專利名稱：一種可調(diào)諧激光距離模擬器及距離模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光測距敏感器的激光距離模擬器，具體是指一種可調(diào)諧激光距離模擬器及距離模擬方法，它用于檢測激光測距敏感器的測距性能。
背景技術(shù)：
脈沖激光測距通過測量從激光主波發(fā)射到激光回波接收的時間長度來計算與目標(biāo)的相對距離，具有探測距離遠(yuǎn)、測量精度高、對光源相干性要求低等優(yōu)點。在對激光測距敏感器，尤其是對測距范圍較大的星載激光測距敏感器進行測距性能測試時，使用真實地面物體作為距離目標(biāo)，接收從目標(biāo)反射的激光回波測試激光測距敏感器性能的方法，需要提供長距離且可精確標(biāo)定距離的測距目標(biāo)，對目標(biāo)和環(huán)境的要求很高，而要建立一個在激光測距儀有效測距內(nèi)，距離可以任意變化的測試目標(biāo)則更為困難。在對測距范圍從15m到30km的星載激光測距敏感器進行地面性能測試時，并且使模擬距離精度優(yōu)于O. 15m，數(shù)據(jù)響應(yīng)速率大于4Hz，目前在已經(jīng)公開的文獻中，還沒有相應(yīng)的技術(shù)方案。本發(fā)明激光測距動態(tài)距離模擬器，即在滿足以上技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，為了減小目標(biāo)及環(huán)境條件對測試的影響，同時提高測試的易操作性和精確性，從而被設(shè)計發(fā)明出來的。距離模擬器接收激光測距敏感器發(fā)射的激光，經(jīng)過可由計算機設(shè)定的延時后，產(chǎn)生一定強度和寬度的激光脈沖，輸入激光測距敏感器作為模擬回波信號。距離模擬器提供的模擬距離不受客觀環(huán)境限制，能覆蓋激光測距敏感器的全部測程，可在室內(nèi)給激光測距敏感器提供閉環(huán)的可調(diào)光信號激勵，對測距敏感器的靈敏度、距離分辨率以及測距精度等性能參數(shù)進行測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可調(diào)諧激光距離模擬器來解決激光測距敏感器檢測所需的動態(tài)距離信息的問題?？烧{(diào)諧激光距離模擬器的系統(tǒng)構(gòu)成如附圖
I所示它由激光距離模擬模塊(虛線框I以內(nèi)部分)和自定標(biāo)模塊組成(虛線框I與虛線框2之間部分)，激光距離模擬模塊包括激光接收單元、信號延遲單元，激光發(fā)射單元X，激光發(fā)射單元Z，光衰減器和延遲控制單元；自定標(biāo)模塊包括激光光源單元、標(biāo)準(zhǔn)光纖單元、平衡探測器單元和示波器。其中I.激光接收單元激光接收單元由光衰減器、高速PIN管探測器模塊，AD轉(zhuǎn)換電路和比較電路組成。 其中，光衰減器通過一個分束光纖及透射激光光束方向與探測器稍微錯開，來實現(xiàn)激光的衰減。最后比較電路輸出一個信號延遲單元所需要的TTL電平。2.信號延遲單元信號延遲單元，采用美國HIGHLAND TECHNOLOGY 的Model P400 Benchtop Digital Delay/Pulse Generator 或 GREENFIELD TECHNOLOGY 的 GFT1004。具體指標(biāo)要求如下四通
4道的延遲脈寬輸出，Ips的分辨率，高達IOOOs的設(shè)定延遲時間，25ns的插入延遲，小于IOps 的平均抖動，IOMHz的速率，可編程的觸發(fā)閾值及可調(diào)節(jié)的輸出脈沖電平。3.激光發(fā)射單元X、Z激光發(fā)射單元X和激光發(fā)射單元Z采用深圳明鑫科技發(fā)展有限公司的1064光纖脈沖激光器，型號MXFLTMP-1064-lk-010-100-2-M。工作波長范圍1063nm 1065nm ;脈沖峰值功率彡Iff ;脈沖寬度< IOns ;重頻< IOHz。4.光衰減器光衰減器采用用Agilent N77-SerieS光衰減器中的型號N7768A。考慮到光衰減器的波長范圍必須覆蓋到1064nm，N77系列里面只有N7766A，N7766A是符合要求的。N7766A 只有兩個通道，N7768A有四個通道，考慮到使用的方便，而且通道可以串聯(lián)使用，能得到更大的衰減倍率，最后選用N7768A。N7768A的衰減范圍IdB 35dB，衰減精度為O. 03dB，輸入功率+23dBm。5.延遲控制單元延遲控制部分，用LABVIEW編寫的界面在計算機上運行。LABVIEW的程序功能實現(xiàn)過程運行計算機的LABVIEW界面；計算機通過網(wǎng)線接收控制臺發(fā)出的距離信息命令，經(jīng)
過公式換算為延遲時間信息；t通過RS232接口傳給延遲器；延遲器對t進行判定，若
C
