激光测距中激光功率实时监测系统设计与实现

孙丽光     郭英伟

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摘要：在激光测距过程中，实时获取激光发射功率数据可为后续数据精度处理分析及激光测距系统故障点排查提供重要依据。通过实时测量激光发射链路中的反射镜透射光，利用前期获取的反射镜透射光与反射镜反射光之间的对应关系，采取相对测量的方式获取实时的反射光功率，达到实时监测激光发射功率的效果。

关键词：激光测距；激光功率；实时监测系统；设计；实现

1. 激光测距激光发射系统

在激光测距系统中，通常采用的库德发射光路可以通过旋转光路中的方位轴和俯仰轴，将激光光束转折后发射到任意指向位置。库德光路由库德镜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五面反射镜构成，各反射镜安装在望远镜方位轴、俯仰轴上。库德镜Ⅰ固定在光学平台上，库德镜Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ随望远镜围绕方位轴、俯仰轴旋转，原理如图1所示。

在常规卫星激光测距中，激光功率一般为1~3 W；而在月球激光测距和空间碎片激光测距中，激光功率一般为30~300W。对于1~300 W的功率区间，少有功率计能够实现这种大范围的功率测量。传统的解决办法是在探头处切入/切出衰减片或研发大阈值的功率计。为了保证激光发射链路无损耗，同时能够满足较大的激光功率范围，设计一种新的激光功率实时监测光路。由于反射镜通常存在一定比例的透射光，可以通过测量该透射光，利用比例换算获得测距过程中实际发射的激光功率，达到实时监测激光功率的效果。该方法在库德镜Ⅰ之后增加一个激光功率计，用以探测透射激光，完成激光功率实时监测。

2. 激光测距中激光功率实时监测系统设计

2.1激光测距中激光功率实时监测系统的硬件设计

在激光测距中激光功率实时监测系统的硬件设计中，我们选择了高精度的激光功率计作为核心部件，该功率计能够准确测量1~300W的激光功率范围。为了确保测量的准确性，我们采用了具有高灵敏度和快速响应能力的光电探测器，以及低噪声的前置放大器，以减小测量误差并提高系统的动态响应速度。此外，我们还设计了一个光路切换模块，用于在不影响激光测距正常工作的前提下，将部分透射光引入功率计进行测量。这一模块的设计需要确保切换速度快、稳定性好，以确保实时监测的连续性和准确性。

2.2激光测距中激光功率实时监测系统的软件设计

在软件设计中，我们开发了一个基于LabVIEW的实时监测软件。该软件能够实现激光功率的实时显示、历史数据记录和分析、故障预警等功能。通过实时监测软件，用户可以直观地了解激光发射功率的变化情况，并根据需要调整激光器的参数，以保证测距精度和系统稳定性。此外，软件还提供了丰富的数据处理和分析工具，帮助用户对激光功率数据进行深入挖掘，为故障排查和系统优化提供有力支持。

2.3激光测距中激光功率实时监测系统的测试与验证

为了确保激光测距中激光功率实时监测系统的准确性和可靠性，我们进行了严格的测试与验证工作。首先，我们对激光功率计进行了校准，确保其测量精度满足要求。然后，我们在不同激光功率和不同工作环境下对系统进行了长时间的连续测试，以验证其稳定性和可靠性。测试结果表明，该实时监测系统能够准确、快速地获取激光发射功率数据，为激光测距系统的正常运行提供了有力保障。

3. 激光测距中激光功率实时监测系统的实现

3.1系统集成与安装

在成功设计和测试了激光测距中的激光功率实时监测系统之后，进行硬件模块的集成和安装工作。这一环节不仅要求对各个硬件模块有深入的了解，更要求对整个系统的工作流程有清晰的认识。

为了确保激光功率的准确测量，精心选择了激光功率计，并将其安装在库德镜Ⅰ之后。库德镜Ⅰ在激光测距中起着关键作用，它能够将激光束反射到目标物体上，并接收反射回来的光信号。将激光功率计安装在库德镜Ⅰ之后，可以确保透射光能够准确无误地进入功率计进行测量。这一步骤不仅确保了测量结果的准确性，也为后续的数据处理提供了可靠的基础。

除了激光功率计的安装，还对光路切换模块进行了细致的调试。光路切换模块在系统中扮演着至关重要的角色，它能够在不影响激光测距正常工作的前提下，快速、稳定地将透射光引入功率计。为了实现这一目标，我们对光路切换模块进行了多次调试，确保其能够在不同光路之间切换自如，同时保持光路的稳定性。在硬件模块的安装和调试过程中，还特别注重实时监测软件的数据接口设计。为了确保软件能够实时获取激光功率数据并进行处理，为实时监测软件提供了稳定的数据接口。这一接口不仅能够实现数据的实时传输，还能够确保数据的准确性和可靠性。

3.2系统调试与优化

在完成激光测距系统的集成和安装之后，投入了大量的时间和精力进行系统的调试和优化工作。这一阶段对于确保系统能够在实际应用中稳定运行至关重要。

首先，对激光功率计进行了严格的实际环境校准。激光功率计是激光测距系统中的核心设备之一，其测量结果的准确性直接影响到整个系统的性能。为了确保其在实际环境中能够准确反映激光功率的变化，采用了多种校准方法和手段，包括使用标准光源进行校准、在不同温度和湿度条件下进行校准等。这些措施有效地提高了激光功率计的测量精度和稳定性，为后续的实验和应用奠定了坚实的基础。

其次，对光路切换模块进行了优化。光路切换模块是激光测距系统中的另一个关键组成部分，它负责在不同的激光测距通道之间进行切换。为了提高切换速度和稳定性，采用了高速光开关和优化的控制算法，使得光路切换更加迅速和准确。同时，还对光路切换模块进行了多次实验和测试，确保其在实际应用中能够稳定运行。

3.3系统应用与效果

激光测距技术作为现代测量领域的重要分支，以其高精度、快速响应和非接触性等特点，在工业自动化、航空航天、地质勘探等领域得到了广泛应用。然而，激光测距系统在运行过程中，受到环境、设备老化、操作失误等多种因素的影响，激光发射功率的稳定性成为了影响测距精度和系统稳定性的关键因素。因此，激光功率实时监测系统的应用显得尤为重要。

激光功率实时监测系统是一种集成了光电传感器、数据采集与处理单元、显示与存储模块于一体的智能化设备。在实际应用中，该系统能够实时监测激光发射功率的变化情况，并将监测数据以直观的方式展示给操作人员。通过实时监测，操作人员可以及时了解激光功率的波动情况，从而采取相应的措施进行调整，确保激光测距系统的稳定运行。

结语：

激光测距技术作为现代测量领域的重要手段，其精度和稳定性对于保证测量结果的准确性和可靠性具有重要意义。激光功率实时监测系统的设计与实现，为激光测距系统的稳定运行提供了有力保障。通过实时监测激光发射功率的变化情况，操作人员可以及时发现并解决问题，确保测距结果的准确性和稳定性。此外，该系统还能够提供丰富的数据处理和分析功能，为故障排查和系统优化提供有力支持。

参考文献：

[1]郁擎红, 杨扬, 李家镕. 大功率CO2激光功率实时监测仪[J].仪表技术, 1997(1): 19-21.

[2]费业泰. 误差理论与数据处理 [M]. 北京: 机械工业出版社,2015.

[3]卢进军, 刘卫国. 光学薄膜技术[M]. 北京: 电子工业出版社,2011.