高速运动目标的光电精密测速系统误差分析

第33卷第3期 光电工程V ol.33, No.3 2006年3月 Opto-Electronic Engineering March, 2006文章编号：1003-501X(2006)03-0058-04高速运动目标的光电精密测速系统误差分析黄战华，刘淼，张伊馨，蔡怀宇，张以谟( 光电信息技术科学教育部重点实验室 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072 ) 摘要：在利用光电精密测速技术时，涉及复杂的空间光交汇计算，通用误差分析方法比较困难。

在目标与光束垂直度适当的情况下，目标运动方向的偏差对测量精度的影响属于二阶小量。

系统整体误差的主要来源为距离测量误差、时间测量误差以及光束不平行度产生的误差。

分析得出，本系统在两光束间的不平行度α=100″，探测器对准精度为0.1mm的情况下，测量精度可以达到0.02％。

关键词：误差分析；光电精密测速；高速运动目标中图分类号：V556 文献标识码：AError analysis of precision opto-electronic velocity measurement forhigh-speed moving objectHUANG Zhan-hua，LIU Miao，ZHANG Yi-xin，CAI Huai-yu，ZHANG Yi-mo ( Key Laboratory of Opto-electronics Information Science and Technology, Ministry of Education,College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China )Abstract：It was related to complex calculation of attitude in opto-electronic precision velocity measurement technology with general error analysis. The impact on measure precision produced by the deviation of object moving directivity is negligible because it is second order small quantity in the condition that the angle between the direction of object and light beam is as vertical as possible. The entire system error is mainly caused by the length error and time error and light-beams non-parallelism.Analysis shows that when non-parallelism is α=100″and opto-detector alignment precision is 0.1mm, the system measurement precision can be up to 0.02％.Key words：Error analysis; Precision opto-electronic velocity measurement; High-speed moving object引言对于高速运动的物体，如子弹、炮弹等的速度测量，常用的测量方法按测量原理可分成三类，即瞬时速度测量法、平均速度测量法和多普勒原理测量法。

瞬时速度测量法采用弹道摆或微波倾角法可以换算出物体的瞬时飞行速度，但测试误差较大，目前很难达到高的精度。

多普勒测速法是利用波传播中的多普勒效应进行测速的方法，也是一种比较有效的测量速度的方法，具有非接触测量、分辨力高、响应快、量程大和可分辨方向等特点[2-3]，目前仪器的测速范围可以从0.001~2000m/s，测量精度从0.1％~1%[4]。

本文要讨论的问题是：测量500～2000m/s的运动目标速度，精度达到0.02%。

瞬时速度测量法和多普勒测速法基本不能满足要求，这里采用基于光电管的平均速度测量法。

该方法在许多场合得到了成功的应用，如旋转光编码器，生产线上长度和速度的测量等。

但当速度和精度都提高2006年3月 黄战华 等：高速运动目标的光电精密测速系统误差分析 59到一定程度时，该方法的应用条件就变得非常复杂和严格，对精度的误差分析也更加困难。

1 测试原理及测试系统模型平均速度测量法是通过测量物体飞行路径上一段距离S 和物体飞过这段距离的时间T ，由公式V=S/T 计算物体平均速度的方法。

根据原理，平均速度测量法又可分为定时测距法和定距测时法两种。

本文讨论利用高速光电探测的方法来进行速度的测量，其中高速光电探测信号由物体通过两个相距已知的光束时，遮挡住光线从而引起光电探测器输出信号的变化来获得。

这是一种定距测时法，是在物体飞行的路径上预先确定好两个光幕靶，靶距S ，然后记录下物体经过两个光幕靶所用的时间T ，根据原理就可以计算出物体飞行的平均速度。

测试系统主要环节在于精确获得物体飞行通过两个光幕之间所需要的时间以及精确测定两个光幕之间的距离。

测试系统的理想模型如图1所示。

测量原理虽然简单，但是满足测量条件却比较困难，进行详细的精度分析尤为复杂。

在图1所示的原理中，前提条件是：1) 两束激光共面且完全平行；2) 目标在两束光线决定的平面内运动；3) 目标运动方向与激光束严格垂直；4) 激光光束无限细；5) 两探测器的性能完全一致。