在延遲器量程范圍內(nèi)，則設(shè)定延遲器的延遲時間，若不在延遲器量程范圍內(nèi)，則向計算機報錯。6.自標(biāo)定模塊激光測距敏感器動態(tài)距離模擬器的技術(shù)參數(shù)(準(zhǔn)確度和精度)在使用過程中受周圍環(huán)境的影響可能會發(fā)生細(xì)微的漂移，通過自標(biāo)定系統(tǒng)可以校正其技術(shù)參數(shù)。自標(biāo)定系統(tǒng)， 使該系統(tǒng)有一個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，在任何情況下得以科學(xué)的校正?？烧{(diào)諧激光距離模擬器的自標(biāo)定模塊包括激光光源單元(可使用激光測距敏感器激光發(fā)射端代替)、標(biāo)準(zhǔn)光纖和平衡探測器單元。激光光源單元發(fā)出的光脈沖被分束光纖
I一分為二，兩束光脈沖分別進入距離模擬器的激光接收單元和自標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光纖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量，使得二者匹配。進入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端、距離模擬器的激光發(fā)射單元X或激光發(fā)射單元Z發(fā)出的光脈沖通過光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進入平衡探測器的兩個輸入端。若示波器顯示平衡探測器的模擬電信號只包含一個脈沖，則說明標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度與設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量二者匹配；否則，調(diào)整距離模擬器延遲單元的延遲時間使標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度與設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量二者相匹配?？烧{(diào)諧激光距離模擬器工作過程如下當(dāng)激光接收單元響應(yīng)到經(jīng)入射光纖耦合到的由激光測距敏感器發(fā)出的激光脈沖后，激光接收單元對激光脈沖信號適當(dāng)?shù)乃p、光電信號轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以TTL電平脈沖的形式觸發(fā)信號延遲單元，啟動延遲計時，延遲所設(shè)定的時間結(jié)束(對應(yīng)特定的模擬高度，延遲器使用兩個通道，分別模擬兩個距離信息X、Z) 以后，信號延遲單元發(fā)出TTL電平脈沖分別觸發(fā)激光發(fā)射單元X、激光發(fā)射單元Z出光，經(jīng)光衰減器根據(jù)實際需求做特定的衰減后，通過光纖耦合進入激光測距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡被其探測，實現(xiàn)了激光測距敏感器X、Z兩個方向的距離信息的模擬；通過延遲控制單元設(shè)定不同的延遲時間和實現(xiàn)不同距離信息的模擬?？烧{(diào)諧激光距離模擬器具體模擬方法步驟如下步驟I :自定標(biāo)啟動激光光源單元，激光光源單元發(fā)出的激光進入入射光纖后被分束光纖I分為2束激光，2束激光分別進入距離模擬器的激光接收單元和自標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光纖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端、距離模擬器的激光發(fā)射單元X或激光發(fā)射單元 Z發(fā)出的光脈沖通過光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進入平衡探測器的兩個輸入端， 若示波器顯示平衡探測器輸出為一個脈沖，說明距離模擬器的模擬量和標(biāo)準(zhǔn)光纖長度匹配；若平衡探測器輸出為兩個脈沖，需要對距離模擬器的延遲時間t參數(shù)加以修正根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整距離模擬器的延遲時間t參數(shù)公式中的修正值X
2]^t —--l· XCl)
