专利名称：脉冲激光发射机野外在线综合测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光系统光电性能综合测试装置，具体地说是一种脉冲激光发射机野外在线综合测试装置。
背景技术：
脉冲激光发射机的性能测试，包括对激光脉冲的测试和对激光光斑质量的测试两个方面。在激光脉冲的测试方面，目前国内外在单脉冲和宽脉冲激光发射性能测试技术的研究方面已取得了一定的成果；而对于窄脉宽、高重频激光脉冲峰值功率的测试技术，目前还尚属空白。在激光光斑的测试方面，国内外在高重频脉冲激光光斑的参数测试方面都作了大量研究，包括有烧蚀法、扫描法和CCD测量法等多种方法，而对于单、低频脉冲激光光斑的测试技术，目前尚无公开报道。
目前用于脉冲激光发射机性能参数测试方面的仪器设备，虽然自动化、智能化程度较以前有很大的提高，但大都是对单一参数或同一种波段激光脉冲的综合测试，而且也多是在实验室内使用。如南京理工大学电光学院所做的对1.06μm重频脉冲激光光斑中心的计算机分析，西安应用光学研究所研制的脉冲激光测距机检定测试设备等，都主要是对激光测距机的测距准确性、最大及最小量程、脉冲能量、脉宽、重频特性和束散角等进行检测，对于重频脉冲的特性分析，也只是针对低频激光脉冲。还有不少科研单位也做过一些激光能量和激光平均功率等参数测试方面的研究，但目前还没有对脉冲激光发射机在野外条件下的各种诸如波段、脉宽、峰值功率以及单、低重频脉冲激光光斑等方面的性能参数进行综合测试的装置。
发明内容
本发明的目的就是提供一种脉冲激光发射机野外在线综合测试装置，以实现脉冲激光发射机的多波段野外在线自动测试。
本发明是这样实现的该装置是在架设平台上固定有脉冲激光峰值功率采集器和上转换板图像采集器，两采集器的控制电路和输出端分接微机控制箱，以进行控制信号的传输和测试采集信号的传递。所述的脉冲激光峰值功率采集器包括有多波段光电转换器、激光脉冲展宽放大电路和电压采集卡，多波段光电转换器的输出接激光脉冲展宽放大电路，激光脉冲展宽放大电路的输出和多波段光电转换器的一路输出分接电压采集卡。所述的上转换板图像采集器由上转换板、物镜、CCD摄像头和图像采集卡连接组成。微机控制箱为两采集器提供电源。
对于脉冲激光发射机的综合性能测试，主要是包括对脉冲峰值功率和光斑性能这两方面的测试。
在对激光脉冲峰值功率方面的参数进行测试时，被测脉冲激光发射机发出的激光光束，先由脉冲激光峰值功率采集器进行采集，其中的多波段光电转换器对接收到的脉冲激光是分两种方式进行处理其一，对于脉宽较窄的激光脉冲，是将其输入到激光脉冲展宽放大电路，经展宽放大后，再输入到电压采集卡，由微机控制箱进行激光脉冲信号的控制采集和计算处理，以得到最终的脉冲峰值功率方面的参数测试数据。其二，对于脉宽较宽的激光脉冲，则是通过多波段光电转换器的输出端，将其直接输入到电压采集卡，由微机控制箱进行激光脉冲信号的控制采集和计算处理，以得到最终的脉冲峰值功率方面的参数测试数据。
在对激光光斑质量方面的参数进行测试时，对被测脉冲激光发射机所发出的激光光束也是分两种情况进行处理其一，对于高重频激光脉冲，是直接由上转换板图像采集器中的CCD摄像头摄入后，再显像输出到图像采集卡，然后由微机控制箱对图像采集卡上的信息进行控制采集和计算处理，以得到最终的激光光斑质量方面的参数测试数据。其二，对于单、低频激光脉冲，由于直接使用CCD摄像头捕捉不到，所以需要使用上转换板图像采集器进行信号采集。经过上转换板图像采集器中的上转换板捕获的单、低频激光脉冲，经其后的物镜准直调焦后，再进入CCD摄像头和图像采集卡，最后由微机控制箱对图像采集卡上的信息进行控制采集和计算处理，以得到最终的激光光斑质量方面的参数测试数据。
微机控制箱通过两采集器的控制电路向两采集器分别发送控制信号，控制两采集器对激光脉冲信号的采集，将由电压采集卡或图像采集卡采集到的电压信号进行数据转换后，结合数据库查询和统计分析等方法，计算出脉冲激光发射机的峰值功率和激光能量等方面的性能参数，利用遗传算法和神经网络的图像处理方法对野外条件下采集到的光斑图像进行消噪去杂预处理，进而得出激光光斑图像的尺寸和形心、质心位置及光强分布等各项脉冲激光发射机的发射性能参数，以及这些参数随时间变化的规律，并做出简明的图形显示。另外，微机控制箱还为两个采集器的各个部件提供电源，以满足本发明装置在野外条件下的工作需要。
