基于虛擬儀器技術(shù)的激光接收器測試系統(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)和光電性能必須進行嚴(yán)格的定量測試和分析，才能確保產(chǎn)品的質(zhì)量,并為研究新產(chǎn)品獲得可靠的實驗依據(jù)。
本測試系統(tǒng)通過先進的虛擬儀器技術(shù)和LabVIEW 7.0編程，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)光學(xué)測試儀器的控制并利用信號源和NI PCI-6104E多功能采集卡進行激光接收器模擬仿真；該系統(tǒng)能實時地采集和分析相關(guān)測試數(shù)據(jù)，并能顯示、保存和打印最終測試結(jié)果。由于使用選進的LabVIEW編程開發(fā)軟件和虛擬儀器技術(shù)，該系統(tǒng)成為能自動化檢測激光接收器各項參數(shù)的綜合測試系統(tǒng)。實際的測試結(jié)果證明，這種方法實用、方便，測量精度高。
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)鍵的光電性能測試內(nèi)容有：
1. 激光接收器整機的光譜響應(yīng)特性測試
激光接收器工作時，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，有必要進行定量的測試，考核和研究。
2. 四象限光電探測元件的光譜響應(yīng)特性測試[1]
四象限光電探測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（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，入廠時必須驗收，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。另外，產(chǎn)品改型和研發(fā)新產(chǎn)品時也往往要研究如何提高接收系統(tǒng)的信號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，吸收率等測試是一般光學(xué)系統(tǒng)性能的基本檢驗要求。
4. 接收器接收光信息隨接收激光距離R變化的仿真試驗
為了考核接收器的接收靈敏度以及接收器的動態(tài)線性范圍，有必要在實驗室內(nèi)模擬激光距離變化導(dǎo)致接收光信號變化的規(guī)律。目前已在測試接收器應(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) 激光接收器測試系統(tǒng)的設(shè)計方案
根據(jù)系統(tǒng)的功能和主要技術(shù)指標(biāo)要求，我們對測試系統(tǒng)的方案進行了設(shè)計，規(guī)劃了測試系統(tǒng)的構(gòu)架，說明如下：
1. 激光接收測試系統(tǒng)的構(gòu)架
共三個測試臺來完成全系統(tǒng)的測試任務(wù)：
①光譜響應(yīng)測試臺
②光譜透過率，反射率測試臺
③距離仿真模擬測試臺
實驗室的總體布置初步規(guī)劃如下：
圖5距離仿真模擬測試系統(tǒng)原理
(三) 基于虛擬儀器技術(shù)
在過去20年中，PC機應(yīng)用的迅速普及促進了測試測量和自動化儀器系統(tǒng)的革新，其中最
顯著的一點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)計算機配上強大的應(yīng)用軟件、低成本硬件及驅(qū)動軟件，共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。另一方面，它也可以通過驅(qū)動來控制傳統(tǒng)的儀器，使它們?nèi)谌胝麄€自動化測試測量控制系統(tǒng)。本激光接收器測試系統(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)境成為整個系統(tǒng)自動化控制，測試和測量的核心。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行光譜測試，還可以返回光譜數(shù)據(jù)并進行分析處理。在使用NI的虛擬儀器方面，我們在計算機上插入NI PCI-1407E多功能采集卡，并通過RS 232串口控制信號源來實現(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）測試結(jié)果與誤差分析
測試結(jié)果
大量的實驗和實際的測試表明，該激光接收器測試系統(tǒng)使用方面，測試精度高，性能穩(wěn)定。圖8是一激光接收器的整機響應(yīng)度曲線
(二) 激光接收器測試系統(tǒng)的設(shè)計方案
根據(jù)系統(tǒng)的功能和主要技術(shù)指標(biāo)要求，我們對測試系統(tǒng)的方案進行了設(shè)計，規(guī)劃了測試系統(tǒng)的構(gòu)架，說明如下：