C式中L為要模擬的距離信息，c為光速，X為修正值，初始值取任意實數(shù)；步驟2 :延遲控制單元參數(shù)設(shè)置根據(jù)要求模擬的距離，信號延遲單元設(shè)置相應(yīng)的時間延遲，光衰減器做出相應(yīng)的衰減；步驟3 :整個系統(tǒng)開始運作，激光接收單元，接收激光測距敏感器的激光，將光信號轉(zhuǎn)化為TTL電平，觸發(fā)信號延遲器，延遲兩個特定的時間(X、Z兩個通道)后，輸出為TTL 電平，觸發(fā)激光發(fā)射單元X、Z發(fā)光，光衰減器根據(jù)實際情況，做適當(dāng)?shù)乃p后，激光測距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡接收回波信號得到激光測距敏感器的檢測結(jié)果。步驟4:根據(jù)要求模擬的其它不同的距離，重新設(shè)置信號延遲單元相應(yīng)的時間延遲，重復(fù)步驟3，得到該模擬距離下的激光測距敏感器的檢測結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明實現(xiàn)了高精度、寬范圍的距離信息模擬。在模擬距離范圍R上，X方向模擬高度為15m 4km，Z方向上模擬高度為2km 30km。模擬距離精度上，當(dāng)R彡500m時，優(yōu)于O. 15m，當(dāng)R彡500m時，優(yōu)于O. lm+0. OOOlR0在已公開的文獻中，還沒有達到這樣要求的技術(shù)方案。最小模擬高度15m的實現(xiàn)最小模擬高度轉(zhuǎn)化為最短時間延遲為
2X 2x15//
lmm = ~= 3χ108 /5· =1·0Χ 0 7S=IOOW實際測試，激光接收單兀的固有延遲
為D1 ^ 2ns，信號延遲單元的固有延遲為D2 ^ 33ns，激光發(fā)射單元的出光固有延遲為D3 60ns，光衰減器單元固有延遲可以忽略不計，則，動態(tài)模擬的固有延遲為Dw = Di+D2+D3 95ns，實現(xiàn)了寬范圍模擬距離的最小值。 最大模擬高度30km的實現(xiàn)最大模擬高度轉(zhuǎn)化為最長時間延遲為 2xR 2 X 30 X103/w
Cax=———=^ 1λ8 , =2.0x10-\ = 200聲即整個系統(tǒng)最大延遲需要達到200μ S。 c 3x10 mis,
信號延遲單元的延遲范圍D2max = 999. 99s，實現(xiàn)了寬范圍模擬距離的最大值。模擬距離精度優(yōu)于O. 15m :模擬距離精度轉(zhuǎn)化為時間延遲精度，即脈沖時間抖動
貯4= ^ = 1⑷娜則七式，觀微 滿纖付斗云力S1^ISOps,ff
輸出脈沖抖動為S2 lOOps，激光發(fā)射單元出光時間抖動S3 200ps。則，動態(tài)模擬器的總共時間抖動為
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧激光距離模擬器，它由激光距離模擬模塊和自定標(biāo)模塊組成，其特征在于所述的激光距離模擬模塊包括激光接收單元、信號延遲單元，激光發(fā)射單元X，激光發(fā)射單元Z，光衰減器和延遲控制單元；所述的激光接收單元由光衰減器、高速PIN管探測器模塊，AD轉(zhuǎn)換電路和比較電路組成，光衰減器通過一個分束光纖及透射激光光束方向與探測器稍微錯開，來實現(xiàn)激光的衰減，比較電路輸出一個信號延遲單元所需要的TTL電平；所述的信號延遲單元具有四通道的延遲脈寬輸出，Ips的分辨率，高達IOOOs的設(shè)定延遲時間，25ns的插入延遲，小于IOps的平均抖動，IOMHz的速率，可編程的觸發(fā)閾值及可調(diào)節(jié)的輸出脈沖電平；所述的激光發(fā)射單元X和激光發(fā)射單元Z采用光纖脈沖激光器，工作波長范圍 1063nm 1065nm，脈沖峰值功率彡1W，脈沖寬度彡10ns，重頻彡IOHz ；所述光衰減器的衰減范圍為IdB 35dB，衰減精度為O. 03dB，輸入功率+23dBm ；所述的自標(biāo)定模塊包括激光光源單元、標(biāo)準(zhǔn)光纖和平衡探測器單元，其中激光光源單元可使用激光測距敏感器激光發(fā)射端代替；激光光源單元發(fā)出的光脈沖被分束光纖I 一分為二，兩束光脈沖分別進入距離模擬器的激光接收單元和自標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光纖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端、距離模擬器的激光發(fā)射單元X或激光發(fā)射單元Z發(fā)出的光脈沖通過光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進入平衡探測器的兩個輸入端；若示波器顯示平衡探測器的模擬電信號只包含一個脈沖，則說明標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度與設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量二者匹配；否則，調(diào)整距離模擬器延遲單元的延遲時間使標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度與設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量二者相匹配；可調(diào)諧激光距離模擬器工作過程如下當(dāng)激光接收單元響應(yīng)到經(jīng)入射光纖耦合到的由激光測距敏感器發(fā)出的激光脈沖后，激光接收單元對激光脈沖信號適當(dāng)?shù)乃p、光電信號轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以TTL電平脈沖的形式觸發(fā)信號延遲單元，啟動延遲計時，延遲所設(shè)定的時間結(jié)束以后，信號延遲單元發(fā)出TTL電平脈沖分別觸發(fā)激光發(fā)射單元X、激光發(fā)射單元Z 