激光测距机作用距离不达标的分析与排查

徐志磊+李凯+任益斌

摘 要：激光测距机作为测量船海上距离标定的设备，主要为雷达设备提供标校用的距离信息。本文介绍了某型光电经纬仪在海上标校进行跟踪信标球的过程中出现的测距距离不达标问题，通过对这一故障进行排查，完成对激光测距机故障定位，同时对故障出现的诱因进行机理分析，制定该激光测距机的使用策略，对其他单位激光测距机的使用及故障分析具有一定的借鉴意义。

关键词：激光测距机；作用距离；雪崩二极管；稳压电源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.222

1 引言

激光测距机作为测量船经纬仪测距设备，具有方向性好、测距精度高等优点，是测量船重要组成部分。

2016年9月，船用某型光电经纬仪配备的激光测距机曾发生如下故障：在气象条件良好的情况下，其对信标球最大连续作用距离只有12km，不满足大于15km的指标要求；且在工作7min后设备状态激光测距机“设备高压”告警，不满足连续工作大于15min要求。

2 激光测距机介绍

根据要求，激光测距机采用半导体激光二极管作泵浦源，光机电热一体化方案设计。激光测距机由激光发射部分、激光接收部分、主控三部分组成。其中激光发射部分包括发射光学镜头、激光器和激光电源、温控电路等，其功能是发射激光脉冲并产生主波脉冲；激光接收部分由接收光学镜头、控制电路、接收电路等部分组成，其功能是探测返回的激光信号并形成回波脉冲；主控部分由计时电路、控制电路和通讯电路等部件组成，其功能主要是根据主波和回波脉冲解算出距离信息并控制各分系统协同工作。

测距工作原理：

脉冲激光测距机是通过测量激光器发射的主波和被测目标反射的回波之间的时间差，即光往返一次所需的时间来计算目标距离的。

已知光在空间的传播速度为C，光往返一次所需的时间为， 则被测目标的距离：

当激光器发射激光时，置于激光发射器全反射端谐振腔外部的主波取样头将漏出的“微弱”激光脉冲转换成电脉冲信号送计数器作“开门”信号（即主波），计数器开始计数。从被测目标上返回来的光脉冲经接收望远镜会聚到雪崩管组件的光敏面上，转换成电脉冲信号，经视频放大器放大，送到计数器作为“关门”信号（即“回波”），计数器停止计数。根据计数器的计数值可计算求出目标的距离[1]。

3 激光测距机作用距离计算方法

激光作用距离是指在一定测量条件下，对一定的目标，在满足一定的探测概率和虚警概率的情况下，激光测距机所能探测的最远距离。使用合作目标测距和对漫反射目标测距最大的区别就是合作目标的反射角远远小于漫反射目标的反射角，这保证了经过合作目标后反射激光返回到探测器的能量比漫反射目标对应的反射能量强，因此激光测距机对合作目标测距的测程远大于漫发射目标。

3.1 合作目标作用距离

一般采用角反射器作为激光合作目标；合作目标反射角约0.2mrad，因此反射光比較集中，能量密度高，适合于远距离或超远距离测距。

在大气水平能见度大于23km，回波率大于90%的条件下，对装有反射面积为30cm2的合作目标，作用距离大于60km的要求。

3.2 漫反射目标作用距离

在大气水平能见度大于23km，回波率大于90%的条件下，对标定气球，直径为1.5m，作用距离大于15km的要求。

4 故障排查

根据故障现象分析，可能故障原因主要有以下四个：一是激光测距机发射端的峰值功率降低；二是接收端的雪崩二极管探测灵敏度降低；三是发射光轴与接收光轴之间的不平行度变化；四是激光测距机光轴与经纬仪主镜光轴不平行度增大。排查定位步骤如下：

a.在测距过程中，激光测距机对校飞飞机最大作用距离超过87km，达到作用距离大于60km的指标要求，初步排除第一和第三种可能。

b.在跟踪信标球过程中，通过经纬仪单杆修正功能确认了激光测距不满足指标要求与激光测距机光轴、经纬仪主镜光轴平行度无关，排除第四种可能。

c.对激光测距机进行设备检测，常温条件下，雪崩二极管偏压值仅为140V左右，正常偏压值应在300V至450V。首先更换放大器高压模块，雪崩二极管偏压值仍为140V；更换新的雪崩二极管后，雪崩二极管偏压值为380V。测距不满足指标问题定位为雪崩二极管损坏。

