脉冲式激光测速仪的性能及误差分析

    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测得速度。为了能准确地得到速度,要求接收系统的探测灵敏度尽可能高,通过对激光测速仪的误差分析,采用模数转换技术A/D电路来提高测速精度是一种行之有效的方法。

    1　脉冲式激光测速仪的性能评价

    评价脉冲式激光测速仪的性能,既要考虑它的测距性能,又要考虑它的测速性能,而测速性能又是由测距性能和计数系统的记录时间决定的,具体讨论如下。

    根据光时域反射技术,考虑到大气衰减、光学系统的透过率和目标的反射特性[1~2],光子测距方程组为

    式中: R为目标的距离; C为空气中的光速;Δt为回波的时间间隔; NE、NR为激光测速仪中的每个激光脉冲发射的光子数与接收光子数;τT、τR为激光测速仪发射物镜和接收物镜的透过率;μ为大气的线性衰减系数;ρ为目标反射率;θ为目标法线方向与观察方向的夹角; D为接收目镜的通光孔径; AT为目标被激光光斑照射的面积; AL为在目标处激光光斑的面积,当目标大于激光照射面积时, AT/AL=1。

    将(1)式中光子数N用通量Φ表示,即每秒通过的光子数与辐射功率PE或辐射通量相对应,则光子测距方程等效于激光测距方程,将光子通量换算成辐射功率PE=Φhγ,有:

    式中: PE为发射功率, PR为接收功率。μ为大气与激光在传输过程中的线性衰减系数。μ包括大气吸收、大气散射、气溶胶等衰减系数之和[3]。

    若PE=10W,λ=808nm(γ=c/λ=3·59×1014Hz),θ=0,τR=0·7,τT=0·9,ρ=0·5,PR=2·42×10-5mW,μ=0·05/km(良好天气), D=100mm.

    代入(3)式可得距离R的方程:

    将上式两边取对数并整理得目标的距离:

    由(3)式可见:一台测速仪测距能力由大气衰减、光学系统的透过率和目标的反射特性及发射、接收功率等诸多条件来决定。

    2　脉冲式激光测速仪的误差分析[4~5]

    一台激光测速仪的性能好坏受各种因素的影响,本文重点从两方面加以分析。

    2·1　激光在传输过程中与大气相互作用,产生随机误差又称偶然误差

    当激光通过大气传输时,会产生两种效应。一种是大气衰减效应,由于大气吸收和散射及气溶胶作用,使传输的光辐射强度受到衰减。因此设计中选用大气窗口波段的近红外波808nm作为激光光源,可以减小大气衰减效应;另一种是大气湍流效应,由于大气的不均匀和非稳态特性,使其折射率随时间和空间变化。