CN103018009A - 激光告警设备模拟检测装置及模拟检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长激光告警系统模拟检测装置及激光告警设备模拟检测方法，所述模拟检测装置包括：精确模拟来袭激光光束的多波长集成模拟激光光源，安装激光告警设备用的两轴伺服转台，控制所述多波长集成模拟激光光源和所述两轴伺服转台动作的工控机，以及所述工控机与所述多波长集成模拟激光光源之间实现无线通讯的无线路由器。本发明通过控制激光光源模拟激光设备的光场特征，可在激光告警设备出厂或维修时对其进行性能检测，操作简便易行，避免了在野外使用激光设备的实测，消除了天气影响，提高了检测工作效率。本发明可对激光告警设备的告警波长、最小可探测功率、角度分辨率、多目标响应能力等多项性能指标进行自动化综合检测。

Description

激光告警设备模拟检测装置及模拟检测方法

技术领域

本发明涉及一种激光目标模拟检测设备，具体地说是一种激光告警设备模拟检测装置及模拟检测方法。

背景技术

目前，对激光告警设备性能的出厂检测方法，一般采用“漫反射靶板”法，即以激光测距机、激光照射指示器或其它的激光脉冲信号源模拟远方目标，通过改变激光目标源的位置或强弱，检测激光告警设备能否做出正确的反应，以此作为对激光告警设备的检测评价结果。这种检测方法既受限于检测场地和天气条件，还会受到检测仪器和设备的限制，无法实现检测的自动化、数字化和实时化，也不易检测激光告警设备对多目标的响应能力。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种激光告警设备模拟检测装置，以实现在室内环境条件下对激光告警设备性能的实时模拟检测，满足激光告警设备的出厂检测和维修检测的使用需要。

本发明的目的之二就是提供一种激光告警设备模拟检测方法，

本发明是这样实现的：一种激光告警设备模拟检测装置，包括：精确模拟来袭激光光束的多波长集成模拟激光光源，安装激光告警设备用的两轴伺服转台，控制所述多波长集成模拟激光光源和所述两轴伺服转台动作的工控机，以及所述工控机与所述多波长集成模拟激光光源之间实现无线通讯的无线路由器；

所述多波长集成模拟激光光源包括：发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器，对所述DFB激光器发射的激光光速进行切换的5×1光开关，对所述DFB激光器发射的激光光速进行衰减调节的电控可调谐光衰减器，对衰减后的激光束进行准直操作的光纤准直器，分别连接在所述DFB激光器与所述5×1光开关的输入端之间、所述5×1光开关的输出端与所述电控可调谐光衰减器的输入端之间、所述电控可调谐光衰减器的输出端与所述光纤准直器输入端之间的多模光纤，分别与五个所述DFB激光器相接的光源驱动电路，对所述光源驱动电路进行控制的光源主控电路，以及与所述光源主控电路相接的无线通信模块。

本发明中的所述两轴伺服转台包括：用于安装激光告警设备的安装座，与所述安装座通过水平铰接轴连接的U形支架，安装在所述U形支架底部的竖向中心轴，驱动所述中心轴旋转的伺服电机，安装所述伺服电机的底座，以及控制所述伺服电机动作并与所述工控机通过数据线相接的控制器。

本发明的目的之二是这样实现的：一种激光告警设备模拟检测方法，包括以下步骤：

a、利用发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器精确模拟来袭激光光束，通过对所述DFB激光器发射的多波长激光束的切换，实现多种波长激光束的模拟，以检测被测激光告警设备的波长覆盖范围；

b、连续调节所述DFB激光器所发激光束的输出功率，当功率小到通过被测激光告警设备无法产生告警响应时，即可测出被测激光告警设备的最小可探测功率和对应不同激光设备的实际探测距离；

c、以不同的编码信息驱动激光器模拟不同激光设备的编码信息，检测激光告警设备对不同激光设备编码信息的识别能力；

d、通过激光告警设备与激光光源之间形成的不同的角度关系，检测其俯仰、方位覆盖范围和探测角度分辨率等指标；

e、将多个激光光源作为无线局域网节点接受工控机的统一控制，模拟多个来袭目标，从而检验被测激光告警设备对多个来袭激光目标的告警响应能力。

五个所述DFB激光器发射的激光光源通过5×1光开关的切换，再通过电控可调谐光衰减器的不同程度的衰减和光纤准直器的准直后，即可模拟不同波长和不同强度的来袭激光光束。