d.更换雪崩二极管后进行激光测距拷机时发现“设备高压”告警依旧，同时发现测距机散热风扇出现闪停现象；检查24V稳压电源供电情况，发现出现“设备高压”告警时稳压电源24V输出突然降至11V后又恢复至24V，故障定位为24V稳压电源性能下降。更换稳压电源后，故障消失。

e.进行设备拷机测试，均正常。故障排除。

f.在接下来的试验中，激光测距机在跟踪过程中经纬仪主控软件状态区出现“待机高压”告警，同时也出现了激光作用距离不连续，作用距离不达标现象。由于与前次故障现象类似，初步认为是雪崩二极管再次损坏。

g.进行设备检测，进而更换雪崩二极管，经过设备拷机试验，测距机工作正常。

h.安装新电源并对经纬仪进行重新配重。

2016年10月，当光电经纬仪设备再次进行跟踪信标球试验时，激光连续有效测距距离最远达到23.5km，设备工作正常，问题解决。

5 机理分析

（1）根据合作目标大小及发射的能量分析，激光测距机对装有30cm2合作目标的飞机，距离需大于15km才能保证测距时内部雪崩二极管的安全。当测距距离小于15km时，将不同程度的对雪崩二极管造成损伤，损伤积累到一定程度，激光测距机将因雪崩二极管无法从噪声中提取回波信号而出现激光作用距离不能满足指标要求的现象。

（2）雪崩二极管的PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻endprint

很大。当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，就是反向电击穿。造成雪崩二极管损伤，严重时雪崩二极管损毁直至无法工作。

（3）由于电源模块负责对激光测距机供电，当电源模块功率不足或者工作不稳定时，激光测距机检测程序将出现“设备高压”告警。

6 使用建議

通过公式2和公式3可知，激光测距机接收到的合作目标能量是漫反射目标能量的近百万倍，而雪崩二极管又极其脆弱，因而极易造成对雪崩二极管的损伤。为了能够在完成各项试验任务同时保障设备安全，建议对激光测距机进行不同的使用策略。

（1）使用激光测距机前，需对其进行检查。一般可使用感光纸对其进行发射功能检查；在码头期间可通过对标校塔等目标进行测距性能检查，在海上可通过对低云层进行检查。

（2）针对漫反射目标：如在跟踪信标球时，在完成要求基础上应适当降低使用时间以延长激光测距机寿命。另外考虑设备工作时长的要求，一般建议在8km开始进行激光测距，完成15km指标要求进行停机。

（3）激光靶板：由于在船厂期间受船厂外部条件影响，激光靶板距离相对较近（600m左右），同时靶板的反射率较高，一般对接收镜头加装带透光孔的遮光盖，避免对雪崩二极管造成损伤。

（4）激光靶标：考虑到激光合作目标属于合作目标，参照（2）执行，并选用最小的孔径进行测距试验。

（5）激光测距试验：在激光测距机对装有合作目标的飞机等进行测距时，考虑到激光合作目标属于合作目标，距离需大于15km才可进行测距以保证内部雪崩二极管的安全。由于飞机的高度只有8km，为保证设备安全建议放弃过顶测距，待其到达安全距离后在进行测距工作。经过测算，使用透孔遮光盖的最大孔（孔径0.6cm），能够在最远距离不超过30km的范围内测距工作。

7 结束语

测量船相继进行设备改造换型，即将列装的激光测距机与经纬仪上的激光测距机属同一类型，各项指标基本一致。本船激光测距机在半年内数次出现雪崩二极管损坏的问题，说明在使用过程中一定要注意关键重要事项。通过此次故障排除，明确了激光测距机的使用策略，可以延长激光测距机的使用寿命，对激光测距机的使用具有一定的借鉴意义。本文必然存在不足之处，望批评指正！

参考文献：

[1]王古常，孙斌，万强，程勇.光学与光电技术[J].光学技术，2003（04）：55-59.

作者简介：徐志磊（1992-），男，江苏仪征人，大专，测量员，研究方向：光学测量。endprint