激光測距機作用距離不達標的分析與排查

徐志磊+李凱+任益斌

摘 要：激光測距機作為測量船海上距離標定的設備，主要為雷達設備提供標校用的距離信息。本文介紹了某型光電經緯儀在海上標校進行跟蹤信標球的過程中出現的測距距離不達標問題，通過對這一故障進行排查，完成對激光測距機故障定位，同時對故障出現的誘因進行機理分析，制定該激光測距機的使用策略，對其他單位激光測距機的使用及故障分析具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：激光測距機；作用距離；雪崩二極管；穩壓電源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.222

1 引言

激光測距機作為測量船經緯儀測距設備，具有方向性好、測距精度高等優點，是測量船重要組成部分。

2016年9月，船用某型光電經緯儀配備的激光測距機曾發生如下故障：在氣象條件良好的情況下，其對信標球最大連續作用距離只有12km，不滿足大于15km的指標要求；且在工作7min后設備狀態激光測距機“設備高壓”告警，不滿足連續工作大于15min要求。

2 激光測距機介紹

根據要求，激光測距機采用半導體激光二極管作泵浦源，光機電熱一體化方案設計。激光測距機由激光發射部分、激光接收部分、主控三部分組成。其中激光發射部分包括發射光學鏡頭、激光器和激光電源、溫控電路等，其功能是發射激光脈沖并產生主波脈沖；激光接收部分由接收光學鏡頭、控制電路、接收電路等部分組成，其功能是探測返回的激光信號并形成回波脈沖；主控部分由計時電路、控制電路和通訊電路等部件組成，其功能主要是根據主波和回波脈沖解算出距離信息并控制各分系統協同工作。

測距工作原理：

脈沖激光測距機是通過測量激光器發射的主波和被測目標反射的回波之間的時間差，即光往返一次所需的時間來計算目標距離的。

已知光在空間的傳播速度為C，光往返一次所需的時間為， 則被測目標的距離：

當激光器發射激光時，置于激光發射器全反射端諧振腔外部的主波取樣頭將漏出的“微弱”激光脈沖轉換成電脈沖信號送計數器作“開門”信號（即主波），計數器開始計數。從被測目標上返回來的光脈沖經接收望遠鏡會聚到雪崩管組件的光敏面上，轉換成電脈沖信號，經視頻放大器放大，送到計數器作為“關門”信號（即“回波”），計數器停止計數。根據計數器的計數值可計算求出目標的距離[1]。

3 激光測距機作用距離計算方法

激光作用距離是指在一定測量條件下，對一定的目標，在滿足一定的探測概率和虛警概率的情況下，激光測距機所能探測的最遠距離。使用合作目標測距和對漫反射目標測距最大的區別就是合作目標的反射角遠遠小于漫反射目標的反射角，這保證了經過合作目標后反射激光返回到探測器的能量比漫反射目標對應的反射能量強，因此激光測距機對合作目標測距的測程遠大于漫發射目標。

3.1 合作目標作用距離

一般采用角反射器作為激光合作目標；合作目標反射角約0.2mrad，因此反射光比較集中，能量密度高，適合于遠距離或超遠距離測距。

在大氣水平能見度大于23km，回波率大于90%的條件下，對裝有反射面積為30cm2的合作目標，作用距離大于60km的要求。

3.2 漫反射目標作用距離

在大氣水平能見度大于23km，回波率大于90%的條件下，對標定氣球，直徑為1.5m，作用距離大于15km的要求。

4 故障排查

根據故障現象分析，可能故障原因主要有以下四個：一是激光測距機發射端的峰值功率降低；二是接收端的雪崩二極管探測靈敏度降低；三是發射光軸與接收光軸之間的不平行度變化；四是激光測距機光軸與經緯儀主鏡光軸不平行度增大。排查定位步驟如下：

a.在測距過程中，激光測距機對校飛飛機最大作用距離超過87km，達到作用距離大于60km的指標要求，初步排除第一和第三種可能。

b.在跟蹤信標球過程中，通過經緯儀單桿修正功能確認了激光測距不滿足指標要求與激光測距機光軸、經緯儀主鏡光軸平行度無關，排除第四種可能。

c.對激光測距機進行設備檢測，常溫條件下，雪崩二極管偏壓值僅為140V左右，正常偏壓值應在300V至450V。首先更換放大器高壓模塊，雪崩二極管偏壓值仍為140V；更換新的雪崩二極管后，雪崩二極管偏壓值為380V。測距不滿足指標問題定位為雪崩二極管損壞。

