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激光测距机距离准确度校准方法研究

发布时间:2014-06-09 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:928


     目前,对于激光测距机的距离准确度的室内校准方法主要是通过精密计时电路对测距机计时电路进行校准。这种方法的优点是时基信号便于测量,在激光测距机的生产现场比较实用。但是,当测距机进入试验和使用现场时,则不便于直接校准计时电路,并且外场校准测量常受到天气情况(如雨、雾天气)的限制。
为解决这些问题,笔者取一定物理长度的单模光纤,在激光测距机对应的波长下精密测量光纤的通光时间,将光纤作为激光测距机的距离模拟器,实现了对于激光测距机距离准确度的高精度校准。同时,由于光纤体积小、可缠绕、便于携带等特点,可以满足高精度外场校准需要。
     一、结构原理
     1.校准装置结构
     校准装置主要由标准距离模拟器(由单模光纤构成)、激光器、激光屏蔽罩、衰减器组、准直器等组成,如图1所示。待测激光测距机的激光发射端经屏蔽罩屏蔽后,仅能将激光输出至单模光纤前端面,这样有效防止了测试环境下的激光泄漏,保证了人眼和测距机接收天线的安全。经光纤传导后,激光从光纤后端面出射至准直器,准直器可将发散光束变成平行光,便于激光测距机的接收。衰减器组用于激光能量较强的场合,可以有效防止激光测距机的接收天线由于入射光过强而造成的伤害。
     2.校准原理
     首先,根据待测激光测距机要求校准的物理长度选取距离模拟器,采用如图1所示的装置进行激光测距,记录测试结果。
测试完毕后,根据所选距离模拟器确定模拟距离长度。具体方法如下:
     根据光纤物理长度L和光纤在被测激光测距机激光器波长下对应的折射率n来确定模拟距离,光纤物理长度的校准方法采用的是单模光纤零色散波长检定装置和通信用时域反射计检定装置。两种方法给出的物理长度不确定度u(L)=0.1m,1.064μm激光波长下的折射率为1.4661,不确定度为u(n)=0.001。
     一般测距机的允许误差是5.0m,可见,采用此种方法校准的光纤,其模拟距离带来的不确定度将随着距离的增加而增大,在10km以上将无法对激光测距机距离准确度进行校准。
     为解决这个问题,特采用了差分法对距离模拟器进行准确校准,以满足校准需要。
     二、精确校准光纤模拟距离
     1.校准装置及其校准原理
     系统由激光器、标准距离模拟器、参考光纤、光电探测器、数字存储示波器组成。同一激光脉冲同时输入标准距离模拟器(A)和参考光纤(B),经过不同长度光纤传输后输入同一光电探测器,产生两个电脉冲,输入数字存储示波器,测量两个电脉冲波形峰值点之间的时间间隔Δt,参考光纤纤芯在激光波长的折射率n、光纤物理长度LA,则标准距离模拟器的标准距离R为标准距离,m;LA——参考光纤物理长度,m;n——参考光纤纤芯在激光波长的折射率;c——大气中光速,通常用真空中的光速c=299792458m/s;Δt——测量两个激光脉冲波形峰值之间的时间间隔,ns。
     2.校准装置不确定度分析
     折射率n、参考光纤长度L0、光速c的不确定度相当小,因此对于合成不确定度uc的影响非常小,影响测量不确定度的主要来源就是对于时间间隔Δt的测量。本装置采用的示波器是泰克公司生产的TDS6604型数字存储示波器,带宽6GHz,上升时间70ps,量程在50.0ps/div~10.0s/div范围内的误差为-0.01%。该示波器经检定后,其时间差测量不确定度可以达到1.0ns,取光纤的测量不确定度u(n)=0.001、测量波长λ=1.064μm下光纤的折射率n=1.4661、参考光纤长度L0=1.0m,光速c=299792485m/s。
     可见采用此种方法,可以达到很高的测量准确度,能满足高精度激光测距机的溯源要求。实验结果如表1、表2所示。
     表3为激光测距机室外1000m处目标测试结果与室内光纤测试结果的比较,可以看出用光纤距离模拟器的测量结果不确定度更高。
     三、结束语
     笔者利用高精度数字存储示波器,实现了一定长度光纤激光脉冲通过时间的准确测量,从而知道光纤物理实际距离,就可以直接校准激光测距机的距离准确度,此方法方便、实用,准确度高。
转载自中国计量网

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