大功率激光測距機室內模擬性能檢測的可行性探討

柯凱黎 李玉蛟 王忠東 燕晨濤 李輝

摘要：本文通過對大功率激光測距機的性能與參數分析，首先探討三種測程模擬方式在大功率激光測距機上應用的可能性，其次對于激光測距機的性能檢測過程中包含的橫向分辨率以及縱向分辨率是否能夠實現以及如何實現進行了可行性探討，通過各方案優缺點對比，為室內進行測距機性能檢測提供了可靠思路。

關鍵詞：測程;激光測距;電路延時;光纖延時

現今，激光測距儀器種類繁多，其原理大體分為兩種，一種是使用連續脈沖測距，通過相位差得到距離信息，一種是使用單脈沖測距，通過時間差得到距離信息，兩種測距方法各有優缺點。遠距離大功率激光測距機一般使用單脈沖激光進行距離測試。

由于單脈沖信號的脈寬窄、能量高，故峰值功率能達到兆瓦級別，遠遠超過室內模擬各設備的損傷閾值，所以室內檢測大功率激光測距機在國內的應用并不廣泛。但現今環境污染愈發嚴重，激光在大氣的氣溶膠衰減模式下，穿透能力極差，測程10km的激光測距機其能見度需達到23km才能夠對其測程指標進行測試，為了擺脫產品測試過程中靠天吃飯的情況，展開大功率激光測距機室內模擬檢測的研究是十分必要的。

激光測距機的性能檢測一般包括最大測程、最小測程、三軸一致性、橫向分辨率、縱向分辨率。三軸一致性測試的室內檢測方法簡單可行，已廣泛應用。本文主要探討室內模擬技術方面較為關注的測程模擬以及分辨率模擬。

一、測程模擬

實現大功率激光測距機的測程模擬共有三種模式，一種使用鏡面反射達到模擬光程的目的，一種使用電路計算延時再通過設備上的激光器出射激光到產品的接收口徑，一種使用光纖模擬測程并通過調節衰減率達到模擬光路衰減的目的。.

（一）鏡面反射

由于隨著光程不斷增加，光斑將逐漸變大，根據一般遠程激光測距機1mard的束散角進行估算，模擬10km的光程后光斑直徑將達到10米，所以鏡面反射模式的可行性不高，只適用于近距離測程模擬。

（2）電路延時

電路延時方案在部分測距機上已實現了測程模擬，其原理是利用可編程器件電路延時進行脈沖計數，當達到目標數值時激發設備上的激光器輸出與測距機同樣波長的激光脈沖（原理框圖如下圖1所示）。但電路延時時方案不適用于單脈沖激光測距機，由于激光測距機測試10km來回時間約為66.6微秒，所以電路的延時精度、激光器的預熱啟動時間應在納秒或皮秒級才能夠忽略，若達到微秒級則需每次啟動時間都為一固定數值。電路的延時精度在皮秒級的技術已十分成熟，但單脈沖的激光器啟動時間最小為微秒級，如某產品激光器，收到電開啟信號后，預熱啟動時間為50—80μs不等，常用的大功率單脈沖測距機使用波長1064nm的激光器較多，目前市面上暫無啟動時間納秒級別的1064nm單脈沖激光器。所以筆者認為電路延時方案精度高，但適用于連續脈沖激光器，不適用于單脈沖激光器的測程模擬。

（3）光纖延時

使用光纖進行延時，將光纖作為激光傳輸的媒介，以達到模擬光程的目的。將激光測距機發射出的激光經過衰減片，再經過光纖耦合器聚焦進入光纖，在光纖中傳播一段距離，再使用準直器和擴束鏡將激光返回激光接收端。同樣通過衰減機構模擬光程傳輸以及目標反射衰減（具體原理框圖見下圖2所示）。其難點在于，遠測程單脈沖激光測距機的峰值功率極大，易造成耦合器和光纖端面的損傷，需經過嚴格計算，選取合適的衰減片以保護后續機構。此方案適用于連續脈沖激光測距機以及單脈沖激光測距機。但一旦光纖長度確定以后，模擬的光程將無法改變，不如電路延時靈活。

二、分辨率模擬

（一）縱向分辨率

縱向分辨率的室外測試方法，一般采用兩間隔50m的靶板，前靶板為方框型，后靶板為方形，且與前靶板鏤空部分重合，使激光光斑中心對準兩靶板重合邊界，使一半光斑打在前靶板上，另一半光斑打在后靶板上，通過控制激光測距機的首/末操控桿，來顯示不同的距離。

使用電路或光纖方案均可實現縱向分辨率的測試，使用電路延時方案時，只需根據距離需要，控制兩不同時間間隔的激光出射即可完成雙回波模擬。

使用光纖進行模擬時，需以50：50的分光比將光纖內的光束分路，進入長度不同的兩根光纖后，在終端進行合束，從而使單回波變為間隔可控的雙回波。

（二）橫向分辨率

橫向分辨率的室外測試方法與縱向分辨率大同小異，是使用橫向間隔的兩靶板進行測試，但其目的在于測試激光測距機出射激光在2000m左右時的束散角。

若使用電路延時，則激光測距機接收到的能量為設備上的激光器出射的，對于檢測原激光測距機的束散角性能毫無意義，無法進行測試。

若使用光纖延時方案，在光束進入光纖在光纖內部傳輸再準直輸出的過程中，束散角都存在變化，最終檢測的束散角同樣不是原激光測距機的束散角。

通過對比GJB2241的新舊版本，筆者發現，在推薦的室內模擬測試指標中，不包括橫向分辨率指標，現是否有方法可以實現室內對于激光測距機橫向分辨率的檢測尚未可知。

三、結論

本文探討了大功率激光測距機在室內進行測程模擬、分辨率模擬的可行性，通過多種測程模擬方案原理分析以及優缺點對比，分析其適合的測距機種類。對于縱向分辨率提出了室內模擬的實現方法，對于橫向分辨率各模擬方案均不適用。

簡介：柯凱黎（1990年），女，漢，湖北武穴，工程師，本科，西安北方光電科技防務有限公司，主要研究光電火控技術。