1. 激光接收測試系統(tǒng)的構(gòu)架
共三個測試臺來完成全系統(tǒng)的測試任務(wù)：
①光譜響應(yīng)測試臺
②光譜透過率，反射率測試臺
③距離仿真模擬測試臺
實驗室的總體布置初步規(guī)劃如下：
圖1 激光接收器測試系統(tǒng)總體布置
三個測試臺的布置構(gòu)想如下：
①光譜響應(yīng)測試臺
本測試臺將可完成：
（a） 激光接收器整機的光譜響應(yīng)曲線測試；
（b） 光電四象限接收器的光譜響應(yīng)曲線測試；
框圖如下：
圖3 光譜透－反測試系統(tǒng)圖
③距離仿真測試臺
本測試臺有電源箱，調(diào)制信號發(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，功率計及接收系統(tǒng)均要配置合適的調(diào)整和夾持裝置。測試臺的平面布置如下： 圖4 距離仿真臺平面布置
本測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理于圖5圖5距離仿真模擬測試系統(tǒng)原理
(三) 基于虛擬儀器技術(shù)
在過去20年中，PC機應(yīng)用的迅速普及促進了測試測量和自動化儀器系統(tǒng)的革新，其中最
顯著的一點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)計算機配上強大的應(yīng)用軟件、低成本硬件及驅(qū)動軟件，共同完成傳統(tǒng)儀器的功能。另一方面，它也可以通過驅(qū)動來控制傳統(tǒng)的儀器，使它們?nèi)谌胝麄€自動化測試測量控制系統(tǒng)。本激光接收器測試系統(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)境成為整個系統(tǒng)自動化控制，測試和測量的核心。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行光譜測試，還可以返回光譜數(shù)據(jù)并進行分析處理。在使用NI的虛擬儀器方面，我們在計算機上插入NI PCI-1407E多功能采集卡，并通過RS 232串口控制信號源來實現(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）測試結(jié)果與誤差分析
測試結(jié)果
大量的實驗和實際的測試表明，該激光接收器測試系統(tǒng)使用方面，測試精度高，性能穩(wěn)定。圖8是一激光接收器的整機響應(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)激勵信號電壓為0.5 V，即光功率為 25mW時，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，最大探測距離有所不同）。又可看出當(dāng)激勵信號電壓為19.5V，即光功率為0.9W時，激光接收器的輸出電壓趨于飽和，此時接收器的響應(yīng)已達(dá)到飽和狀態(tài)。
誤差分析
對于激光接收器響應(yīng)度測試，其誤差來源主要有三方面[4]：
（1） 測量激光接收器響應(yīng)曲線時，受光譜儀采樣速率的影響導(dǎo)致的誤差，可以計算出由于采樣點偏離采樣值造成的誤差st；
（2） 光譜儀信號模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時產(chǎn)生的誤差sad，此誤差取決于光譜儀采集器的A/D位數(shù)，但在多次測量求平均值情況下，此誤差可以大大減??；
（3） 進行光譜掃描時，電機驅(qū)動光譜儀光柵旋轉(zhuǎn)，這也會造成誤差sd
所以，考慮以上四項誤差影響后，根據(jù)誤差計算理論，在多次測量的條件下，激光接收器響應(yīng)度測試總誤差sa為
對于激光接收器距離靈敏度仿真測試，其誤差來源也主要有三方面：
（1） 驅(qū)動激光器的信號源本身電壓波動所帶來的誤差ss；
（2） 由于測試方案采用光功率計標(biāo)定光能量，因此會有激光光功率計穩(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，多次測量時，激光接收器響應(yīng)度測試總誤差為
*圖中程序軟件界面因涉及激光接收機具體參數(shù)機密，無法給出數(shù)據(jù)
1．雷玉堂,王慶有,何加銘等.光電檢測技術(shù)[M].北京:中國計量出版社,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溫 博士研究方向：光電信息處理和光電檢測
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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