戴炳明 张 雏 李东石
(军械工程学院,石家庄,050003)
摘要:从理论上分析了脉冲激光测距机的测距误差,主要由晶体振荡器的振荡频率稳定度、接收系统的响应时间以及激光脉冲宽度三个因素的影响所致,测距误差范围是-5m~10m。
关键词:脉冲激光 测距机 测距误差
引 言
由于激光具有方向性好、单色性好、亮度高的特点,因此,激光测距和光学测距相比,有精度高、快速、测得远的优点[1]。近年来,各国生产和装备于部队坦克、地炮、舰炮、高炮及火控系统的激光测距机已有170余种,并且已经形成了标准化和系列化的产品。除军事应用外,它在大地测量、国民经济建设工程施工中及空间目标的测量方面也被广泛地应用。
1 脉冲激光测距机原理
脉冲激光测距机的测距原理见图1。由激光发射器对准目标发射一个激光脉冲,然后由接收系统接收从目标反射回来的回波脉冲,通过测定脉冲在待测距离上往返时间t,已知光速为c,则可用(1)式求得待测目标的距离S为: S = ct/2 (1)
由于时间t十分短,所以必须用能产生标准固定频率的时标振荡器和电子计数器来记录。如果时标振荡器振荡频率为f,在测距机和目标之间往返的时间t内(即取样信号和回波信号之间的时间间隔)包含时标脉冲个数为n,则待测距离S为: S = cn/(2f) (2)
式中,c和f均为已知,只要测出n,便可由(2)式求出待测距离S。
2 测距误差分析
激光测距机的测距精度主要依赖于计数器的计数精度和仪器的测距误差。计数精度决定于计数器中基准振荡频率,也就是说,基准振荡器频率一定,那么计数精度就是一个定值。而测距误差是指测距机的显示结果与实际距离之差,下面我们从三个因素对产生脉冲激光测距机的测距误差进行分析。
2·1 晶体振荡器频率稳定度的影响
由(2)式可见,测距误差由c,n和f决定。光在空气中传播时,由于受介质、气压、温度、湿度的影响,传播速度会有一定的变化,其变化范围是12×10-6km/s,这对于10km的测距范围来说,其影响可以忽略。
对于光速为c=3×108m/s,若测距机晶体振荡器频率f=30×106Hz,在理想情况下,n的误差值为±1,则测距机测距读数精度有±5m的误差。
实际应用中,测距机的晶体振荡器受温度影响,也会有一定变化,其用数字频率计测得的数值见表1。
由表1及(2)式可算出,在10km距离下,晶体稳定度引起计数误差Δn=±0.15,相当于测距误差为: ΔS振≤5×(±0.15) =±0.75m (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,也就是说,激光发射时,门电路同时打开,当激光回波回到测距机的瞬间,门电路同时关闭,此时计数器本身存在一个固定误差,这个固定误差是由于基准振荡器产生的振荡脉冲与门电路的开闭时间相位不同引起的,如图2所示。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相位不同,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。而基准振荡器的相位是随机的,因此,计数器在计数时就可能会有±1个计数误差,在f=30MHz时,每个计数就代表±5m的距离,因此 ΔS计=±5m (4)
2.3 激光脉冲宽度的影响
脉冲激光测距机上用的掺钕钇铝石榴石调Q激光器,其脉冲半宽度约为6~8ns左右,配合雪崩光电二极管用的放大器增益较高,为了减少噪声干扰,放大器的带宽应有一定限制。放大器后面的成形单稳态的阈值,一般是一定的,激光取样电脉冲的形状、幅值也是基本固定的。但是由于大气衰减,目标反射特性的影响,激光回波光脉冲的相位、幅度就会随距离、气候条件、目标反射特性的改变而改变,所以激光测距机的测距误差就会随激光回波脉冲的相位、幅度的变化而变化。如图3所示,曲线1为取样电脉冲,曲线2为回波电脉冲,曲线3为倾斜大目标回波电脉冲(如山坡),Vi为成形单稳态电路的阈值。由图可以明显看出,测距误差在理想情况下,从曲线3中的tp1可看出要增大3ns左右,即相当于1m左右的距离。在大的倾斜目标情况下,从曲线3中的tp2可看出,增大测距误差要比tp1大得多,甚至要大于二倍。
3 结果分析
综上所述,用同一台脉冲激光测距机测量同一远距离目标时,测距机的测距误差为ΔS总=ΔS振+ΔS计+ΔS脉。
经上述分析表明,测距机的测距误差的设计数据是,负总误差可控制在-5m以内,而正总误差在大的倾斜目标(如山坡)情况下,可能接近10m。因此,系统在没有达到设计要求时,是不可能达到精度为±5m这一指标的。另外,即使测距机完全达到设计要求,有时也会因为外界因素的影响而超出这个范围,这是我们必须注意的。
参考文献
1 中国矿业学院矿山测量教研室编.激光测距仪.北京:煤炭工业出版社,1980
