基于虛擬儀器技術(shù)的激光接收器測(cè)試系統(tǒng)
北京理工大學(xué) 邢冀川
摘 要:激光接收器為光學(xué)—電子部件,該部件的光學(xué)和光電性能必須進(jìn)行嚴(yán)格的定量測(cè)試和分析,才能確保產(chǎn)品的質(zhì)量,并為研究新產(chǎn)品獲得可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
本測(cè)試系統(tǒng)通過先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW 7.0編程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)試儀器的控制并利用信號(hào)源和NI PCI-6104E多功能采集卡進(jìn)行激光接收器模擬仿真;該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地采集和分析相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù),并能顯示、保存和打印最終測(cè)試結(jié)果。由于使用選進(jìn)的LabVIEW編程開發(fā)軟件和虛擬儀器技術(shù),該系統(tǒng)成為能自動(dòng)化檢測(cè)激光接收器各項(xiàng)參數(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)際的測(cè)試結(jié)果證明,這種方法實(shí)用、方便,測(cè)量精度高。
關(guān)鍵詞:激光接收器,LabVIEW, 虛擬儀器
(一)激光接收器測(cè)試系統(tǒng)的功能
激光接收器通過PIN光電變換元件將光電信息轉(zhuǎn)換成一定頻率的編碼信息,經(jīng)過放大處理后輸送至后續(xù)的電子處理系統(tǒng)。
主要和關(guān)鍵的光電性能測(cè)試內(nèi)容有:
1. 激光接收器整機(jī)的光譜響應(yīng)特性測(cè)試
激光接收器工作時(shí),它不僅能接收到激光器發(fā)射的波長為λ=1.06μm的激光,同時(shí)也能接收到陽光等其它光譜,為了提高接收系統(tǒng)的信噪比,其接收光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)使λ=1.06μm的光信號(hào)有效的透過,而將其他光譜成分盡可能阻斷,這種光譜信噪比的優(yōu)劣是接收器的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一,有必要進(jìn)行定量的測(cè)試,考核和研究。
2. 四象限光電探測(cè)元件的光譜響應(yīng)特性測(cè)試[1]
四象限光電探測(cè)元件是激光接收器的核心元件,屬外購品,為了記錄和比較外購不同廠家和不同批次的四象限Si光電管(或其他光電管)的質(zhì)量情況,例如光電管的光譜響應(yīng)曲線,峰值波長位置,以及比較感興趣的光譜點(diǎn)(如1.06μm)的響應(yīng)靈敏度等。
3. 光學(xué)元件(濾光片,薄膜,光學(xué)玻璃材料等)的光譜透過率曲線測(cè)試
激光接收器中的光學(xué)濾光片,接收物鏡等均為外購部件,入廠時(shí)必須驗(yàn)收,以確保產(chǎn)品質(zhì)量。另外,產(chǎn)品改型和研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)也往往要研究如何提高接收系統(tǒng)的信號(hào)光波透過率和提高光譜信噪比等技術(shù)問題,光學(xué)元件的光譜透過率,反射率,吸收率等測(cè)試是一般光學(xué)系統(tǒng)性能的基本檢驗(yàn)要求。
4. 接收器接收光信息隨接收激光距離R變化的仿真試驗(yàn)
為了考核接收器的接收靈敏度以及接收器的動(dòng)態(tài)線性范圍,有必要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬激光距離變化導(dǎo)致接收光信號(hào)變化的規(guī)律。目前已在測(cè)試接收器應(yīng)用的激光波長主要有λ=1.06μm和λ=0.9μm的兩種激光模式。因此,本測(cè)試系統(tǒng)擬完成此兩種波長激光發(fā)射距離規(guī)律的仿真。
(二) 激光接收器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)系統(tǒng)的功能和主要技術(shù)指標(biāo)要求,我們對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),規(guī)劃了測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架,說明如下:
1. 激光接收測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架
共三個(gè)測(cè)試臺(tái)來完成全系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù):
①光譜響應(yīng)測(cè)試臺(tái)
②光譜透過率,反射率測(cè)試臺(tái)
③距離仿真模擬測(cè)試臺(tái)
實(shí)驗(yàn)室的總體布置初步規(guī)劃如下:




