脉冲激光测距机的测距误差分析

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)