通过工控机对两轴伺服转台二维旋转方向的控制，即可使安装在所述两轴伺服转台上的被测激光告警设备与在固定位置安装的五个所述DFB激光器所发出的激光光源形成不同的俯仰角度和方位关系，以模拟不同方向的来袭激光。

通过无线路由器将工控机与五个所述DFB激光器连接成无线局域网，每个所述DFB激光器作为所述无线局域网中的一个光源节点，模拟一个来袭激光目标，通过工控机自动识别无线局域网中的所有光源节点，并对其中任一光源节点单独控制，或对全部光源节点进行整体控制。

在一个FPGA芯片上集成CPU、总线和各个所述DFB激光器的编码信息发生器，以实现模拟光场特征的智能控制。

本发明是以光纤耦合式DFB激光器精确模拟来袭激光光束，包括模拟来袭激光的波长、功率、频率和照射方向等。通过对多波长激光束的切换，实现对不同波长激光束的模拟，以检被测测激光告警设备的波长覆盖范围。通过连续调节本模拟检测装置所发激光束的输出功率，当功率小到激光告警设备无法产生告警响应时即可测出被测测激光告警设备的最小可探测功率，从而得到其对应不同激光设备的实际探测距离。在工控机的控制下，以不同的编码信息驱动DFB激光器模拟不同激光设备的编码信息，以检测被测激光告警设备对不同激光设备编码信息的识别能力。通过变换被测激光告警设备与激光光源之间形成的不同的角度关系，检测被测激光告警设备的俯仰、方位覆盖范围和探测角度分辨率等性能指标。将多个DFB激光器与工控机组成无线局域网，每个DFB激光器为无线局域网的一个节点，接受工控机的统一控制，模拟多个来袭激光目标，从而检验被测激光告警设备对多个激光目标的告警响应能力。

DFB激光器具有波长稳定、单色性好等优点，适合做精密激光光源。目前，激光设备的发射波长范围主要集中在近红外700~1700nm，本发明选择五种波长的光纤耦合式DFB激光器来模拟五种典型激光设备发射的激光光束，包括860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm。

随着微光机电制作工艺的发展，波长范围支持700~1700nm 的光开关和电控可调谐光衰减器均已产品化，前者通过TTL电平即可控制对不同激光光束的切换；后者通过模拟电压控制对光束的衰减量。本发明以5×1光开关作为五个DFB激光器的光束切换元件，实现不同波长激光光束的选择或组合输出。DFB激光器的输出耦合光纤一般采用单模光纤，而光开关一般采用多模光纤输入激光光束。因此，每个DFB激光器输出耦合的单模光纤熔接多模光纤后接入光开关的输入端口。光开关输出端口经过多模光纤和电控可调谐光衰减器，连接至光纤准直器。DFB激光器发射的激光光束，经过光纤准直器的压缩后，以近似无穷远的目标进入被测激光告警设备的输入通道，以模拟来袭激光。通过对电控可调谐光衰减器的光衰减量进行标定，即可按设定值对激光光束进行衰减，实现对光束输出功率的连续调节。

现场可编程门阵列（FPGA）因具有现场可编程、易于重构等特点，特别适合复杂逻辑电路设计领域。本发明需模拟多种激光设备的编码信息，传统的单片机系统不能满足高频、高稳的要求，因此采用FPGA作为模拟激光光源的光源主控电路核心器件。光源主控电路通过光源驱动电路产生模拟脉冲编码信息和模拟相位测距光束等，以模拟不同的激光设备，控制光开关的切换，实现不同波长激光光束的切换。通过光源驱动电路中的继电器，设置某一路DFB激光器与光源驱动电路的连接；通过光源驱动电路，控制电控可调谐光衰减器的衰减量。另外，光源主控电路还通过无线通信模块与工控机进行无线通信。因此，本发明在FPGA中嵌入CPU软核和总线，形成光源主控电路，实现对各个电路模块的协调控制。

为设定被测激光告警设备与模拟激光目标之间的角度关系，将激光告警设备安装在两轴伺服转台上，通过工控机控制两轴伺服转台与在固定位置处安装的激光光源形成可变、可调的俯仰和方位关系。通过调节两轴伺服转台的转向，即可调节被测激光告警设备与模拟激光目标之间的俯仰和方位关系，从而检测出被测激光告警设备在水平360°范围内和在垂直180°范围内的响应能力及角度分辨率。