圖5距離仿真模擬測(cè)試系統(tǒng)原理
(三) 基于虛擬儀器技術(shù)
在過去20年中,PC機(jī)應(yīng)用的迅速普及促進(jìn)了測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化儀器系統(tǒng)的革新,其中最
顯著的一點(diǎn)就是虛擬儀器概念的出現(xiàn)與發(fā)展,虛擬儀器已為工程師和科學(xué)家們提高生產(chǎn)率、測(cè)量精度及系統(tǒng)性能方面做出巨大的貢獻(xiàn)[2]。
虛擬儀器就是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)配上強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、低成本硬件及驅(qū)動(dòng)軟件,共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。另一方面,它也可以通過驅(qū)動(dòng)來控制傳統(tǒng)的儀器,使它們?nèi)谌胝麄€(gè)自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量控制系統(tǒng)。本激光接收器測(cè)試系統(tǒng)正是采用了虛擬儀器技術(shù),通過圖形化的LabVIEW 編程,應(yīng)用軟件環(huán)境成為整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化控制,測(cè)試和測(cè)量的核心。通過LabVIEW 開發(fā)的軟件,在和傳統(tǒng)儀器通信方面,我們不僅能控制光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)試,還可以返回光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。在使用NI的虛擬儀器方面,我們?cè)谟?jì)算機(jī)上插入NI PCI-1407E多功能采集卡,并通過RS 232串口控制信號(hào)源來實(shí)現(xiàn)激光接收器模擬仿真。激光接收器模擬仿真部分的軟件界面如圖6所示。

(四)測(cè)試結(jié)果與誤差分析
測(cè)試結(jié)果
大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)試表明,該激光接收器測(cè)試系統(tǒng)使用方面,測(cè)試精度高,性能穩(wěn)定。圖8是一激光接收器的整機(jī)響應(yīng)度曲線


(二) 激光接收器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)系統(tǒng)的功能和主要技術(shù)指標(biāo)要求,我們對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì),規(guī)劃了測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架,說明如下:
1. 激光接收測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架
共三個(gè)測(cè)試臺(tái)來完成全系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù):
①光譜響應(yīng)測(cè)試臺(tái)
②光譜透過率,反射率測(cè)試臺(tái)
③距離仿真模擬測(cè)試臺(tái)
實(shí)驗(yàn)室的總體布置初步規(guī)劃如下:

圖1 激光接收器測(cè)試系統(tǒng)總體布置
三個(gè)測(cè)試臺(tái)的布置構(gòu)想如下:
①光譜響應(yīng)測(cè)試臺(tái)
本測(cè)試臺(tái)將可完成:
(a) 激光接收器整機(jī)的光譜響應(yīng)曲線測(cè)試;
(b) 光電四象限接收器的光譜響應(yīng)曲線測(cè)試;
框圖如下:

圖3 光譜透-反測(cè)試系統(tǒng)圖
③距離仿真測(cè)試臺(tái)
本測(cè)試臺(tái)有電源箱,調(diào)制信號(hào)發(fā)生器箱,半導(dǎo)體激光發(fā)射頭,可變光闌,功率頭,被檢接收系統(tǒng)等六個(gè)工作組件組成。其中半導(dǎo)體激光發(fā)射頭,可變光闌,功率計(jì)及接收系統(tǒng)均要配置合適的調(diào)整和夾持裝置。測(cè)試臺(tái)的平面布置如下:
圖4 距離仿真臺(tái)平面布置
本測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理于圖5
圖5距離仿真模擬測(cè)試系統(tǒng)原理
(三) 基于虛擬儀器技術(shù)
在過去20年中,PC機(jī)應(yīng)用的迅速普及促進(jìn)了測(cè)試測(cè)量和自動(dòng)化儀器系統(tǒng)的革新,其中最
顯著的一點(diǎn)就是虛擬儀器概念的出現(xiàn)與發(fā)展,虛擬儀器已為工程師和科學(xué)家們提高生產(chǎn)率、測(cè)量精度及系統(tǒng)性能方面做出巨大的貢獻(xiàn)[2]。
虛擬儀器就是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)配上強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、低成本硬件及驅(qū)動(dòng)軟件,共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。另一方面,它也可以通過驅(qū)動(dòng)來控制傳統(tǒng)的儀器,使它們?nèi)谌胝麄€(gè)自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量控制系統(tǒng)。本激光接收器測(cè)試系統(tǒng)正是采用了虛擬儀器技術(shù),通過圖形化的LabVIEW 編程,應(yīng)用軟件環(huán)境成為整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化控制,測(cè)試和測(cè)量的核心。通過LabVIEW 開發(fā)的軟件,在和傳統(tǒng)儀器通信方面,我們不僅能控制光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)試,還可以返回光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。在使用NI的虛擬儀器方面,我們?cè)谟?jì)算機(jī)上插入NI PCI-1407E多功能采集卡,并通過RS 232串口控制信號(hào)源來實(shí)現(xiàn)激光接收器模擬仿真。激光接收器模擬仿真部分的軟件界面如圖6所示。

