脉冲激光测距机最大测程校准方法
第24卷 第3期V o l. 24 N o. 3
应用光学
2003年2003文章编号:1002-2082(2003) 03-0026-03
脉冲激光测距机最大测程校准方法
杨冶平, 杨照金, 侯民, 宋一兵, 吉晓
(西安应用光学研究所, 陕西西安710065)
摘 要: 激光测距机的最大测程是激光测距机最主要的性能指标之一, 是激光测距机有关性能参数的一种综合反映。简要介绍校准脉冲激光测距机最大测程的几种主要方法, 并对各种方法的优、缺点进行详细分析。关键词: 最大测程; 脉冲激光测距机; 校准方法
中图分类号:T H744. 5; T N 206-32 文献标识码:A
引言
随着现代光电子技术的飞速发展, 作为光电子技术应用之一的激光测距技术也日趋成熟, 特别是一些发达国家如美国、前苏联和欧共体已在激光测距技术的基础上, 研制出新型的脉冲和连续波激光雷达。同时, 各种类型的脉冲激光测距机及光电设备大量装备部队, 标志着激光测距技术进入一个新的发展时代。
脉冲激光测距机测程的校准是随着激光测距技术的发展及广泛应用而提出的。脉冲激光测距机最早最重要的应用是在军事上, 它能迅速、准确地给出目标的距离数据, 敌对双方都想利用这一点来赢得战场上最大有效距离下的首发命中。因此, 军方最关心的是距离准确性和测距能力。由此看来, 最大测程的校准是至关重要的。
最大测程实际上是一个受多种因素制约、不易确切定量的软指标。如何确切定量地检验脉冲激光测距机的战术硬指标——最大测程, 是研制、生产和验收激光测距机的最大难题[1]。为了用正确的方法对激光测距机的最大测程进行科学校准, 本文简要介绍几种校准脉冲激光测距机最大测程的方法并对其进行分析。
1 脉冲激光测距机最大测程的几种校准方法1. 1 最大测程法
最大测程法(以下简称测程法) 是根据战术指标的最大测程要求, 在室外树一个模拟目标板, 其中模拟的距离按最大测程指标设置, 靶板的性质、面积及
收稿日期:2003-02-15
漫反射系数按目标性质进行模拟设置, 激光测距机通过空气介质瞄准板中心进行测距。若激光测距机显示的距离和准测率达到战术技术指标的要求值, 则表示测距机的测距能力达到了规定的要求。1. 2 消光法
消光比测试法(以下简称消光法) 首先为美军所采用, 1970年其他国家开始采用。其原理如图1所示
。
图1 消光比测试法原理图
Fig . 1 Principle diagram of the test method of extinction
ratio
所谓消光法就是在室外500m 处树一个漫反射率为0. 85(国内为0. 9) 的大目标靶板, 激光测距机瞄准靶板中心位置, 在激光测距机发射天线或接收天线前加规定量的衰减片, 然后, 通过空气介质测距。若激光测距机能以规定的准测率测出500m 处的靶板, 则认为该激光测距机的测距能力符合要求[2]。1. 3 光纤模拟测试法
近十多年来, 随着光纤技术的迅猛发展, 与此相关的光纤测量技术也随之飞快发展, 采用光纤来模拟消光法中大气距离, 实现室内校准, 为最大测程的室内校准方法提供了一种新的思路。原理如图2所示。
作者简介:杨冶平(1970-) , 女, 湖北襄樊人, 西安应用光学研究所在职研究生, 主要从事激光测距机参数校准方法的研究工作。
TPG 电路, 使增益随测程增大而增大。一般在测程达3km 左右时增益才达到最大值, 以后保持不变。测程法由于所测的距离值大于TPG 控制区, 所以不受TPG 电路影响; 而消光法由于靶板距离只有500m, 所以受TPG 电路的影响较大。在实际操作中为消除TPG 电路影响, 需要断开T PG 控制电路, 这样激光测距机必须设计有TPG 控制电路的控制开关, 在进
图2 光纤模拟测试法原理图
Fig . 2 Principle diagram of the test method of f ibre
simulation
行测试时能把T PG 电路断开。消光法对有些没有TPG 控制开关的测距机是不适用的。因为这3种测距机在设计上都没有T PG 电路控制开关, 如要应用此法, 则必须进行改进设计, 所以在实际校准中应用此法较困难。在模拟法中, 由于我们采用了大芯径低损耗的光学纤维材料进行模拟测距, 一般激光测距机通过模拟测距显示的距离都能大于3km , 基本上都不受TPG 控制电路的影响, 所以对各种激光测距机不必进行T PG 电路的改进设计。在这一点上测程法和模拟法优于消光法。2. 4 可重复性
根据激光测距机最大测程的定义, 即在脉冲激光测距机的工作环境和准测率等条件下, 对规定目标测距时能测到的最远距离激光测距机的最大测程是激光测距机本身性能参数的综合反映, 应与外界环境和试验条件无关, 即对于同一具激光测距机来说, 只要激光测距机的性能参数保持稳定不变, 则用同一种方法进行的任意次测试都应该具有相同的结果。这是确定校准方法的基本要求, 即对测试结果的可重复性。由前面的分析可知, 特别是测程法, 在同一地域的不同测试结果相差较大。我们曾做过一个这样的试验, 用一具激光测距机相隔30min 对同一目标进行测距, 其测试结果相差7dB 。在不同地域相差就更明显。我们又对手持式激光测距机进行过一次对比试验, 对10具测距能力不同的激光测距机时行测程校准。在气候潮湿、能见度小于5km 的条件下用测程法进行校准, 其中有5具对5km 的目标测不回来, 被判定为不合格, 另外5具能测回5km 远的目标。又在能见度大于5km 的气候条件下对这10具激光测距机进行了校准(测距距离为5km ) , 所有10具激光测距机都能测回目标距离, 原定测距能力最差的一具最远也能测10km 。这样一个对比试验的结果充分说明了测程法的可重复性差, 操作难度大, 可能出现误判。模拟法只受光纤本身性能影响, 而不受气候等瞬变条件的影响, 其测试结果可重复性好, 优于测
