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(cè)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(cè)激光測(cè)距敏感器的測(cè)距性能。
背景技術(shù)：
脈沖激光測(cè)距通過(guò)測(cè)量從激光主波發(fā)射到激光回波接收的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算與目標(biāo)的相對(duì)距離，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)激光測(cè)距敏感器，尤其是對(duì)測(cè)距范圍較大的星載激光測(cè)距敏感器進(jìn)行測(cè)距性能測(cè)試時(shí)，使用真實(shí)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(cè)試激光測(cè)距敏感器性能的方法，需要提供長(zhǎng)距離且可精確標(biāo)定距離的測(cè)距目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)和環(huán)境的要求很高，而要建立一個(gè)在激光測(cè)距儀有效測(cè)距內(nèi)，距離可以任意變化的測(cè)試目標(biāo)則更為困難。在對(duì)測(cè)距范圍從15m到30km的星載激光測(cè)距敏感器進(jìn)行地面性能測(cè)試時(shí)，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(kāi)的文獻(xiàn)中，還沒(méi)有相應(yīng)的技術(shù)方案。本發(fā)明激光測(cè)距動(dòng)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(duì)測(cè)試的影響，同時(shí)提高測(cè)試的易操作性和精確性，從而被設(shè)計(jì)發(fā)明出來(lái)的。距離模擬器接收激光測(cè)距敏感器發(fā)射的激光，經(jīng)過(guò)可由計(jì)算機(jī)設(shè)定的延時(shí)后，產(chǎn)生一定強(qiáng)度和寬度的激光脈沖，輸入激光測(cè)距敏感器作為模擬回波信號(hào)。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(cè)距敏感器的全部測(cè)程，可在室內(nèi)給激光測(cè)距敏感器提供閉環(huán)的可調(diào)光信號(hào)激勵(lì)，對(duì)測(cè)距敏感器的靈敏度、距離分辨率以及測(cè)距精度等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(lái)解決激光測(cè)距敏感器檢測(cè)所需的動(dòng)態(tài)距離信息的問(wèn)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(hào)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(cè)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(cè)器模塊，AD轉(zhuǎn)換電路和比較電路組成。 其中，光衰減器通過(guò)一個(gè)分束光纖及透射激光光束方向與探測(cè)器稍微錯(cuò)開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光的衰減。最后比較電路輸出一個(gè)信號(hào)延遲單元所需要的TTL電平。2.信號(hào)延遲單元信號(hào)延遲單元，采用美國(guó)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(dá)IOOOs的設(shè)定延遲時(shí)間，25ns的插入延遲，小于IOps 的平均抖動(dòng)，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(hào)MXFLTMP-1064-lk-010-100-2-M。工作波長(zhǎng)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(hào)N7768A?？紤]到光衰減器的波長(zhǎng)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(gè)通道，N7768A有四個(gè)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行。LABVIEW的程序功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程運(yùn)行計(jì)算機(jī)的LABVIEW界面；計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線接收控制臺(tái)發(fā)出的距離信息命令，經(jīng)
過(guò)公式換算為延遲時(shí)間信息；t通過(guò)RS232接口傳給延遲器；延遲器對(duì)t進(jìn)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(shí)間，若不在延遲器量程范圍內(nèi)，則向計(jì)算機(jī)報(bào)錯(cuò)。6.自標(biāo)定模塊激光測(cè)距敏感器動(dòng)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(guò)程中受周圍環(huán)境的影響可能會(huì)發(fā)生細(xì)微的漂移，通過(guò)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，在任何情況下得以科學(xué)的校正。可調(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(cè)距敏感器激光發(fā)射端代替)、標(biāo)準(zhǔn)光纖和平衡探測(cè)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(jìn)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(zhǎng)度設(shè)置距離模擬器信號(hào)延遲單元的延遲量，使得二者匹配。進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過(guò)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(guò)光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩個(gè)輸入端。