此外，为适应野外在线条件下测试的需要，提高工作效率，解决小样本分布未知的测试结果，在微机控制箱的测试软件中还建立了用梯形模糊数法进行不确定度评估的计算公式，以对小样本分布未知性能参数的测试结果进行不确定度评估，由此可保证野外在线条件下对脉冲激光发射机的峰值功率、发散角、光斑尺寸等参数的测试精度，并可规范激光性能测试的计量保障工作。
本发明还可以这样实现脉冲激光峰值功率采集器中的多波段光电转换器是在功率量程切换电路的输出端连接衰减片后接探测器选择电路，在探测器选择电路的输出端分接至少两个不同波段的脉冲激光探测器，各脉冲激光探测器的输出接脉宽展宽选择电路，脉宽展宽选择电路的输出一路接激光脉冲展宽放大电路，一路接电压采集卡。
在脉冲激光峰值功率采集器中设置多波段光电转换器，可对不同峰值功率、不同波段、不同脉宽的多波段激光脉冲进行光电转换选择，以满足电压采集卡的信号接收范围的限制性条件，为本发明装置的顺利测试提供可能，为野外在线条件下进行脉冲激光发射机的综合性能的自动测试打下基础。
本发明还可以这样实现脉冲激光峰值功率采集器中的激光脉冲展宽放大电路是由展宽放大电路、峰值保持电路和复零电路依次连接组成。在脉冲激光峰值功率采集器中设置激光脉冲展宽放大电路，是特别针对单个或重频激光窄脉冲的精确采集。因为对于多波段光电转换器输出的窄脉冲电信号，如果用电压采集卡直接采集，则对电压采集卡的品质要求太高，会增加本测试装置的成本，增加测试过程中的不稳定因素。如果对峰值电压进行保持和展宽，就可以使用低速的电压采集卡进行窄脉冲电信号的采集工作，既降低了电压采集卡的品质要求和装置成本，又减少了测试过程中的不稳定因素。同时，为满足高重频脉冲激光峰值功率的测试，脉冲信号又不能展得太宽，所以必须要有快速复零电路对展宽电路的输出信号在下一个脉冲到来之前，进行及时的放电和复位，以保证测试结果的准确性。
本发明还可以这样实现上转换板图像采集器是在CCD摄像头前设置物镜，物镜前方设置上转换板，三者准直调焦；CCD摄像头的输出接图像采集卡。该上转换板图像采集器利用上转换板、CCD摄像头和图像采集卡的有机结合，是为解决单脉冲或低频脉冲激光光斑的图像采集难的问题而设计。因为单脉冲或低频脉冲激光的脉宽通常为几纳秒到几十纳秒，其作用时间极短，大大低于一般CCD摄像头的采集速度，因此用CCD摄像头就无法捕捉到这种脉冲激光的光斑。采用本发明的上转换板图像采集器，利用上转换板即可将激光光斑转化为可见光，并可同时延长光斑图像的滞留时间，使转换后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素对应关系。这时即可直接测量转换后的激光光斑，从而有效地解决了单脉冲或低频脉冲激光光斑的图像采集问题。
本发明通过设置脉冲激光峰值功率采集器和上转换板图像采集器采集到各个波段的脉冲激光发射机发出的脉冲激光，并传入对应的电压采集卡或图像采集卡，得到相应的激光发射性能参数的原始数据信息，再经微机控制箱对激光脉冲信号的控制采集和计算处理后，直接输出相应的性能参数测试结果。采用这种结构，使得测试过程可以程控化、简单化，从而实现了被测脉冲激光发射机性能的野外在线综合自动测试。本发明集成化程度高，体积小，重量轻，适于野外在线条件下对脉冲激光发射机综合性能的测试。
图1是本发明的结构框图。
图2是多波段光电转换器的结构框图。
图3是激光脉冲展宽放大电路的结构框图。
图4是激光脉冲展宽放大电路中的展宽放大电路的电原理图。
图5是激光脉冲展宽放大电路中的峰值保持电路的电原理图。
图6是激光脉冲展宽放大电路中的复零电路的电原理图。
图7是上转换板图像采集器的结构原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明测试装置是在架设平台4上固定有由多波段光电转换器11、激光脉冲展宽放大电路12和电压采集卡13连接组成的脉冲激光峰值功率采集器1。多波段光电转换器11的输出接激光脉冲展宽放大电路12，激光脉冲展宽放大电路12的输出和多波段光电转换器11的一路输出分接电压采集卡13。在架设平台4上还固定有由上转换板21、物镜22、CCD摄像头23和图像采集卡24连接组成的上转换板图像采集器2。两采集器的控制电路和输出端分接微机控制箱3，以进行控制信号的传输和测试采集信号的传递。微机控制箱3中的电源输出还分接两采集器的各部件，以提供工作电源。
