摘 要:阐述了影响脉冲式激光测速仪性能的参数,从系统误差和随机误差两方面进行了详细的分析,并采用模数转换技术A/D电路方法来提高测速精度。
0 引 言
脉冲激光测速仪的基本过程是通过测量接收和发射之间的距离及时间来间接测得速度。为了能准确地得到速度,要求接收系统的探测灵敏度尽可能高,通过对激光测速仪的误差分析,采用模数转换技术A/D电路来提高测速精度是一种行之有效的方法。
1 脉冲式激光测速仪的性能评价
评价脉冲式激光测速仪的性能,既要考虑它的测距性能,又要考虑它的测速性能,而测速性能又是由测距性能和计数系统的记录时间决定的,具体讨论如下。
根据光时域反射技术,考虑到大气衰减、光学系统的透过率和目标的反射特性[1~2],光子测距方程组为
式中: R为目标的距离; C为空气中的光速;Δt为回波的时间间隔; NE、NR为激光测速仪中的每个激光脉冲发射的光子数与接收光子数;τT、τR为激光测速仪发射物镜和接收物镜的透过率;μ为大气的线性衰减系数;ρ为目标反射率;θ为目标法线方向与观察方向的夹角; D为接收目镜的通光孔径; AT为目标被激光光斑照射的面积; AL为在目标处激光光斑的面积,当目标大于激光照射面积时, AT/AL=1。
将(1)式中光子数N用通量Φ表示,即每秒通过的光子数与辐射功率PE或辐射通量相对应,则光子测距方程等效于激光测距方程,将光子通量换算成辐射功率PE=Φhγ,有:
式中: PE为发射功率, PR为接收功率。μ为大气与激光在传输过程中的线性衰减系数。μ包括大气吸收、大气散射、气溶胶等衰减系数之和[3]。
若PE=10W,λ=808nm(γ=c/λ=3·59×1014Hz),θ=0,τR=0·7,τT=0·9,ρ=0·5,PR=2·42×10-5mW,μ=0·05/km(良好天气), D=100mm.
代入(3)式可得距离R的方程:
将上式两边取对数并整理得目标的距离:
由(3)式可见:一台测速仪测距能力由大气衰减、光学系统的透过率和目标的反射特性及发射、接收功率等诸多条件来决定。
2 脉冲式激光测速仪的误差分析[4~5]
一台激光测速仪的性能好坏受各种因素的影响,本文重点从两方面加以分析。
2·1 激光在传输过程中与大气相互作用,产生随机误差又称偶然误差
当激光通过大气传输时,会产生两种效应。一种是大气衰减效应,由于大气吸收和散射及气溶胶作用,使传输的光辐射强度受到衰减。因此设计中选用大气窗口波段的近红外波808nm作为激光光源,可以减小大气衰减效应;另一种是大气湍流效应,由于大气的不均匀和非稳态特性,使其折射率随时间和空间变化。
由(2)式可得:
式中: C为真空中的光速(3×108m/s), f为时标振荡频率, m为时标振荡器在光往返过程的脉冲个数,-n值由大气实况决定。
2·1·1 晶体振荡器频率稳定度的外界影响
激光在空气中传播时,由于受介质、气压、温度、湿度的影响,晶体振荡器频率会有一定的变化,若f=30×106Hz,在测距500m时,由此引起的测距误差为
ΔS振=±0·75(m)
2·1·2 激光脉冲宽度的外界影响
激光光源及雪崩光电二极管一定,放大器的带宽也是一定的,但是由于大气衰减、目标反射的影响等,脉冲宽度随之变化,因此测距误差也会随之变化。此类误差称为漂移误差。由此引起的测距误差(大目标)为:
ΔS脉=3(m).
另外,由于输入噪声引起的时间抖动也会产生一定的误差。
2·2 仪器本身产生的系统误差[6]
仪器本身产生的系统误差主要是晶体振荡器频率的自身影响。即基准振荡器产生的振荡脉冲与门电路开闭时间的位相不同引起的。理想情况下,门电路开启时间是基准振荡周期的5倍多。但由于基准振荡器产生的基准振荡与门电路开启的位相不同,所以门电路输出的基准振荡就有可能是6个,因此计数器在计数时就有可能会有Δm=±1个计数误差,在晶体振荡器频率f=30×106Hz时,由此引起计数量化误差的测距误差为:
ΔS计=±5Δm=±5(m).