出光，經(jīng)光衰減器根據(jù)實際需求做特定的衰減后，通過光纖耦合進入激光測距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡被其探測，實現(xiàn)了激光測距敏感器X、Z兩個方向的距離信息的模擬；通過延遲控制單元設(shè)定不同的延遲時間和實現(xiàn)不同距離信息的模擬。
2.一種基于如權(quán)利要求I所述激光距離模擬器的激光距離模擬方法，其特征在于包括以下步驟步驟I :自定標(biāo)，啟動激光光源單元，激光光源單元發(fā)出的激光進入入射光纖后被分束光纖I分為2束激光，2束激光分別進入距離模擬器的激光接收單元和自標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光纖，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光纖的長度設(shè)置距離模擬器信號延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過標(biāo)準(zhǔn)光纖輸出端、距離模擬器的激光發(fā)射單元X或激光發(fā)射單元Z發(fā)出的光脈沖通過光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進入平衡探測器的兩個輸入端，若示波器顯示平衡探測器輸出為一個脈沖，說明距離模擬器的模擬量和標(biāo)準(zhǔn)光纖長度匹配；若平衡探測器輸出為兩個脈沖，需要對距離模擬器的延遲時間t參數(shù)加以修正根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整距離模擬器的延遲時間t參數(shù)公式中的修正值X 式中=L為要模擬的距離信息，c為光速，X為修正值，初始值取任意實數(shù)；步驟2 :延遲控制單元參數(shù)設(shè)置根據(jù)要求模擬的距離，信號延遲單元設(shè)置相應(yīng)的時間延遲，光衰減器做出相應(yīng)的衰減；步驟3 :整個系統(tǒng)開始運作，激光接收單元，接收激光測距敏感器的激光，將光信號轉(zhuǎn)化為TTL電平，觸發(fā)信號延遲器，延遲X、Z兩個通道的兩個特定的時間后，輸出為TTL電平， 觸發(fā)激光發(fā)射單元X、Z發(fā)光，光衰減器根據(jù)實際情況，做適當(dāng)?shù)乃p后，激光測距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡接收回波信號，得到激光測距敏感器的檢測結(jié)果；步驟4 :根據(jù)要求模擬的其它不同的距離，重新設(shè)置信號延遲單元相應(yīng)的時間延遲，重復(fù)步驟3，得到該模擬距離下的激光測距敏感器的檢測結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧激光距離模擬器及檢測方法，為激光測距敏感器室內(nèi)試驗調(diào)試提供距離信息。本發(fā)明通過信號延遲器可調(diào)的延遲時間信息模擬激光傳輸?shù)膭討B(tài)距離信息；通過光衰減器的衰減量，盡可能真實的模擬激光傳播隨距離、大氣環(huán)境及入射點地理環(huán)境等因素的衰減；系統(tǒng)由labview程序?qū)崟r控制，labview隨時接收上級的模擬距離信息，控制整個可調(diào)諧激光距離模擬器系統(tǒng)模擬出該距離信息，從而來檢驗激光測距敏感器所測出距離信息的準(zhǔn)確度。另外，距離模擬器還有一個專門的自標(biāo)定系統(tǒng)，避免一些技術(shù)參數(shù)隨著使用時間及環(huán)境等發(fā)生漂移。本發(fā)明實現(xiàn)了高精度、寬范圍的距離信息模擬，為激光測距敏感器的室內(nèi)試驗調(diào)試帶來了很大的方便。
文檔編號G01S7/497GK102590802SQ20121001936
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月20日
發(fā)明者亓洪興, 況耀武, 劉軍, 葉道煥, 李真珠, 舒嶸, 閆志欣, 陳婷, 黃庚華 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所