若示波器顯示平衡探測(cè)器的模擬電信號(hào)只包含一個(gè)脈沖，則說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度與設(shè)置距離模擬器信號(hào)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(shí)間使標(biāo)準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度與設(shè)置距離模擬器信號(hào)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(guò)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(cè)距敏感器發(fā)出的激光脈沖后，激光接收單元對(duì)激光脈沖信號(hào)適當(dāng)?shù)乃p、光電信號(hào)轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以TTL電平脈沖的形式觸發(fā)信號(hào)延遲單元，啟動(dòng)延遲計(jì)時(shí)，延遲所設(shè)定的時(shí)間結(jié)束(對(duì)應(yīng)特定的模擬高度，延遲器使用兩個(gè)通道，分別模擬兩個(gè)距離信息X、Z) 以后，信號(hào)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(shí)際需求做特定的衰減后，通過(guò)光纖耦合進(jìn)入激光測(cè)距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡被其探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距敏感器X、Z兩個(gè)方向的距離信息的模擬；通過(guò)延遲控制單元設(shè)定不同的延遲時(shí)間和實(shí)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(dòng)激光光源單元，激光光源單元發(fā)出的激光進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)度設(shè)置距離模擬器信號(hào)延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過(guò)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(guò)光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩個(gè)輸入端， 若示波器顯示平衡探測(cè)器輸出為一個(gè)脈沖，說(shuō)明距離模擬器的模擬量和標(biāo)準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度匹配；若平衡探測(cè)器輸出為兩個(gè)脈沖，需要對(duì)距離模擬器的延遲時(shí)間t參數(shù)加以修正根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整距離模擬器的延遲時(shí)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(shí)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(hào)延遲單元設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間延遲，光衰減器做出相應(yīng)的衰減；步驟3 :整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，激光接收單元，接收激光測(cè)距敏感器的激光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平，觸發(fā)信號(hào)延遲器，延遲兩個(gè)特定的時(shí)間(X、Z兩個(gè)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(shí)際情況，做適當(dāng)?shù)乃p后，激光測(cè)距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)得到激光測(cè)距敏感器的檢測(cè)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(hào)延遲單元相應(yīng)的時(shí)間延遲，重復(fù)步驟3，得到該模擬距離下的激光測(cè)距敏感器的檢測(cè)結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明實(shí)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(shí)，優(yōu)于O. 15m，當(dāng)R彡500m時(shí)，優(yōu)于O. lm+0. OOOlR0在已公開(kāi)的文獻(xiàn)中，還沒(méi)有達(dá)到這樣要求的技術(shù)方案。最小模擬高度15m的實(shí)現(xiàn)最小模擬高度轉(zhuǎn)化為最短時(shí)間延遲為
2X 2x15//
lmm = ~= 3χ108 /5· =1·0Χ 0 7S=IOOW實(shí)際測(cè)試，激光接收單兀的固有延遲
為D1 ^ 2ns，信號(hào)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(jì)，則，動(dòng)態(tài)模擬的固有延遲為Dw = Di+D2+D3 95ns，實(shí)現(xiàn)了寬范圍模擬距離的最小值。 最大模擬高度30km的實(shí)現(xiàn)最大模擬高度轉(zhuǎn)化為最長(zhǎng)時(shí)間延遲為 2xR 2 X 30 X103/w
Cax=———=^ 1λ8 , =2.0x10-\ = 200聲即整個(gè)系統(tǒng)最大延遲需要達(dá)到200μ S。 c 3x10 mis,
信號(hào)延遲單元的延遲范圍D2max = 999. 99s，實(shí)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(shí)間延遲精度，即脈沖時(shí)間抖動(dòng)
貯4= ^ = 1⑷娜則七式，觀微 滿纖付斗云力S1^ISOps,ff