图2中，脉冲激光峰值功率采集器1中的多波段光电转换器11包括有功率量程切换电路111、衰减片112、探测器选择电路113、脉冲激光探测器114和脉宽展宽选择电路115等五部分。在功率量程切换电路111上设有三路输出，第一路输出串接两个衰减片112后接探测器选择电路113，以将峰值功率为兆瓦级的激光脉冲先衰减到百瓦级，再衰减到十瓦级，以便于转换后可由电压采集卡采集接收；第二路输出是连接一个衰减片112后接探测器选择电路113，以将峰值功率为百瓦级的激光脉冲衰减到可接受的十瓦级；第三路输出是直接针对峰值功率为十瓦级的激光脉冲，所以就没有串接衰减片而直接与探测器选择电路113相接。探测器选择电路113自动辨别所接收的被测脉冲激光发射机发出的激光脉冲的波段，以选通后部相应的探测器114。在探测器选择电路113的输出端接有1.54μm、1.06μm和0.9μm三个不同波段的脉冲激光探测器114。各脉冲激光探测器的输出接脉宽展宽选择电路115。脉宽展宽选择电路115的输出，一路接激光脉冲展宽放大电路12，一路接电压采集卡13。对于光电转换后脉冲宽度为10-100ns的窄脉冲，脉宽展宽选择电路115就将其输出到激光脉冲展宽放大电路12，进行脉冲展宽处理，处理后再送到电压采集卡13，进行脉冲电压信号的采集。对于光电转换后脉冲宽度为100ns以上的宽脉冲，脉宽展宽选择电路115就将其直接输出到电压采集卡13，进行脉冲电压信号的采集。
本多波段光电转换器电路可对激光脉冲的三种功率、常用的三种波段和两种脉宽的共十八种情况进行选择转换，从而有效地解决了对于不同波段、脉宽、峰值功率范围的激光脉冲的光电自动切换，由此才可实现对脉冲激光发射机性能参数的综合自动测试。
图3中，脉冲激光峰值功率采集器1中的激光脉冲展宽放大电路是由展宽放大电路、峰值保持电路和复零电路依次连接组成，是为满足对重复频率为6KHz的脉冲激光峰值功率的测试。
其具体的电路设计是展宽放大电路(图4)是由两个运算放大器U1A和U2A和电阻、电容连接组成，U1A和U2A的选取应考虑展宽电路的线性工作区间和正确反应激光脉冲的峰值功率值。由多波段光电转换器11输出的电脉冲信号进入运算放大器U1A的OUT1端，将光电探测器转换成的电信号放大到大于二极管的导通电压。为了能将最小10ns的信号不失真地放大到10V，要求放大器的带宽应大于50MHz，转换速度应大于1000V/μs。这里两个运算放大器U1A和U2A是选用高速宽带集成运算放大电路HA3935。
峰值保持电路(图5)是由三个运算放大器U3A、U4A和U4B与配套的数个电阻、电容和二极管连接组成，形成两级展宽维持电路。其目的有二一是保持脉冲的峰值，减小测量时带来的误差；二是将纳秒级的脉冲信号展宽到毫秒级，便于低速电压采集卡的信号采集。因脉冲重复率可达6KHz，若每个脉冲周期能采集10个点，则采集速度应为60KHz，每两个采集点的时间间隔仅为16.6μs。为了减小采集误差，应将纳秒级的脉冲变成矩形脉冲，以保证在10个点的采集范围内，脉冲峰值变化率小于2％。设脉冲峰值最大Vmax为10V，为保证脉冲峰值变化率小于2％，则要求展宽后的矩形脉冲下降沿的的下降速率(从0.9V降到0.1V)应小于1.2mV/μs，亦即要求矩形脉冲的下降速率为6.6ms。由于一级展宽电路只能达到微秒级的下降时间，欲达6.6ms必须采用两级展宽电路。峰值保持电路的基本原理是利用二极管的单向导通性对电容充电，以取得延迟时间。由于二极管正向导通电阻小，充电时间常数小，所以能跟上输入窄脉冲上升沿的变化；而二极管的反向不导通电阻大，放电时间常数大，所以电容上的电压就下降缓慢，从而达到脉冲展宽维持的目的。脉冲信号经一级展宽后，变成微秒级脉冲，因而对运算放大器U3A、U4A、U4B和二极管D2的响应速度的要求就相应降低。本峰值保持电路中的运算放大器U3A、U4A、U4B可选用集成运放LF347。
