0 引 言
脉冲激光测速仪的基本过程是通过测量接收和发射之间的距离及时间来间接计算出平均速度。为了准确地产生发射和接收激光脉冲基准,要求激光发射脉冲尽可能窄。目前激光脉冲宽度可做到10~20ns。国内半导体脉冲激光器产品能够满足中、近距离的测速仪的要求[1]。
我国激光测速仪是从20世纪90年代初发展起来的,现主要有三方面的应用。
(1)应用于各个行业。如内燃机、航天发动机、搅拌机等各种流动场合测量速度。采用连续激光多卜勒频移测速法测量速度。
(2)应用于军事方面。用于各种激光雷达,可对目标的距离、速度、回波分布等做多向动态测量和数据分析,并可辨别其类型(如导弹、飞机、卡车等)。
(3)应用于交通管理方面。用于各种汽车速度的测量,多采用连续激光多卜勒频移测速法。
国产脉冲激光测速仪在作用距离、测量精度、成本等方面存在一些不足,而且用于道路管理工作中的激光测速仪约1000美元。
1 脉冲式半导体激光测速仪原理
由于大气的不均匀和非稳态特性,在工程上常把光束路径上大气的折射率用平均值-n来近似表示[2]。
于是:
式中,R为目标距离,C为真空中的光速(2·998×108m/s)。假定时钟是用振荡频率为f(每秒产生f个电脉冲)的时标振荡器统计脉冲个数来计时,则有:
式中,m是时标振荡器在光往返过程的脉冲个数,-n值由大气实况决定。
激光测速仪是在激光测距基础上,用直接探测方法来测速的,即在不同时刻t1、t2分别测量目标距离R1、R2,再计算径向平均速度。
其表达式为
由于脉冲时间极短,可将径向平均速度看成瞬时速度。
2 脉冲式半导体激光测速仪设计方案的整体框架图
脉冲式半导体激光测速仪可分为四部分:激光发射系统,激光接收系统,计数系统(数据采集及信息处理、显示)及电源部分。如图1所示为前三部分整体框图。
2·1 测速仪发射系统原理框架图及作用
测速仪发射系统包括电源、脉冲式半导体激光器、光学准直扩束以及取样棱镜几部分。
发射系统的作用是在电源控制下发出一串激光束,经过光学系统的调制后形成具有一定面积和强度的平行光束,发送到待测物体上。同时用分光镜反馈回少量激光能量,作为起始触发脉冲,通过取样器输送给激光探测器,在探测器中转变为电信号,并通过放大器和脉冲形成电路整形后,进入门控电路,作为门控电路的开门信号。门控电路在开门脉冲信号的控制下开门,石英振荡器产生的时钟频率脉冲便进入计数器,计数器开始计数。
(1)脉冲半导体激光器的作用是发射出一串高功率的脉冲串。采用重庆航伟光电科技有限公司生产的峰值波长为808nm的半导体激光器。
(2)发射光学系统的作用是为了减少激光束的方向漂移和改善发散角,达到扩束准直的目的[3]。在激光器前面倒置一个望远镜系统,采用短焦距的望远镜系统,激光的发散角按望远镜的放大率成正比地缩小,如图2为发射系统部分框图。
(3)取样棱镜1的作用是将发射的一部分激光信号输送给计数器,计数器开始计时。
2·2 测速仪接收系统原理框架图及作用
测速仪接收系统包括光学调制(光学接收天线、滤波器或滤波片)、光电探测器(雪崩光电二极管)、前置放大器(低噪声前置放大器和视频放大器)、接收电路(阀值电路、脉冲形成电路)等[4]。
接收系统的作用是将目标返回的激光脉冲经接收光学系统后,通过光电探测器转变为电信号,并经过放大器放大后,输送到阈值电路。超过阈值电平的信号送到脉冲形成电路整形,使之与起始脉冲信号的形状相同,然后输入门控电路,作为门控电路的关门脉冲信号。门控电路在关门脉冲信号的控制下关门,钟频脉冲停止进入计数器。如图3所示。
(1)接收光学系统的作用是通过光学接收系统从信号中获得更多的信息,再经过滤波器将杂光滤掉,进一步提高探测灵敏度。
(2)光电探测器(雪崩光电二极管),欲采用重庆光电工程研究中心生产的GD3250-C硅雪崩光电二极管。
(3)放大器一个作用是将接收到的毫伏量级的电信号通过一个低噪声前置放大器将信号作预放大后,输入到光电信号处理器进一步放大和处理;另一个作用是将光电探测器进行必要的偏置和两者间的相互匹配,以保证探测器有足够的探测灵敏度,同时又保证输出信号比较大。
(4)接收电路的作用是具有足够的增益及带宽和尽可能高的信噪比。在仪器中采用两级视频集成运放组成放大器,在接收系统中采用加权滤波技术,提高测距信号的稳定度。即提高信号的瞬时速率来延迟目标的径向速率。
2·3 测速仪计数系统原理框架图及作用
测速仪计数系统由数据采集及信息处理、显示系统(包括门控电路、逻辑电路、复位电路、计数器、时标振荡器)等组成[5]。
来自激光驱动器的信号经电路整形后,形成具有一定宽度和幅度的主波信号,同时它又作用于控制电路使之产生复位及显示控制信号。在测速过程中,主波信号使测速仪的门控电路处于开起状态,让终脉冲通过门电路进入计数单元进行计数。来自被测目标的激光漫反射信号经放大,整形后作为回波信号送入门控电路使门控电路关闭,时钟脉冲停止进入计数单元,计数停止。由门控电路产生的信号将所计脉冲数通过译码、显示电路显示出来,随后控制电路产生复位信号将计数器复零,为下次做好准备。再经处理时就得到速度。图4为计数系统框图。
