基于虛擬儀器技術的激光接收器測試系統

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:41:25 來源：

北京理工大學邢冀川

摘要：激光接收器為光學—電子部件，該部件的光學和光電性能必須進行嚴格的定量測試和分析，才能確保產品的質量,并為研究新產品獲得可靠的實驗依據。
本測試系統通過先進的虛擬儀器技術和LabVIEW 7.0編程，實現了對傳統光學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；該系統能實時地采集和分析相關測試數據，并能顯示、保存和打印最終測試結果。由于使用選進的LabVIEW編程開發軟件和虛擬儀器技術，該系統成為能自動化檢測激光接收器各項參數的綜合測試系統。實際的測試結果證明，這種方法實用、方便，測量精度高。
關鍵詞：激光接收器，LabVIEW, 虛擬儀器

(一) 激光接收器測試系統的功能
　　激光接收器通過PIN光電變換元件將光電信息轉換成一定頻率的編碼信息，經過放大處理后輸送至后續的電子處理系統。
　　主要和關鍵的光電性能測試內容有：
　　1. 激光接收器整機的光譜響應特性測試
激光接收器工作時，它不僅能接收到激光器發射的波長為λ=1.06μｍ的激光，同時也能接收到陽光等其它光譜，為了提　　　　　　高接收系統的信噪比，其接收光學系統應使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劣是接收器的關鍵性能指標之一，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）的質量情況，例如光電管的光譜響應曲線，峰值波長位置，以及比較感興趣的光譜點（如1.06μｍ）的響應靈敏度等。

　　3. 光學元件（濾光片，薄膜，光學玻璃材料等）的光譜透過率曲線測試
激光接收器中的光學濾光片，接收物鏡等均為外購部件，入廠時必須驗收，以確保產品質量。另外，產品改型和研發新產品時也往往要研究如何提高接收系統的信號光波透過率和提高光譜信噪比等技術問題，光學元件的光譜透過率，反射率，吸收率等測試是一般光學系統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線性范圍，有必要在實驗室內模擬激光距離變化導致接收光信號變化的規律。目前已在測試接收器應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，本測試系統擬完成此兩種波長激光發射距離規律的仿真。

(二) 激光接收器測試系統的設計方案
　　根據系統的功能和主要技術指標要求，我們對測試系統的方案進行了設計，規劃了測試系統的構架，說明如下：
1. 激光接收測試系統的構架
共三個測試臺來完成全系統的測試任務：
①光譜響應測試臺
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劃如下：

圖1 激光接收器測試系統總體布置

三個測試臺的布置構想如下：
①光譜響應測試臺
本測試臺將可完成：
（a）激光接收器整機的光譜響應曲線測試；
（b）光電四象限接收器的光譜響應曲線測試；
框圖如下：

圖2 激光接收器光譜響應特性測試系統

②光譜透過率，反射率測試臺

本測試臺的組成部分框圖如圖4所示

圖3 光譜透－反測試系統圖

③距離仿真測試臺
　　本測試臺有電源箱，調制信號發生器箱，半導體激光發射頭，可變光闌，功率頭，被檢接收系統等六個工作組件組成。其中半導體激光發射頭，可變光闌，功率計及接收系統均要配置合適的調整和夾持裝置。測試臺的平面布置如下：

圖4 距離仿真臺平面布置

本測試系統的結構原理于圖5

圖5距離仿真模擬測試系統原理

(三) 基于虛擬儀器技術
　　在過去20年中，PC機應用的迅速普及促進了測試測量和自動化儀器系統的革新，其中最顯著的一點就是虛擬儀器概念的出現與發展，虛擬儀器已為工程師和科學家們提高生產率、測量精度及系統性能方面做出巨大的貢獻[2]。
　　虛擬儀器就是工業標準計算機配上強大的應用軟件、低成本硬件及驅動軟件，共同完成傳統儀器的功能。另一方面，它也可以通過驅動來控制傳統的儀器，使它們融入整個自動化測試測量控制系統。本激光接收器測試系統正是采用了虛擬儀器技術，通過圖形化的LabVIEW 編程，應用軟件環境成為整個系統自動化控制，測試和測量的核心。通過LabVIEW 開發的軟件，在和傳統儀器通信方面，我們不僅能控制光譜儀進行光譜測試，還可以返回光譜數據并進行分析處理。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) 測試結果與誤差分析

　　測試結果
　　大量的實驗和實際的測試表明，該激光接收器測試系統使用方面，測試精度高，性能穩定。圖8是一激光接收器的整機響　　應度曲線

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處有最大的響應值，曲線反映了激光接收器整機的響應特性。

　　從激光接收器的距離靈敏度曲線可得出，當激勵信號電壓為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閾值，通過所響應的最小光功率即可算出最大的探測距離（不同外部環境下，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，此時接收器的響應已達到飽和狀態。
誤差分析
對于激光接收器響應度測試，其誤差來源主要有三方面[4]：
（1）測量激光接收器響應曲線時，受光譜儀采樣速率的影響導致的誤差，可以計算出由于采樣點偏離采樣值造成的誤差t；
（2）光譜儀信號模擬量轉化為數字量時產生的誤差ad，此誤差取決于光譜儀采集器的A/D位數，但在多次測量求平均值情況下，此誤差可以大大減小；
（3）進行光譜掃描時，電機驅動光譜儀光柵旋轉，這也會造成誤差d
所以，考慮以上四項誤差影響后，根據誤差計算理論，在多次測量的條件下，激光接收器響應度測試總誤差

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）驅動激光器的信號源本身電壓波動所帶來的誤差s；
（2）由于測試方案采用光功率計標定光能量，因此會有激光光功率計穩定性導致的誤差l，
（3）數據采集采集卡模擬量轉化為數字量時產生的誤差a，此誤差取決于采集卡的A/D位數
所以，多次測量時，激光接收器響應度測試總誤差為