光纤及透射激光光束方向与探测器稍微错开，来实现激光的衰减。最后比较电路输出一个信号延迟单元所需要的TTL电平。

2.信号延迟单元

信号延迟单元，采用美国HIGHLAND TECHNOLOGY的Model P400 BenchtopDigital Delay/Pulse Generator或GREENFIELD TECHNOLOGY的GFT1004。具体指标要求如下：四通道的延迟脉宽输出，1ps的分辨率，高达1000s的设定延迟时间，25ns的插入延迟，小于10ps的平均抖动，10MHz的速率，可编程的触发阈值及可调节的输出脉冲电平。

3.激光发射单元X、Z

激光发射单元X和激光发射单元Z采用深圳明鑫科技发展有限公司的1064光纤脉冲激光器，型号MXFLTMP-1064-1k-010-100-2-M。工作波长范围1063nm～1065nm；脉冲峰值功率≥1W；脉冲宽度≤10ns；重频≤10Hz。

4.光衰减器

光衰减器采用用Agilent N77-Series光衰减器中的型号N7768A。考虑到光衰减器的波长范围必须覆盖到1064nm，N77系列里面只有N7766A，N7766A是符合要求的。N7766A只有两个通道，N7768A有四个通道，考虑到使用的方便，而且通道可以串联使用，能得到更大的衰减倍率，最后选用N7768A。N7768A的衰减范围1dB～35dB，衰减精度为0.03dB，输入功率+23dBm。

5.延迟控制单元

延迟控制部分，用LABVIEW编写的界面在计算机上运行。LABVIEW的程序功能实现过程：运行计算机的LABVIEW界面；计算机通过网线接收控制台发出的距离信息命令，经过公式

换算为延迟时间信息；t通过RS232接口传给延迟器；延迟器对t进行判定，若在延迟器量程范围内，则设定延迟器的延迟时间，若不在延迟器量程范围内，则向计算机报错。

6.自标定模块

激光测距敏感器动态距离模拟器的技术参数(准确度和精度)在使用过程中受周围环境的影响可能会发生细微的漂移，通过自标定系统可以校正其技术参数。自标定系统，使该系统有一个标准的规范，在任何情况下得以科学的校正。

可调谐激光距离模拟器的自标定模块包括激光光源单元(可使用激光测距敏感器激光发射端代替)、标准光纤和平衡探测器单元。激光光源单元发出的光脉冲被分束光纤1一分为二，两束光脉冲分别进入距离模拟器的激光接收单元和自标定系统的标准光纤，根据标准光纤的长度设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量，使得二者匹配。进入标准光纤的光脉冲通过标准光纤输出端、距离模拟器的激光发射单元X或激光发射单元Z发出的光脉冲通过光衰减器、分束光纤2和耦合光纤分别进入平衡探测器的两个输入端。若示波器显示平衡探测器的模拟电信号只包含一个脉冲，则说明标准光纤的长度与设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量二者匹配；否则，调整距离模拟器延迟单元的延迟时间使标准光纤的长度与设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量二者相匹配。

可调谐激光距离模拟器工作过程如下：当激光接收单元响应到经入射光纤耦合到的由激光测距敏感器发出的激光脉冲后，激光接收单元对激光脉冲信号适当的衰减、光电信号转化、模数转换，以TTL电平脉冲的形式触发信号延迟单元，启动延迟计时，延迟所设定的时间结束(对应特定的模拟高度，延迟器使用两个通道，分别模拟两个距离信息X、Z)以后，信号延迟单元发出TTL电平脉冲分别触发激光发射单元X、激光发射单元Z出光，经光衰减器根据实际需求做特定的衰减后，通过光纤耦合进入激光测距敏感器的接收望远镜被其探测，实现了激光测距敏感器X、Z两个方向的距离信息的模拟；通过延迟控制单元设定不同的延迟时间和实现不同距离信息的模拟。

可调谐激光距离模拟器具体模拟方法步骤如下：

步骤1：自定标：启动激光光源单元，激光光源单元发出的激光进入入射光纤后被分束光纤1分为2束激光，2束激光分别进入距离模拟器的激光接收单元和自标定系统的标准光纤，根据标准光纤的长度设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量，使得二者匹配；进入标准光纤的光脉冲通过标准光纤输出端、距离模拟器的激光发射单元X或激光发射单元Z发出的光脉冲通过光衰减器、分束光纤2和耦合光纤分别进入平衡探测器的两个输入端，若示波器显示平衡探测器输出为一个脉冲，说明距离模拟器的模拟量和标准光纤长度匹配；若平衡探测器输出为两个脉冲，需要对距离模拟器的延迟时间t参数加以修正根据试验结果调整距离模拟器的延迟时间t参数公式中的修正值x：