輸出脈沖抖動(dòng)為S2 lOOps，激光發(fā)射單元出光時(shí)間抖動(dòng)S3 200ps。則，動(dòng)態(tài)模擬器的總共時(shí)間抖動(dòng)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(hào)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(cè)器模塊，AD轉(zhuǎn)換電路和比較電路組成，光衰減器通過(guò)一個(gè)分束光纖及透射激光光束方向與探測(cè)器稍微錯(cuò)開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光的衰減，比較電路輸出一個(gè)信號(hào)延遲單元所需要的TTL電平；所述的信號(hào)延遲單元具有四通道的延遲脈寬輸出，Ips的分辨率，高達(dá)IOOOs的設(shè)定延遲時(shí)間，25ns的插入延遲，小于IOps的平均抖動(dòng)，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(zhǎng)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(cè)器單元，其中激光光源單元可使用激光測(cè)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(jìn)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(zhǎng)度設(shè)置距離模擬器信號(hào)延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過(guò)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(guò)光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩個(gè)輸入端；若示波器顯示平衡探測(cè)器的模擬電信號(hào)只包含一個(gè)脈沖，則說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度與設(shè)置距離模擬器信號(hào)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(shí)間使標(biāo)準(zhǔn)光纖的長(zhǎng)度與設(shè)置距離模擬器信號(hào)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(guò)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(cè)距敏感器發(fā)出的激光脈沖后，激光接收單元對(duì)激光脈沖信號(hào)適當(dāng)?shù)乃p、光電信號(hào)轉(zhuǎn)化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，以TTL電平脈沖的形式觸發(fā)信號(hào)延遲單元，啟動(dòng)延遲計(jì)時(shí)，延遲所設(shè)定的時(shí)間結(jié)束以后，信號(hào)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(shí)際需求做特定的衰減后，通過(guò)光纖耦合進(jìn)入激光測(cè)距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡被其探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距敏感器X、Z兩個(gè)方向的距離信息的模擬；通過(guò)延遲控制單元設(shè)定不同的延遲時(shí)間和實(shí)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(dòng)激光光源單元，激光光源單元發(fā)出的激光進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)度設(shè)置距離模擬器信號(hào)延遲單元的延遲量，使得二者匹配；進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)光纖的光脈沖通過(guò)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(guò)光衰減器、分束光纖2和耦合光纖分別進(jìn)入平衡探測(cè)器的兩個(gè)輸入端，若示波器顯示平衡探測(cè)器輸出為一個(gè)脈沖，說(shuō)明距離模擬器的模擬量和標(biāo)準(zhǔn)光纖長(zhǎng)度匹配；若平衡探測(cè)器輸出為兩個(gè)脈沖，需要對(duì)距離模擬器的延遲時(shí)間t參數(shù)加以修正根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整距離模擬器的延遲時(shí)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(shí)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(hào)延遲單元設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間延遲，光衰減器做出相應(yīng)的衰減；步驟3 :整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)作，激光接收單元，接收激光測(cè)距敏感器的激光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平，觸發(fā)信號(hào)延遲器，延遲X、Z兩個(gè)通道的兩個(gè)特定的時(shí)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(shí)際情況，做適當(dāng)?shù)乃p后，激光測(cè)距敏感器的接收望遠(yuǎn)鏡接收回波信號(hào)，得到激光測(cè)距敏感器的檢測(cè)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(hào)延遲單元相應(yīng)的時(shí)間延遲，重復(fù)步驟3，得到該模擬距離下的激光測(cè)距敏感器的檢測(cè)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可調(diào)諧激光距離模擬器及檢測(cè)方法，為激光測(cè)距敏感器室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)試提供距離信息。本發(fā)明通過(guò)信號(hào)延遲器可調(diào)的延遲時(shí)間信息模擬激光傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)距離信息；通過(guò)光衰減器的衰減量，盡可能真實(shí)的模擬激光傳播隨距離、大氣環(huán)境及入射點(diǎn)地理環(huán)境等因素的衰減；系統(tǒng)由labview程序?qū)崟r(shí)控制，labview隨時(shí)接收上級(jí)的模擬距離信息，控制整個(gè)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(lái)檢驗(yàn)激光測(cè)距敏感器所測(cè)出距離信息的準(zhǔn)確度。另外，距離模擬器還有一個(gè)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(shí)間及環(huán)境等發(fā)生漂移。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高精度、寬范圍的距離信息模擬，為激光測(cè)距敏感器的室內(nèi)試驗(yàn)調(diào)試帶來(lái)了很大的方便。
文檔編號(hào)G01S7/497GK102590802SQ20121001936
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所