2·4 测速仪电源部分作用
其作用是提供电能。用于测速的半导体激光器必须是高效的、窄脉冲的,为了能保证达到0·5m的测距精度,要求驱动器的脉冲宽度越窄越好,但是脉冲太窄,接收器响应跟不上。根据现有的接收器响应参数,脉冲高功率半导体激光器的电源由三部分组成:振荡器、脉冲形成电路、高速脉冲半导体激光驱动器。脉冲形成电路由一单稳态电路构成,产生一定频率、一定脉宽的脉冲串。激光驱动器由电阻、电容、二极管、雪崩晶体管等构成,通过它产生一频率1kHz,脉冲宽度15ns,脉冲电流最大达30A,反馈给半导体激光器电源。
3 脉冲式半导体激光测速仪误差来源分析
一台激光测速仪的性能不但受仪器自身因素的影响,而且受外界因素的影响。因此测速仪的误差将从以下两方面加以分析。
3·1 激光在传输过程中与大气相互作用,将产生随机误差(又称偶然误差)
由(3)式可得-V11的不确定度Uv为:
由(4)式可见:激光测速仪的精度依赖于计数器的计数精度和仪器的测距精度。而测距精度UR及测时精度Ut又由c、f、n、m决定。下面将从两个方面对测速仪的随机误差进行分析。
3·1·1 晶体振荡器频率稳定度受外界的影响[6]
激光在空气中传播时,由于受介质、气压、温度、湿度的影响,晶体振荡器频率会有一定的变化,实验中用数字频率计可测得,若f=30×106Hz,在测距800m时晶体稳定度引起计数误差为Δm=±0·08,相当于测距误差为:
3·1·2 激光脉冲宽度的影响
如果激光光源及雪崩光电二极管一定,放大器的带宽也是一定的,但是由于大气衰减、目标反射的影响等,激光回波的光脉冲的相位、幅度将会随距离、气候条件、目标反射特性的变化而变化,即脉冲宽度随之变化。如图5所示,曲线1为取样电脉冲,曲线2为回波电脉冲,曲线3为大目标回波电脉冲,Vi为成形单稳态电路的阈值。由图5可见曲线3中的tp1要增大3ns左右,即相当于测距误差为:
对于大目标,由图5可见曲线3中的tp2测距误差要比tp1大两倍。即相当于测距误差为:
另外,由于输入噪声引起的时间抖动也会产生一定的误差。
3·2 仪器本身产生的系统误差
3·2·1 晶体振荡器频率稳定度的自身影响在理想情况下,若晶体振荡器频率f=30×106Hz,在测距800m时,光速为c=3×108m/s,由于仪器自身影响,脉冲个数Δm的误差值为Δm=±1,又由(5)式可知,测距误差:
3·2·2 接收系统响应时间的影响
在理想情况下,接收系统门电路的开闭反应时间都是假定为瞬时的,即激光发射时,门电路同时打开,当激光回波回到测速仪的瞬时,门电路同时关闭,此时计数器本身存在一个固有误差。这个误差是由于基准振荡器产生震荡脉冲与门电路开闭时间的位相不同引起的。在理想情况下,门电路开启时间是基准振荡周期的4倍多。但由于基准振荡器产生的基准振荡与门电路开启的位相不同,所以门电路输出的基准振荡就有可能是5个,也有可能是4个。因此,计数器在计数时就有可能会有Δm=±1个计数误差,在晶体振荡器频率f=30×106Hz时,每个计数就代表±5 (m)的距离,因此,ΔS计=±5Δm=±5 (m)
4 脉冲式激光测速仪的误差消除方法
由前面误差分析可见:仪器本身的系统误差是脉冲式激光测速仪的主要误差。因此,如何设计时刻鉴别单元以消除或减小仪器本身的系统误差,提高测时精度是脉冲测速仪的重要课题。要减小计时量化误差,最直接的办法就是提高计数脉冲频率,但它的提高又受到各种因素的限制。实验证明:采用模数转换技术来减少计数量化误差是一种有效的方法[7]。此方法不会出现因电容放电等长时间的作用而带来测量结果的不准确,并且能够大大提高测
时精度。
5 结 论
脉冲式半导体激光测速仪简单,系统结构与激光测距机类似,具有测程远,体积小的特点,它克服了雷达测速仪测量速度慢、波束宽及辐射对人体健康造成的不良影响等弊病,具有性能稳定、操作简便、测量迅速、读数精确、功能性强、价格低等特点,此种激光测速仪可以成为一种新型交通管理的工具。
参考文献:
[ 1 ] 黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京:国防工业出版社, 1999.
[ 2 ] 王永仲.现在军用光学技术[M].北京:科技出版社, 2003.
[ 3 ] 张以谨.应用光学[M].北京:机械工业出版社,1983.
[ 4 ] 戴永江.激光雷达原理[M].北京:国防工业出版社, 2002.
[ 5 ] 王化祥等.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社, 2002.
[ 6 ] 戴炳明等.脉冲激光测距机的测距误差分析[J].激光技术, 1999, 23 (8): 59-60.
[ 7 ] 胡以华,魏庆农.采用模数转换技术提高脉冲激光测距的测时精度[J].激光技术, 1997, 21 (3):189-192.
本文作者：周 晶