$t=\frac{2L}{c}+x---\left(1\right)$

式中：L为要模拟的距离信息，c为光速，x为修正值，初始值取任意实数；

步骤2：延迟控制单元参数设置：根据要求模拟的距离，信号延迟单元设置相应的时间延迟，光衰减器做出相应的衰减；

步骤3：整个系统开始运作，激光接收单元，接收激光测距敏感器的激光，将光信号转化为TTL电平，触发信号延迟器，延迟两个特定的时间(X、Z两个通道)后，输出为TTL电平，触发激光发射单元X、Z发光，光衰减器根据实际情况，做适当的衰减后，激光测距敏感器的接收望远镜接收回波信号得到激光测距敏感器的检测结果。

步骤4：根据要求模拟的其它不同的距离，重新设置信号延迟单元相应的时间延迟，重复步骤3，得到该模拟距离下的激光测距敏感器的检测结果。

本发明的技术效果在于：

本发明实现了高精度、宽范围的距离信息模拟。在模拟距离范围R上，X方向模拟高度为15m～4km，Z方向上模拟高度为2km～30km。模拟距离精度上，当R≤500m时，优于0.15m，当R≥500m时，优于0.1m+0.0001R。在已公开的文献中，还没有达到这样要求的技术方案。

最小模拟高度15m的实现：最小模拟高度转化为最短时间延迟为 $t_{\min }=\frac{2\×R_{\min }}{c}=\frac{2\×15m}{3\×{10}^{8}m/s}=1.0\×{10}^{-7}s=100\mathrm{ns}.$ 实际测试，激光接收单元的固有延迟为D₁≈2ns，信号延迟单元的固有延迟为D₂≈33ns，激光发射单元的出光固有延迟为D₃≈60ns，光衰减器单元固有延迟可以忽略不计，则，动态模拟的固有延迟为D_共＝D₁+D₂+D₃≈95ns，实现了宽范围模拟距离的最小值。

最大模拟高度30km的实现：最大模拟高度转化为最长时间延迟为 $t_{\max }=\frac{2\×R_{\max }}{c}=\frac{2\×30\×{10}^{3}m}{3\×{10}^{8}m/s}=2.0\×{10}^{-4}s=200\mathrm{\μs},$ 即整个系统最大延迟需要达到200μs。信号延迟单元的延迟范围D_2max＝999.99s，实现了宽范围模拟距离的最大值。

模拟距离精度优于0.15m：模拟距离精度转化为时间延迟精度，即脉冲时间抖动优于实际测试，激光接收单元输出脉冲抖动δ₁≈150ps，信号延迟单元输出脉冲抖动为δ₂≈100ps，激光发射单元出光时间抖动δ₃≈200ps。则，动态模拟器的总共时间抖动为 $3\sqrt{{\mathrm{\δ}}_1^2+{\mathrm{\δ}}_2^2+{\mathrm{\δ}}_3^2}=3\sqrt{{150}^2+{100}^2+{200}^2}\×{10}^{-12}\≈0.808\left(\mathrm{ns}\right),$ 实现了高精度的距离模拟。

附图说明：

图1为可调谐激光距离模拟器结构示意图。

图2为延迟控制单元LABVIEW程序流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

系统硬件构成：

激光接收单元为一个分束光纤、高速PIN管探测器和比较电路组成；

信号延迟单元选用美国highland technology的P400信号延迟脉冲发生器；

激光发射单元选用深圳明鑫激光技术有限公司的1064脉冲激光器；

光衰减器单元选用安捷伦公司的四通道光衰减器N7768A；

延迟控制单元选用泰易公司的一个嵌入式人机交互界面，装入人工编写的labview程序，从而控制整个系统功能的实现。

本发明的具体实施方案如下：

步骤1：按照图1中虚线框2所示自标定系统，使用示波器观察平衡探测器单元，使得出现一个脉冲的形式，说明标准光纤和动态距离模拟器匹配，标定成功，若出现两个脉冲，对距离模拟器参数t加以修改；

步骤2：激光接收单元，将激光测距敏感器发射出的激光信号转化为TTL电平，幅度为3V，上升沿为3ns～4ns，触发信号延迟单元。

步骤3：信号延迟单元使用通道A、通道B，根据上级下达指令中X方向、Z方向的距离数据，程序自动换算成时间分别给延迟器通道A、B。经相应的延迟后，输出TTL电平，分别给激光发射单元X，激光发射单元Z。

步骤4：激光发射单元X、激光发射单元Z，接收信号延迟单元的延迟脉冲后，产生脉冲宽度为1ns，峰值功率为1W，工作波长范围为1064nm的脉冲信号。

步骤5：光衰减器根据实际需求，对两激光器输出脉冲做适当的衰减。衰减最低至35dB。

步骤6：激光测距敏感器接收到回波信号，判断此次测距值。与上级指令中X、Z方向距离值做比较，检测激光测距敏感器的测距精度。

Claims (2)