如图6所示，复零电路由LF347集成运算放大器、74LS221单稳态触发器和三极管Q1连接组成的开关电路。其作用是保证工作频率为6KHz脉冲的周期为166μs。而在如此短的时间内，在电容C10上的一个脉冲的充电还没有放完，第二个脉冲就会到来。于是在电容C10上就会有电荷的积累，因而不能准确地反应一个脉冲的峰值。为消除这种不利影响，在第二脉冲到来之前，应先让电容上的前一个脉冲放电完毕，再等待下一脉冲对电容的充电。电容的快速放电功能可由三极管Q1构成的开关电路完成，其开关受前一脉冲控制。其原理如是第一级展宽后的脉冲，经电容C9隔直，运放U5A跟随，运放U5B放大，运放U5C跟随后，由单稳态触发器U6B延时90μs，再由单稳态触发器U6A输出，形成宽度为70μs的TTL电平的矩形脉冲。此矩形脉冲加到三极管Q1的基极，使Q1导通，电容C10即可通过三极管Q1快速放电。为了让电容C10上的电量保持90μs，用单稳态触发器U6B延时90μs，以便于电压采集卡13的信号采集。三极管Q1对电容C10放电70μs，保持和放电共用160μs，余下的6μs是让三极管Q1恢复到关闭状态，以等待下一脉冲对电容C10的充电。最后保持在电容C10上的激光脉冲峰值电压通过射随器输出，由其后的电压采集卡13采集到微机控制箱3进行计算处理。
图7中，上转换板图像采集器2是在CCD摄像头23前设置物镜22，物镜前方设置上转换板21，三者保持准直；CCD摄像头23的输出接图像采集卡24，以传输采集到的激光光斑信息。
权利要求
1.一种脉冲激光发射机野外在线综合测试装置，其特征在于该装置是在架设平台(4)上固定有脉冲激光峰值功率采集器(1)和上转换板图像采集器(2)，两采集器的控制电路和输出端分接微机控制箱(3)；所述的脉冲激光峰值功率采集器(1)包括有多波段光电转换器(11)、激光脉冲展宽放大电路(12)和电压采集卡(13)，多波段光电转换器(11)的输出接激光脉冲展宽放大电路(12)，激光脉冲展宽放大电路(12)的输出和多波段光电转换器(11)的一路输出分接电压采集卡(13)；所述的上转换板图像采集器(2)由上转换板(21)、物镜(22)、CCD摄像头(23)和图像采集卡(24)连接组成；微机控制箱(3)为两采集器提供电源。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光发射机野外在线综合测试装置，其特征在于脉冲激光峰值功率采集器(1)中的多波段光电转换器(11)是在功率量程切换电路(111)的输出端连接衰减片(112)后接探测器选择电路(113)，在探测器选择电路(113)的输出端至少两个不同波段的脉冲激光探测器(114)，各脉冲激光探测器(114)的输出接脉宽展宽选择电路(115)，脉宽展宽选择电路(115)的输出一路接激光脉冲展宽放大电路(12)，一路接电压采集卡(13)。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光发射机野外在线综合测试装置，其特征在于脉冲激光峰值功率采集器(1)中的激光脉冲展宽放大电路(12)是由展宽放大电路、峰值保持电路和复零电路依次连接组成。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光发射机野外在线综合测试装置，其特征在于上转换板图像采集器(2)是在CCD摄像头(23)前设置物镜(22)，物镜前方设置上转换板(21)，三者准直；CCD摄像头(23)的输出接图像采集卡(24)。
全文摘要
本发明涉及一种激光系统光电性能综合测试装置，具体地说是一种脉冲激光发射机野外在线综合测试装置。其结构是在架设平台上固定有脉冲激光峰值功率采集器和上转换板图像采集器，两采集器的控制电路和输出端分接微机控制箱。脉冲激光峰值功率采集器包括有多波段光电转换器、激光脉冲展宽放大电路和电压采集卡，上转换板图像采集器由上转换板、物镜、CCD摄像头和图像采集卡连接组成。微机控制箱为两采集器提供电源。本发明集成化程度高，体积小，重量轻，适于野外在线条件下对脉冲激光发射机综合性能的测试。
文档编号G01J1/00GK1789947SQ20051004820
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年12月19日
发明者陈志斌, 王呈阳, 卓家靖, 侯章亚 申请人:中国人民解放军总装备部军械技术研究所