測量雷射測高儀/測距儀測距能力的設備和方法
2023-06-20 11:20:21 2
專利名稱：測量雷射測高儀/測距儀測距能力的設備和方法
技術領域：
本發明涉及雷射測高儀和雷射測距儀性能參數的測量，特別是一種用於測量雷射測高儀/測距儀測距能力的設備和方法。
背景技術：
雷射測高儀和雷射測距儀(以下簡稱雷射測高儀)均由雷射發射系統和雷射接收系統組成，其性能在很大程度上是指其測距能力，即最大測程。特別是對遠距離的雷射測高儀(20km以上)來說，最大測程指標尤為重要。由於受到各種因素的影響，在地面對位於最大測程距離處的目標進行實測並不現實，其結果的精確度也是不高的。
消光係數法是傳統的實驗室測定雷射測高儀最大測程的方法之一。這種方法雖然也需要在野外作業，但並不同於野外實測。消光係數法的具體實施過程為在距離雷射測高儀0.5km處放置一個漫反射板，打開雷射器，發射的雷射打到漫反射板上。在接收系統前面放置濾光片，減小到達接收系統內的雷射能量。濾光片的透過率是預先設定的，在實際的操作過程中，再根據情況對透過率作微量的調節。雷射測高儀有正確的距離讀數時的透過率就是其靈敏度。根據靈敏度可以得到最大測程。在計算最大測程時，還需知道測量時的大氣能見度。消光係數法不失為一種原理與設備簡單的測量雷射測高儀的最大測程的方法。但是，由於這種方法只能在野外實現，對實驗場地要求較高。同時，受大氣條件影響較大，因此，很難獲得較高的精確度。
光纖模擬目標距離的方法，通過雷射在光纖中的循環傳輸，可以模擬不同距離的目標，實現對不同雷射測高儀進行測量。由於雷射束的直徑遠遠大於光纖的直徑，需要設計光學系統將雷射束進行耦合，因此該類型的檢測設備光路複雜，且光軸對準困難，同時，較難測定光纖的延時。
結合電子學及軟體的手段，測量雷射測高儀測距能力的方法，需要使用雷射模擬器。模擬雷射器用於產生模擬回波。具體途徑為通過軟硬體結合的方式，改變雷射模擬器的內部元器件的性能，從而得到性能參數可調的模擬雷射束，模擬在實際測距時，外界環境對發射雷射束的影響。通過延時電路控制雷射模擬器相對於發射雷射之間的延時，可以模擬不同的目標距離。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的困難，提供一種測量雷射測高儀/測距儀測距能力最大測程的設備和方法，該設備應簡單，測量方法簡便有效。
雷射測高儀的最大測程是相對一定的條件而言的。在不同的大氣條件下，對不同表面特性的目標物進行測距，得到的最大測程是不相同的。因此，不僅對處於不同距離的同一表面特性的目標物測距時，雷射發射能量不同；在對相同距離、不同表面特性目標物測距時，所需的雷射發射能量也不一樣。對應這些不同的測距條件，雷射測高儀的接收系統中，回波探測器的最小可探測功率是不變的。即接收系統有響應的最小回波能量是一定值。因此，根據雷射測高儀達到最小可探測功率值時對應的各參數的值，即可推算出雷射測高儀測距時的最大測程。
本發明的具體技術方案如下一種測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於其構成是沿該雷射測高儀的雷射發射系統發出的雷射束前進方向依次包括透反鏡、反射鏡、衰減器、模擬目標，在透反鏡的透射方向設有能量計；透反鏡與光束成45°，反射鏡與光束成45°，且二者的作用是將雷射測高儀所發出的雷射光束折轉，使之與雷射測高儀的接收系統同軸，還有波形顯示系統。
所述的衰減器由衰減片支架和包含有多塊衰減片的衰減片組構成，衰減片支架具有多個衰減片插口，供該衰減片插設。
所述的模擬目標是表面反射率已知的反射板。
