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(jìn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。
本測試系統(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(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)化檢測激光接收器各項(xiàng)參數(shù)的綜合測試系統(tǒng)。實(shí)際的測試結(jié)果證明，這種方法實(shí)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(jī)的光譜響應(yīng)特性測試
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(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(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)測試系統(tǒng)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(gè)測試臺(tái)來完成全系統(tǒng)的測試任務(wù)：
①光譜響應(yīng)測試臺(tái)
②光譜透過率，反射率測試臺(tái)
③距離仿真模擬測試臺(tái)
實(shí)驗(yàn)室的總體布置初步規(guī)劃如下：

圖1 激光接收器測試系統(tǒng)總體布置

三個(gè)測試臺(tái)的布置構(gòu)想如下：
①光譜響應(yīng)測試臺(tái)
本測試臺(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2 激光接收器光譜響應(yīng)特性測試系統(tǒng)

②光譜透過率，反射率測試臺(tái)

本測試臺(tái)的組成部分框圖如圖4所示

圖3 光譜透－反測試系統(tǒng)圖

③距離仿真測試臺(tái)
　　本測試臺(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。測試臺(tái)的平面布置如下：

圖4 距離仿真臺(tái)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(jī)應(yīng)用的迅速普及促進(jìn)了測試測量和自動(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(gè)系統(tǒng)自動(dòng)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(jìn)行光譜測試，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。

圖7 激光接收器模擬仿真部分的軟件界面

(四) 測試結(jié)果與誤差分析

　　測試結(jié)果
　　大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)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(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(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(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t；
（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ad，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d
所以，考慮以上四項(xiàng)誤差影響后，根據(jù)誤差計(jì)算理論，在多次測量的條件下，激光接收器響應(yīng)度測試總誤差

對(duì)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(dòng)激光器的信號(hào)源本身電壓波動(dòng)所帶來的誤差s；
（2） 由于測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l，
（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a，此誤差取決于采集卡的A/D位數(shù)
所以，多次測量時(shí)，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(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.光電檢測技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.