除检测激光告警设备的上述性能之外，为检测激光告警设备对多个激光目标的实时告警响应能力，本发明将模拟激光光源中的各个DFB激光器作为无线局域网中的一个节点，与工控机实现无线通信，当需要对被测激光告警设备进行多目标探测能力的检测时，只需增加节点数即可进行检测。这样，一方面避免了有线连接线的布线复杂性，增加了系统的灵活性；另一方面，又能通过工控机对网络中每个节点上的激光光源的光束波长、编码信息、发射时刻等进行设置，从而快速形成对多个激光目标的模拟。

本发明提供了一种可在室内环境下检验激光告警设备各种性能参数的模拟检测装置。通过控制激光光源模拟激光设备的光场特征，可在激光告警设备出厂或维修时对其进行性能检测，操作简便易行，避免了在野外使用激光设备的实测，消除了天气影响，提高了检测工作效率。本发明能够模拟多种波长的多个激光目标，主要适用于对激光告警设备的性能参数的检测，实现了对激光告警设备的告警波长、最小可探测功率、角度分辨率、多目标响应能力等多项性能指标的自动化综合检测。

本发明激光告警设备模拟检测方法不依托野外实际环境场地进行，检测操作十分方便。多波长集成模拟激光光源可在工控机控制下发出五种波长中的任意一种，发出多种激光设备编码信号的任意一种，由此使得模拟检测功能具有很强的通用性、选择性和灵活性。

附图说明

图1是本发明模拟检测装置的结构示意图。

图2是多波长集成模拟激光光源的结构示意图。

图3是光源主控电路的电路结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明激光告警设备模拟检测装置包括：多波长集成模拟激光光源4、安装激光告警设备用的两轴伺服转台3、控制所述多波长集成模拟激光光源4和所述两轴伺服转台3动作的工控机1，以及与所述工控机1电连接的无线路由器2；无线路由器2用以实现工控机1与多波长集成模拟激光光源4之间的无线通讯。

如图2所示，多波长集成模拟激光光源4包括：发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器5，对所述DFB激光器发射的激光光速进行切换的5×1光开关10，对所述DFB激光器发射的激光光速进行衰减调节的电控可调谐光衰减器12，对衰减后的激光束进行准直操作的光纤准直器13，在各DFB激光器5与5×1光开关10的输入端之间分别接有多模光纤11，在5×1光开关10的输出端与电控可调谐光衰减器12的输入端之间接有多模光纤11，在电控可调谐光衰减器12的输出端与光纤准直器13的输入端之间也连接有多模光纤11；五个DFB激光器5共接在光源驱动电路14上，每个DFB激光器5与光源驱动电路14中的一个继电器相接，光源驱动电路14的另一个输出端接至电控可调谐光衰减器12的控制端；光源驱动电路14的控制端与光源主控电路15相接，在光源主控电路15上还接有无线通信模块16。DFB激光器5的耦合输出单模光纤与多模光纤11进行熔接，多模光纤11将光束引入至5×1光开关10的输入端；5×1光开关10的输出端经多模光纤11连接至电控可调谐光衰减器12，电控可调谐光衰减器12经多模光纤11连接至光纤准直器13。5×1光开关10可由光源主控电路15进行切换控制，在光源驱动电路14中设置有5路继电器，当光束切换时，对应的继电器同时切换动作。电控可调谐光衰减器12的光衰减量由光源驱动电路14输出的模拟电压进行设置。

图1中，两轴伺服转台3是在底座中装有伺服电机及其控制器，在底座上接有通过伺服电机驱动旋转的中心轴，中心轴的上端接在U形支架的底部，在U形支架上设置有安装座，安装座通过水平铰接轴铰接在U形支架上；底座中的控制器通过数据线或通讯卡与工控机1相接，通过工控机1控制安装座及安装在安装座上的被测激光告警设备6的偏转角度。