光纤模拟测试法(以下简称模拟法) 是用光纤端面模拟目标大小, 以激光在光纤中的传输损耗来模拟激光在大气中的传输损耗, 光纤与其它光学元件组成一个光学系统。激光测距机瞄准光纤端面中心, 在激光测距机的发射或接收天线前加标准衰减片, 然后通过光纤介质测距。若激光测距机能测回规定的准测率和距离值, 则认为该激光测距机的测距能力符合要求。
2 以上几种最大测程校准方法的分析2. 1 天气影响
测程法和消光法都受气候因子的影响, 其测试结果受气候条件的影响较大。所以, 同一具激光测距机在不同的气候条件下测试的结果相差较大, 特别是测程法受大气中的水蒸气、CO 2及悬浮粒子等气候因素的影响较大。由于气候是不断变化的, 许多影响气候变化的因素又难以准确而又科学地测量, 所以无法正确判断激光测距机测距能力的强弱。而模拟法却不受大气因子的影响, 所以与气候变化无关, 其测试结果与测程法和消光法的测试结果相比更加稳定可信。2. 2 目标性质影响
由于测程法和消光法都需要在野外设靶, 受野外条件的限制, 无法对靶板进行保护。随着风吹日晒雨淋, 靶板的漫反射系数也会因这些外部条件的影响而发生变化, 特别是测程法由于距离远且靶板面积大, 对靶板的保护和标定难度都相当大。而漫反射系数对测试结果的影响也相当大。相比之下, 模拟法不存在漫反射系数变化的影响, 对最大测程的校准数据准确可靠, 优于测程法和消光法。2. 3 激光测距机T PG 电路的影响
众所周知, 以雪崩管作为探测器的激光测距机, 为了解决大气近程后向散射对激光测距机测距的影响, 都设计有对放大器增益进行自动程序控制的
程法和消光法。2. 5 全面性
根据激光测距机最大测程的定义可知, 一具激光测距机测距能力的大小不但与输入输出功率的大小有着密不可分的关系, 而且还与激光测距机的瞄准轴与发射轴的平行性及束散角大小等性能参数有关。根据消光法的测距原理, 消光法实际上只反映一个激光测距机的接收灵敏度, 与激光测距机的束散角、三轴平行性等其它性能参数无关, 不是各个参数的综合反映, 不能代表激光测距机的实际测距能力。测程法的测试结果虽然包含了激光测距机的各个参数的影响, 但由于试验数据中也包含了气候等外部条件的影响, 故试验数据不能全面准确反映各种性能参数对测距能力的影响。而模拟法却能够反映激光测距机各种性能参数对测距能力的影响, 并通过对试验数据的研究, 可以分析出各个参数的相互关系及对测距能力的影响程度。因此, 模拟法优于测程法和消光法。2. 6 应用环境
测程法和消光法由于都需要设立-固定的野外靶板进行测量, 所以测试地点不能随意选择, 使用环境受到限制; 在雨天、雾天及能见度低的情况下为了保证测试结果正确, 不能对激光测距机的最大测程进
行校准; 夜晚由于不能识别靶板也不能校准。在激光测距机的低温验收中对最大测程进行校准时, 由于低温室是一个密封室, 不能开窗口, 否则会引起激光测距机结霜, 而测程法和消光法的靶板在室外, 造成低温下不能对激光测距机的最大测程进行校准。模拟法则可以在低温室内对最大测程进行校准, 无需进行寒区验证试验。这种方法不但节省了人力物力, 而且误差较少, 几乎不受外部条件的影响, 使得测试结果准确可靠, 可操作性强。3 结束语
通过对激光测距机最大测程各种校准方法的分析与比较, 可知光纤模拟法不但能全面而准确地反映激光测距机的测距能力, 而且能够适用各种不同的使用环境, 操作使用方便, 具有极大的推广价值。
参考文献
[1] 方启万. 验收测程的简便定量法——消光法[J ]. 激光技
术, 1989, 14(4) :40-46.
[2] 徐荣甫. 激光测距机测程的检验方法[J]. 兵器激光,
1985(1) :55-59.
CALIBRATION METHODS FOR MAXIMUM MEASURING RANGE
OF PULSE LASER RANGE EINDER YANG Ye -ping , YANG Zhao -jin , HU O M in , SONG Yi -bing , JI Xiao
(Xian I nstitute of A pplied O ptics, Xia n 710065, China )
Abstract :T he max imum measur ing rang e of the laser rang e finder is o ne of the major perfo rma nce index es . I t is a sy nt het ical reflectio n abo ut the perfo rmance paramet ers of t he laser r anger finder. Sev eral calibr ation methods for the m aximum measur ing ra ng e of t he laser r anger finder ar e briefly intr oduced and their advantag es and disadv antages ar e respectiv ely ana ly zed . Keywords :max imum measuring rang e; pulse laser r ange finder; calibr ation method