3 脉冲式激光测速仪的误差消除方法[7]
由前面误差分析可见:仪器本身的系统误差是脉冲式激光测速仪的主要误差。因此,如何提高测时精度是提高脉冲测速仪精度的重要课题。目前,对时间的测量主要是采取计数的方法,此法存在着两种影响测时误差因素。
一是由于回波幅度不同而引起的触发不稳,减少这种误差影响可采用恒比定时触发技术。另一种因素是计数量化误差,要减小此误差,最直接的办法就是提高计数脉冲频率,但它的提高也受到各种因素的限制。
而采用模数转换技术来减少计数量化误差是一种有效的方法[8]。采用模数转换技术实现时间测量的原理框图如图1所示。
图2所示为发射主波、接收回波和计数时钟的关系图,主波较第一个计数脉冲早到T1时间,为了实时地测量计数量化误差T1,将时间间隔T1变换为电信号。让主波前沿作为起始触发,启动一阶跃恒流源I给电容C充电,恒流源内阻为R,则电容C上的电压:
由第一个有效计数脉冲的前沿控制停止对电容充电,电容充电就停止增加,假设此时的电压为Vc’,这一刻相对于Vc=0时的时间延迟是T1,在以下的分析中将以T’代表T1或T2,则电压:
与充电电容相连的是一个性能较好的隔离放大器。在第一个计数脉冲前沿让电容停止充电时,电容上的电压Vc’通过隔离放大器送到A/D电路进行模拟数字转换,而得到一个数字码N’,为了分析问题的方便,认为放大器具有单位增益,如果A/D的位数为m,满量程输入电压是Vcm’,则有
从(7)、(8)式可知, N’与Vc’、T’是一一对应的。联立以上两式可得:
式中, R、C、Vcm’在电路设计时已经设定, N’由A/D输出读数给出,因而,可以得知计数量化误差, T1、T2的测量原理也是如此。
如果RC T’,由(7)式可得到线性解:
式中, R、C、Vcm’在电路设计时已经设定, N’由A/D输出读数给出,因而,可以得知计数量化误差, T1、T2的测量原理也是如此。
如果RC T’,由(7)式可得到线性解:
由(8)及(10)消去Vc’的测试结果:
由(8)及(10)消去Vc’的测试结果:
A/D的主要性能指标是转换速率和分辨率。A/D的分辨率的选择,在本方法中具有决定性的作用。以上结论是对T1和T2的近似解,若忽略电容充电中的非线性影响,此方法所求得的结果是非常准确的。
若选择T’≈T0,使Vc’≈Vcm’,又由于线性近似于
I/C=dVC/dt,
由(11)式可得ΔT’=[(Vcm’C)/(2mI)]ΔN’。从而得到此方法的测时误差为:
A/D的主要性能指标是转换速率和分辨率。A/D的分辨率的选择,在本方法中具有决定性的作用。以上结论是对T1和T2的近似解,若忽略电容充电中的非线性影响,此方法所求得的结果是非常准确的。
若选择T’≈T0,使Vc’≈Vcm’,又由于线性近似于
I/C=dVC/dt,
由(11)式可得ΔT’=[(Vcm’C)/(2mI)]ΔN’。从而得到此方法的测时误差为:
为了保证最小分辨率,在选择A/D时,要求在电压下降未达到一个幅度量化间隔之前,模数转化完毕,即A/D的转化速率必须满足:
ft≥1/T’=2m/RiC.
若计数时钟频率f0=30MHz,未修正计数测时误差为:
为了保证最小分辨率,在选择A/D时,要求在电压下降未达到一个幅度量化间隔之前,模数转化完毕,即A/D的转化速率必须满足:
ft≥1/T’=2m/RiC.
若计数时钟频率f0=30MHz,未修正计数测时误差为:
引起的测距误差为:
引起的测距误差为:
采用高速信号处理器(DSP)TMST-2407器件A/D为10位(m=10),用模数转换法进行修正,由(12)式得测时误差为:
由此引起的测距误差为:
可见:采用10位速率的A/D电路, f0=30×106Hz,可使由计数量化误差引起的测距误差降低三个数量级,可使测时精度提高210倍。
4 结 语
此方法对测时精度的提高确实具有很好的效果,另外采用模数转换技术不会出现因电容放电等长时间的作用而引起测量结果的不准确,能够大大提高测距精度。但要求A/D的速度较高。
参考文献:
[ 1 ] 孙承伟,激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社, 2002.
[ 2 ] 苏大图.光学测试技术[M].北京:北京理工大学出版社, 1996.
[ 3 ] 谭显裕.脉冲激光测距仪测距方程和测距性能分析[J].激光与光电子学进展, 1997, 387 (3): 22-28.
[ 4 ] 孙东松,刘世刚.线性调频相干激光雷达的信号处理[J].红外与激光工程, 1997, 26 (2): 21-25.
[ 5 ] 戴炳明,张雏.脉冲激光测距机的测距误差分析[J].激光技术, 23 (8): 50-59.
[ 6 ] 见和久,光通讯用长波帻面光半导体レ ザ [J].光学, 1998, 27 (10): 566-570.
[ 7 ] 祖耶夫,等.光信号在地球大气中的传输[M].北京:科学出版社, 1987.
[ 8 ] 胡以华,魏庆农.采用模数转换技术提高脉冲激光测距的测时精度[J].激光技术, 1997, 21 (3):189-192.
本文作者：周 晶