1.一种可调谐激光距离模拟器，它由激光距离模拟模块和自定标模块组成，其特征在于：

所述的激光距离模拟模块包括激光接收单元、信号延迟单元，激光发射单元X，激光发射单元Z，光衰减器和延迟控制单元；

所述的激光接收单元由光衰减器、高速PIN管探测器模块，AD转换电路和比较电路组成，光衰减器通过一个分束光纤及透射激光光束方向与探测器稍微错开，来实现激光的衰减，比较电路输出一个信号延迟单元所需要的TTL电平；

所述的信号延迟单元具有四通道的延迟脉宽输出，1ps的分辨率，高达1000s的设定延迟时间，25ns的插入延迟，小于10ps的平均抖动，10MHz的速率，可编程的触发阈值及可调节的输出脉冲电平；

所述的激光发射单元X和激光发射单元Z采用光纤脉冲激光器，工作波长范围1063nm～1065nm，脉冲峰值功率≥1W，脉冲宽度≤10ns，重频≤10Hz；

所述光衰减器的衰减范围为1dB～35dB，衰减精度为0.03dB，输入功率+23dBm；

所述的自标定模块包括激光光源单元、标准光纤和平衡探测器单元，其中激光光源单元可使用激光测距敏感器激光发射端代替；激光光源单元发出的光脉冲被分束光纤1一分为二，两束光脉冲分别进入距离模拟器的激光接收单元和自标定系统的标准光纤，根据标准光纤的长度设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量，使得二者匹配；进入标准光纤的光脉冲通过标准光纤输出端、距离模拟器的激光发射单元X或激光发射单元Z发出的光脉冲通过光衰减器、分束光纤2和耦合光纤分别进入平衡探测器的两个输入端；若示波器显示平衡探测器的模拟电信号只包含一个脉冲，则说明标准光纤的长度与设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量二者匹配；否则，调整距离模拟器延迟单元的延迟时间使标准光纤的长度与设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量二者相匹配；

可调谐激光距离模拟器工作过程如下：当激光接收单元响应到经入射光纤耦合到的由激光测距敏感器发出的激光脉冲后，激光接收单元对激光脉冲信号适当的衰减、光电信号转化、模数转换，以TTL电平脉冲的形式触发信号延迟单元，启动延迟计时，延迟所设定的时间结束以后，信号延迟单元发出TTL电平脉冲分别触发激光发射单元X、激光发射单元Z出光，经光衰减器根据实际需求做特定的衰减后，通过光纤耦合进入激光测距敏感器的接收望远镜被其探测，实现了激光测距敏感器X、Z两个方向的距离信息的模拟；通过延迟控制单元设定不同的延迟时间和实现不同距离信息的模拟。

2.一种基于如权利要求1所述激光距离模拟器的激光距离模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：自定标，启动激光光源单元，激光光源单元发出的激光进入入射光纤后被分束光纤1分为2束激光，2束激光分别进入距离模拟器的激光接收单元和自标定系统的标准光纤，根据标准光纤的长度设置距离模拟器信号延迟单元的延迟量，使得二者匹配；进入标准光纤的光脉冲通过标准光纤输出端、距离模拟器的激光发射单元X或激光发射单元Z发出的光脉冲通过光衰减器、分束光纤2和耦合光纤分别进入平衡探测器的两个输入端，若示波器显示平衡探测器输出为一个脉冲，说明距离模拟器的模拟量和标准光纤长度匹配；若平衡探测器输出为两个脉冲，需要对距离模拟器的延迟时间t参数加以修正根据试验结果调整距离模拟器的延迟时间t参数公式中的修正值x：

$t=\frac{2L}{c}+x---\left(1\right)$

式中：L为要模拟的距离信息，c为光速，x为修正值，初始值取任意实数；

步骤2：延迟控制单元参数设置：根据要求模拟的距离，信号延迟单元设置相应的时间延迟，光衰减器做出相应的衰减；

步骤3：整个系统开始运作，激光接收单元，接收激光测距敏感器的激光，将光信号转化为TTL电平，触发信号延迟器，延迟X、Z两个通道的两个特定的时间后，输出为TTL电平，触发激光发射单元X、Z发光，光衰减器根据实际情况，做适当的衰减后，激光测距敏感器的接收望远镜接收回波信号，得到激光测距敏感器的检测结果；

步骤4：根据要求模拟的其它不同的距离，重新设置信号延迟单元相应的时间延迟，重复步骤3，得到该模拟距离下的激光测距敏感器的检测结果。

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