包括下列步驟①.將雷射測高儀與測量設備對接，使透反鏡與雷射測高儀的雷射發射系統的光軸的夾角為45°，全反射鏡與雷射測高儀的雷射接收系統的光軸之間的夾角也是45°，並保障經反射鏡反射後的雷射束與該雷射接收系統的光軸同軸；②.在雷射束前進方向上一定距離Rs設置模擬目標；③.將發射雷射束單脈衝的能量設為一定值，由能量計監測為Wo；④.增加衰減器的衰減片，同時由雷射測距儀的雷射接收系統監測雷射回波的數位訊號，當回波數位訊號為0時，記下衰減器的透過率τo；⑤.利用下列公式計算雷射測高儀的最大測程Rmax2=Wttarcosa2Wtstarscossas2Rs2]]>式中Wts＝Woτo-雷射測高儀最小可探測的單脈衝雷射能量Wo-能量計檢測的發射的單脈衝雷射能量τo-當回波數位訊號為0時，衰減器的透過率Wt-雷射測高儀發射的單脈衝最大雷射能量
ρtar-目標物的表面反射率ρtars-模擬目標表面反射率α-雷射對目標物表面的入射角αs-雷射對模擬目標表面的入射角τ2a-光測高儀至實測目標的大氣雙程透過率τ2as-雷射測高儀至模擬目標的大氣雙程透過率Rs-雷射測高儀到模擬目標之間的距離本發明的優點是測量設備簡單，測量方法簡便；透反鏡1採用半反半透片，能量計可以對雷射發射能量實現實時測量；採用發射雷射兩次反射折轉，保證雷射的發射與接收同軸，室內實驗，不受外界環境影響；採用漫反射模擬目標，真實模擬實際測距時，目標對雷射的反射。
圖1為本發明的測量雷射測高儀測距能力的設備及其測量狀態的示意圖。
圖2是本發明衰減器的結構示意圖。
具體實施例方式先請參閱圖1、圖2，圖1是本發明測量雷射測高儀測距能力的設備及其測量狀態的示意圖，圖2是衰減器的結構示意圖。由圖可見，本發明測量雷射測高儀測距能力的設備包括具有一定透射的透反鏡1、反射鏡2、能量計3、衰減器4、模擬目標5、波形顯示系統6。透反鏡1和反射鏡2將雷射測高儀7的雷射發射系統71所發出的雷射折轉到與雷射接收系統72同軸。透反鏡1為半透半反片，反射鏡2為全反射片。能量計3用於測量雷射發射系統71所發出的雷射束的能量。衰減器4由支架41和衰減片組42組成。整個衰減器4用於衰減發射雷射的能量。衰減片組42由具有不同透過率的衰減片421組成，通過改變衰減片組42的組成，可以得到不同透過率的衰減器4。模擬目標5是表面反射率ρtars已知的反射板，對入射雷射產生的反射遵循朗伯反射定律，可用於模擬雷射測高儀對真實目標測距時，由目標所產生的漫反射。波形顯示系統6使用示波器實現，用於監測回波信號。見圖1。
利用上述設備測量雷射測高儀最大測程的方法，包括下列步驟A.將雷射測高儀7與測量設備對接，使透反鏡1和雷射發射系統71光軸之間的夾角為45°，反射鏡2與雷射接收系統72光軸之間的夾角也為45。保證經過反射鏡2反射後的雷射束與雷射接收系統72同光軸；B.將模擬目標5設置在光路中，並根據需要調節模擬目標5與雷射測高儀7之間的距離，距離以大於20m小於50m為宜，並使用傳統方法測量模擬目標5與雷射測高儀7之間的確切距離Rs；C.將雷射發射系統71發射的雷射能量設為一定值Wo，改變衰減器4的組成，以得到不同的透過率，使用波形顯示系統6顯示雷射接收系統72所得到的回波數位訊號，當數字回波信號消失時記錄對應的衰減器4的透過率τo以及能量計3中所顯示的能量值Wo，即在對給定距離Rs的模擬目標5測距時，所需的雷射能量Wo。此時，所對應的回波探測器的功率就是雷射測高儀最小可探測功率Woτo。
D.由最大測程與各參數之間的對應關係，計算在給定條件下的雷射測高儀7的最大測程。
雷射測高儀的最大測程由下式來表示
Rmax2=Wttarcosa2Wtstarscossas2Rs2]]>式中Wts＝Woτo-雷射測高儀最小可探測的單脈衝雷射能量Wo-能量計(3)檢測的發射的單脈衝雷射能量τo-當回波數位訊號為0時，衰減器(4)的透過率Wt-雷射測高儀(7)發射的最大單脈衝雷射能量ρtar-目標物的表面反射率ρtars-模擬目標(5)表面反射率α-雷射對目標物表面的入射角αs-雷射對模擬目標(5)表面的入射角τ2a-雷射測高儀(7)至實測目標的大氣雙程透過率τ2as-雷射測高儀(7)至模擬目標(5)的大氣雙程透過率Rs-雷射測高儀(7)到模擬目標(5)之間的距離