图3给出了光源主控电路15的一种具体实现方式。其结构是由FPGA芯片及其外围电路组成，FPGA芯片内部逻辑电路包括CPU软核25、总线24和由低速DAC控制逻辑23、脉冲编码信号发生器22、DDS模块21、高速DAC控制逻辑20、通用输入输出端口（GPIO）18、SPI模块17和IIC模块26等组成的FPGA内部模块，FPGA内部模块均挂在总线24上，接受CPU软核25的访问。其中，低速DAC控制逻辑23连接外围电路中的低速DAC 29，实现对电控可调谐光衰减器12衰减量的调谐。脉冲编码信号发生器22产生模拟激光脉冲编码信息，DDS模块21和外围的高速DAC 30模拟相位测距信息，二者输出的信号经光源驱动电路14驱动多波长集成模拟激光光源4；GPIO模块18经电平转换电路19分别驱动5×1光开关10和光源驱动电路14中的继电器切换至对应波长的DFB激光器5；SPI模块17与无线通信模块16连接，实现光源主控电路15与工控机1之间的无线通信；IIC模块26与高精度实时时钟31连接，实现设置发射时刻的功能。FLASH存储器28同时存储FPGA配置代码和CPU软核的可执行代码。当电源模块32加电后，首先FPGA完成片上系统的配置，其次加载可执行代码至FPGA内部的BlockRAM 27中，CPU软核即开始运行。

两轴伺服转台3可在工控机1的控制下，进行方位360°旋转和俯仰180°偏转，与某一位置固定的多波长集成模拟激光光源4出光位置形成一定的方位和俯仰角度关系。

本发明的若干多波长集成模拟激光光源4与工控机1形成客户端/服务器网络模式，工控机1可以和任意一个或多个多波长集成模拟激光光源4通信，并对其进行设置，模拟多个来袭激光目标。这种无线网络可以采用通用模块进行构建，增加或减小节点，无需对网络进行任何修改。

对激光告警设备进行性能检测时，将激光告警设备固定在两轴伺服转台3的顶部，启动控制软件，使转台位置归零。

本发明激光告警设备模拟检测方法包括以下步骤：

a、利用发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器精确模拟来袭激光光束，通过对所述DFB激光器发射的多波长激光束的切换，实现多种波长激光束的模拟，以检测被测激光告警设备的波长覆盖范围；

b、连续调节所述DFB激光器所发激光束的输出功率，当功率小到通过被测激光告警设备无法产生告警响应时，即可测出被测激光告警设备的最小可探测功率和对应不同激光设备的实际探测距离；

c、以不同的编码信息驱动激光器模拟不同激光设备的编码信息，检测激光告警设备对不同激光设备编码信息的识别能力；

d、通过激光告警设备与激光光源之间形成的不同的角度关系，检测其俯仰、方位覆盖范围和探测角度分辨率等指标；

e、将多个激光光源作为无线局域网节点接受工控机的统一控制，模拟多个来袭目标，从而检验被测激光告警设备对多个目标的告警响应能力。

五个所述DFB激光器5发射的激光光源通过5×1光开关10的切换，再通过电控可调谐光衰减器12的不同程度的衰减和光纤准直器13的准直后，即可模拟不同波长和不同强度的来袭激光光束。

通过工控机1对两轴伺服转台3的二维旋转方向的控制，即可使安装在两轴伺服转台3上的被测激光告警设备与在固定位置安装的五个DFB激光器5所发出的激光光源形成不同的俯仰角度和方位关系，以模拟不同方向的来袭激光。

通过无线路由器2将工控机1与五个DFB激光器5连接成无线局域网，每个DFB激光器5作为无线局域网中的一个光源节点，模拟一个来袭激光目标，通过工控机1自动识别无线局域网中的所有光源节点，并对其中任一光源节点单独控制，或对全部光源节点进行整体控制。

在一个FPGA芯片上集成CPU、总线和各个所述DFB激光器的编码信息发生器，以实现模拟光场特征的智能控制。

本发明对激光告警设备的主要性能检测包括以下几方面：

1. 对最小探测功率的检测。

由工控机1发出设置命令，设定多波长集成模拟激光光源4的波长、脉冲发射频率、发射时刻、输出功率等，若被测激光告警设备产生告警，则控制光源逐步减小输出功率，直至其不能正常告警，此时对应的输出功率即是该被测激光告警器在此方向上的最小可探测功率。

2. 对探测波长的检测。

由工控机1发出设置命令，设定多波长集成模拟激光光源4的波长、脉冲发射频率、发射时刻、输出功率等，若被测激光告警设备产生告警，则切换多波长集成模拟激光光源4的波长，检查被测激光告警设备是否对全部五种波长的激光光束均能产生告警。