d.更換雪崩二極管后進行激光測距拷機時發現“設備高壓”告警依舊，同時發現測距機散熱風扇出現閃?，F象；檢查24V穩壓電源供電情況，發現出現“設備高壓”告警時穩壓電源24V輸出突然降至11V后又恢復至24V，故障定位為24V穩壓電源性能下降。更換穩壓電源后，故障消失。

e.進行設備拷機測試，均正常。故障排除。

f.在接下來的試驗中，激光測距機在跟蹤過程中經緯儀主控軟件狀態區出現“待機高壓”告警，同時也出現了激光作用距離不連續，作用距離不達標現象。由于與前次故障現象類似，初步認為是雪崩二極管再次損壞。

g.進行設備檢測，進而更換雪崩二極管，經過設備拷機試驗，測距機工作正常。

h.安裝新電源并對經緯儀進行重新配重。

2016年10月，當光電經緯儀設備再次進行跟蹤信標球試驗時，激光連續有效測距距離最遠達到23.5km，設備工作正常，問題解決。

5 機理分析

（1）根據合作目標大小及發射的能量分析，激光測距機對裝有30cm2合作目標的飛機，距離需大于15km才能保證測距時內部雪崩二極管的安全。當測距距離小于15km時，將不同程度的對雪崩二極管造成損傷，損傷積累到一定程度，激光測距機將因雪崩二極管無法從噪聲中提取回波信號而出現激光作用距離不能滿足指標要求的現象。

（2）雪崩二極管的PN結有單向導電性，正向電阻小，反向電阻endprint

很大。當反向電壓增大到一定數值時，反向電流突然增加，就是反向電擊穿。造成雪崩二極管損傷，嚴重時雪崩二極管損毀直至無法工作。

（3）由于電源模塊負責對激光測距機供電，當電源模塊功率不足或者工作不穩定時，激光測距機檢測程序將出現“設備高壓”告警。

6 使用建議

通過公式2和公式3可知，激光測距機接收到的合作目標能量是漫反射目標能量的近百萬倍，而雪崩二極管又極其脆弱，因而極易造成對雪崩二極管的損傷。為了能夠在完成各項試驗任務同時保障設備安全，建議對激光測距機進行不同的使用策略。

（1）使用激光測距機前，需對其進行檢查。一般可使用感光紙對其進行發射功能檢查；在碼頭期間可通過對標校塔等目標進行測距性能檢查，在海上可通過對低云層進行檢查。

（2）針對漫反射目標：如在跟蹤信標球時，在完成要求基礎上應適當降低使用時間以延長激光測距機壽命。另外考慮設備工作時長的要求，一般建議在8km開始進行激光測距，完成15km指標要求進行停機。

（3）激光靶板：由于在船廠期間受船廠外部條件影響，激光靶板距離相對較近（600m左右），同時靶板的反射率較高，一般對接收鏡頭加裝帶透光孔的遮光蓋，避免對雪崩二極管造成損傷。

（4）激光靶標：考慮到激光合作目標屬于合作目標，參照（2）執行，并選用最小的孔徑進行測距試驗。

（5）激光測距試驗：在激光測距機對裝有合作目標的飛機等進行測距時，考慮到激光合作目標屬于合作目標，距離需大于15km才可進行測距以保證內部雪崩二極管的安全。由于飛機的高度只有8km，為保證設備安全建議放棄過頂測距，待其到達安全距離后在進行測距工作。經過測算，使用透孔遮光蓋的最大孔（孔徑0.6cm），能夠在最遠距離不超過30km的范圍內測距工作。

7 結束語

測量船相繼進行設備改造換型，即將列裝的激光測距機與經緯儀上的激光測距機屬同一類型，各項指標基本一致。本船激光測距機在半年內數次出現雪崩二極管損壞的問題，說明在使用過程中一定要注意關鍵重要事項。通過此次故障排除，明確了激光測距機的使用策略，可以延長激光測距機的使用壽命，對激光測距機的使用具有一定的借鑒意義。本文必然存在不足之處，望批評指正！

參考文獻：

[1]王古常，孫斌，萬強，程勇.光學與光電技術[J].光學技術，2003（04）：55-59.

作者簡介：徐志磊（1992-），男，江蘇儀征人，大專，測量員，研究方向：光學測量。endprint