(四)測(cè)試結(jié)果與誤差分析
測(cè)試結(jié)果
大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)試表明,該激光接收器測(cè)試系統(tǒng)使用方面,測(cè)試精度高,性能穩(wěn)定。圖8是一激光接收器的整機(jī)響應(yīng)度曲線

圖8 激光接收器模擬仿真部分的軟件界面
從圖8中看出,激光接收器的整機(jī)在光波波長為1,045nm處有最大的響應(yīng)值,曲線反映了激光接收器整機(jī)的響應(yīng)特性。
從激光接收器的距離靈敏度曲線可得出,當(dāng)激勵(lì)信號(hào)電壓為0.5 V,即光功率為 25mW時(shí),激光接收器的輸出電壓為0.14mV,此處為激光接收器響應(yīng)閾值,通過所響應(yīng)的最小光功率即可算出最大的探測(cè)距離(不同外部環(huán)境下,如大氣能見度,溫度,濕度等,最大探測(cè)距離有所不同)。又可看出當(dāng)激勵(lì)信號(hào)電壓為19.5V,即光功率為0.9W時(shí),激光接收器的輸出電壓趨于飽和,此時(shí)接收器的響應(yīng)已達(dá)到飽和狀態(tài)。
誤差分析
對(duì)于激光接收器響應(yīng)度測(cè)試,其誤差來源主要有三方面[4]:
(1) 測(cè)量激光接收器響應(yīng)曲線時(shí),受光譜儀采樣速率的影響導(dǎo)致的誤差,可以計(jì)算出由于采樣點(diǎn)偏離采樣值造成的誤差st;
(2) 光譜儀信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)產(chǎn)生的誤差sad,此誤差取決于光譜儀采集器的A/D位數(shù),但在多次測(cè)量求平均值情況下,此誤差可以大大減小;
(3) 進(jìn)行光譜掃描時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)光譜儀光柵旋轉(zhuǎn),這也會(huì)造成誤差sd
所以,考慮以上四項(xiàng)誤差影響后,根據(jù)誤差計(jì)算理論,在多次測(cè)量的條件下,激光接收器響應(yīng)度測(cè)試總誤差sa為
對(duì)于激光接收器距離靈敏度仿真測(cè)試,其誤差來源也主要有三方面:
(1) 驅(qū)動(dòng)激光器的信號(hào)源本身電壓波動(dòng)所帶來的誤差ss;
(2) 由于測(cè)試方案采用光功率計(jì)標(biāo)定光能量,因此會(huì)有激光光功率計(jì)穩(wěn)定性導(dǎo)致的誤差sl,
(3) 數(shù)據(jù)采集采集卡模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)產(chǎn)生的誤差sa,此誤差取決于采集卡的A/D位數(shù)
所以,多次測(cè)量時(shí),激光接收器響應(yīng)度測(cè)試總誤差為

*圖中程序軟件界面因涉及激光接收機(jī)具體參數(shù)機(jī)密,無法給出數(shù)據(jù)
1.雷玉堂,王慶有,何加銘等.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國計(jì)量出版社,1997.
2.美國國家儀器公司.虛擬儀器白皮書,2002
3.高稚允,高 岳.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.
作者介紹
邢冀川 男 1974年 北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院在讀博士 碩士課題:紅外雙波段熱像儀測(cè)溫 博士研究方向:光電信息處理和光電檢測(cè)
通信地址:北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院光電工程系431教研室 郵編:100081
電話:010-68912568
Based on virtual instruments Laser receiver test system
Michael Hsing
Abstract: The laser receiver is an important opto-electrical component. In order to ensure the quality of laser receivers , we need to rigidly take quantitative test and analysis for them. Furthermore, we can get reliable experiment data for developing new product.
With the advanced virtual instrument technology, the application made by LabVIEW 7.0 can control the traditional optical testing instruments and signal source. By using the NI PCI-6104 E DAQ the simulation of laser receiver had build successfully. This system can real-time sample and analyze the measurement, the visualization, storage and printing of results. The system can be executed to test a variety of parameters of laser receiver, because of LabVIEW tools and NI DAQ product elaborately selected. The final testing result prove this system provide a easy, practical solution which can achieve the high precise measurement for testing laser receiver .
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