3. 对覆盖范围和探测角度分辨率的检测。

由工控机1发出设置命令，设定多波长集成模拟激光光源4的波长、脉冲发射频率、发射时刻、输出功率等，其中输出功率大于被测激光告警设备的最小可探测功率，工控机1控制两轴伺服转台3的俯仰角度为0°，水平角度逐步从0°增加至360°；增加俯仰角度，水平角度仍然逐步从0°增加至360°，直到俯仰角度增加至180°，完成多波长集成模拟激光光源4对整个半球区域的相对扫描。当某位置激光告警设备对应通道报警，而转动到邻近位置激光告警设备另一通道报警，则转过的角度即是该激光告警设备在此方向上角度分辨率。

4. 对脉冲编码识别能力的检测。

由工控机1发出设置命令，设定多波长集成模拟激光光源4的波长、发射时刻、编码类型、输出功率等，其中输出功率大于被测激光告警设备的最小可探测功率，检查被测激光告警设备是否能输出正确的编码类型。

5. 对相位测距信息识别能力的检测。

由工控机1发出设置命令，设定多波长集成模拟激光光源4的波长、正弦波频率、发射时刻等，其中输出功率大于被测激光告警设备的最小可探测功率，检查该激光告警设备是否能输出正确的正弦波频率。

6. 对多个目标同时探测能力的检测。

放置多个多波长集成模拟激光光源4，使每一个光源的光束发射方向对准被测激光告警设备的某一通道。由工控机1发出设置命令，设定网络中每一个多波长集成模拟激光光源4的波长、脉冲发射频率或编码类型、输出功率等，其中输出功率大于被测激光告警设备的最小可探测功率，设定相同的发射时刻，检查该激光告警设备是否能输出正确的目标数量。

Claims (3)

1.一种激光告警设备模拟检测装置，其特征是，包括：精确模拟来袭激光光束的多波长集成模拟激光光源，安装激光告警设备用的两轴伺服转台，控制所述多波长集成模拟激光光源和所述两轴伺服转台动作的工控机，以及所述工控机与所述多波长集成模拟激光光源之间实现无线通讯的无线路由器；

所述多波长集成模拟激光光源包括：发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器，对所述DFB激光器发射的激光光速进行切换的5×1光开关，对所述DFB激光器发射的激光光速进行衰减调节的电控可调谐光衰减器，对衰减后的激光束进行准直操作的光纤准直器，分别连接在所述DFB激光器与所述5×1光开关的输入端之间、所述5×1光开关的输出端与所述电控可调谐光衰减器的输入端之间、所述电控可调谐光衰减器的输出端与所述光纤准直器输入端之间的多模光纤，分别与五个所述DFB激光器相接的光源驱动电路，对所述光源驱动电路进行控制的光源主控电路，以及与所述光源主控电路相接的无线通信模块。

2.根据权利要求1所述的激光告警设备模拟检测装置，其特征是，所述两轴伺服转台包括：用于安装激光告警设备的安装座，与所述安装座通过水平铰接轴连接的U形支架，安装在所述U形支架底部的竖向中心轴，驱动所述中心轴旋转的伺服电机，安装所述伺服电机的底座，以及控制所述伺服电机动作并与所述工控机通过数据线或通讯卡相接的控制器。

3.一种激光告警设备模拟检测方法，其特征是，包括以下步骤：

a、利用发射波长分别为860nm、900nm、1060nm、1540nm和1570nm的五个DFB激光器精确模拟来袭激光光束，通过对所述DFB激光器发射的多波长激光束的切换，实现多种波长激光束的模拟，以检测被测激光告警设备的波长覆盖范围；

b、连续调节所述DFB激光器所发激光束的输出功率，当功率小到通过被测激光告警设备无法产生告警响应时，即可测出被测激光告警设备的最小可探测功率和对应不同激光设备的实际探测距离；

c、以不同的编码信息驱动激光器模拟不同激光设备的编码信息，检测激光告警设备对不同激光设备编码信息的识别能力；

d、通过激光告警设备与激光光源之间形成的不同的角度关系，检测其俯仰、方位覆盖范围和探测角度分辨率等指标；

e、将多个激光光源作为无线局域网节点接受工控机的统一控制，模拟多个来袭目标，从而检验被测激光告警设备对多个目标的告警响应能力。

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