但实际情况在上述的每条中都发生了小的改变，正是这些小的改变产生了测量误差。

要提高测量精度就需要从这几个方面入手。

其中前3条主要引起目标运动时经过两光束的距离测量的误差，后两条主要引起时间测量的误差。

如果全部以独立空间坐标系进行讨论，可变量近10个，非常复杂，而且主要问题不突出。

这里采用的分析方法是以第一条激光束为基准，它垂直于大地，即平行于系统坐标轴Z ，考虑实际系统误差时如图2所示。

图2中，φ为目标运动方向与Z 轴的夹角；θ为目标运动方向在XY 平面的投影与X 轴的夹角；α为激光束2与Z 轴的夹角；β为激光束2在XY 平面的投影与X 轴的夹角；S 为激光束1与2之间的标称距离；L 为运动目标与激光束1和2交点之间的实际距离，H 为运动目标进入点与标称点之间的高度距离。

1.1 两激光束之间的不平行度的影响一般运动目标的宽度比激光束宽度要大很多，而且激光束的不平行度在一定范围内，所以可以认为在目标运动方向上肯定会与两束激光束交汇。

如果光束2与光束1共面且不平行时，理想交汇点与实际交汇点偏差达到最大值(两激光束越来越远时)或最小值(两激光束越来越近时)，此时β= 0°，最大偏差由α决定，所以这里只需考虑β= 0°时的情形。

output 2’s output 图1 光电法速度测量理想模型Fig.1 Ideal model of opto-electronic velocity measurement 图2 光电法速度测量实际系统示意图 Fig.2 Real Model of opto-electronic velocity measurementLaser 1Laser 2光电工程 第33卷第3期601.2 目标运动高度的影响当两激光束不平行时，不同的高度有不同的交汇点。

因此高度应该在测量时一起测定。

1.3 目标运动方向的影响从图2中可以看出，L 还与目标运动方向相关。

当φ确定不变时，如果要使运动目标与激光束2相交，θ和β必须满足一定的关系。

当β = 0°，θ = 0°时，L 达到最大值或最小值。

因此，这里只考虑目标运动方向在两激光束平面内时即θ = 0°时情况，交汇点位置只由φ决定。

根据三角形正弦定理有)90sin(/)/sin(180tg ααϕα+=−−+D D L H S (1)这里γ =90°-ϕ，因此)/cos()cos tg (αγαα++=H S L (2)1.4 测量时间的影响在该测量方法中，以高频脉冲计数来测量物体经过两光束的时间K NT T = (3)2 测试精度影响因素分析2.1 距离测量精度分析把式(2)按2次级数展开]4/)(2/)(2/1)[(2222γααγααα+−++−+≈H S L (4)二次项可以忽略不计αH S L +≈ (5)αα∆+∆+∆≈∆H H S L (6)式(5)中，S 可以由光栅尺测量，精度可以达到0.005mm [3]，而H 可以通过另外一个垂直方向的平行光束间隔确定。

本方案实例中精度达到10mm ，采用其它方案或限制手段可以达到更高的精度。

α通过自准直仪测量，精度可以达到20″≈10-3弧度。

当H =10mm ，α=100″时，∆L = 0.065 mm 。

2.2 测试时间精度分析在该系统中，计数频率为40MHz ，T k =25ns 。

但是时间测量的主要问题不是计数单位误差，而是计数本身的误差，即计数值的准确性。

它由探测器参数和方案决定。

光束是采用半导体激光器来获得的，光束存在着宽度。

假设激光束的宽度为1mm ，物体在1000m/s 运动速度下，从刚开始接触光束到完全挡住光束需要的时间就是0.001/1000=1µs ，因此判断物体在这1µs 中何时已经进入是个关键的问题。

1) 是需要高速的探测器，本系统中的光电探测器响应时间可达到10ns 。

2) 是需要高速比较器，本系统中比较器的响应频率为100MHz ，翻转时间精度至少可以达到5ns 。

3) 是比较器的失调比较电压和稳定的阈值比较电压。

设探测器放大输出电压变化范围是2V ，那么比较电压的稳定性在10mV 时，比较器翻转的时间精度为1000ns×10mV/2000mV=5ns 。

通过上面三个条件的讨论，翻转时刻的时间精度完全可以保证在1个T k 之内。

考虑计数器的进位误差，时间测量最终精度可以保证在2个T k 之内。

2.3 探测器对准精度分析当探测器与激光束对中发生偏移时，探测器的输出也发生变化，比较器翻转时刻也发生变化，对应于目标位置也相应变化，因此探测器必须与激光器很好地对中[1]。

Melles Griot 公司最近推出AlignMeter 的新仪器，测量激光束位置精度能够达到1µm [5]。