權利要求
1.一種測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於其構成是沿該雷射測高儀(7)的雷射發射系統(71)發出的雷射束前進方向依次包括透反鏡(1)、反射鏡(2)、衰減器(4)、模擬目標(5)，在透反鏡(1)的透射方向設有能量計(3)；透反鏡(1)與光束成45°，反射鏡(2)與光束成45°，且二者的作用是將雷射測高儀(7)所發出的雷射光束折轉，使之與雷射測高儀(7)的雷射接收系統(72)同軸；還有波形顯示系統(6)。
2.根據權利要求1所述的測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於所述的衰減器(4)由衰減片支架(41)和包含有多塊衰減片(421)的衰減片組(42)構成，衰減片支架(41)具有多個衰減片插口(411)，供該衰減片(421)插設。
3.根據權利要求2所述的測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於所述的模擬目標(5)是表面反射率已知的反射板。
4.根據權利要求1所述的測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於包括下列步驟①.將雷射測高儀(7)與測量設備對接，使透反鏡(1)與雷射測高儀(7)的雷射發射系統(71)的光軸的夾角為45°，全反射鏡(2)與雷射測高儀(7)的雷射接收系統(72)的光軸之間的夾角也是45°，並保障經反射鏡(2)反射後的雷射束與該雷射接收系統(72)的光軸同軸；②.在雷射束前進方向上一定距離Rs設置模擬目標(5)；③.將發射雷射束單脈衝的能量設為一定值，由能量計(3)監測為Wo；④.增加衰減器(4)的衰減片(421)，同時由雷射測距儀(7)的雷射接收系統(72)監測雷射回波的數位訊號，當回波數位訊號為0時，記下衰減器(4)的透過率τo；⑤.利用下列公式計算雷射測高儀(7)的最大測程RmaxRmax2=Wttarcosa2Wtstarscossas2Rs2]]>式中Wts＝Woτo—雷射測高儀最小可探測的單脈衝雷射能量Wo—能量計(3)檢測的發射的單脈衝雷射能量τo—當回波數位訊號為0時，衰減器(4)的透過率Wt—雷射測高儀(7)發射的最大單脈衝雷射能量ρtar—目標物的表面反射率ρtars—模擬目標(5)表面反射率α—雷射對目標物表面的入射角αs—雷射對模擬目標(5)表面的入射角τ2a—雷射測高儀(7)至實測目標的大氣雙程透過率τ2as—雷射測高儀(7)至模擬目標(5)的大氣雙程透過率Rs—雷射測高儀(7)到模擬目標(5)之間的距離
全文摘要
一種測量雷射測高儀測距能力的設備，其特徵在於其構成是沿該雷射測高儀的雷射發射系統發出的雷射束前進方向依次包括透反鏡、反射鏡、衰減器、模擬目標，在透反鏡的透射方向設有能量計；透反鏡與光束成45°，反射鏡與光束成45°，且二者的作用是將雷射測高儀所發出的雷射光束折轉，使之與雷射測高儀的雷射接收系統同軸；還有波形顯示系統。本發明具有設備簡單、操作方便、室內測試、不受外界環境影響和測量精度高等優點。
文檔編號G01N21/00GK1544915SQ20031010872
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月20日 優先權日2003年11月20日
發明者蘇嶸, 張海洪, 胡以華, 方抗美, 陳育偉, 蘇 嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所