100-500米远距离高速振动激光测振仪

MEASUREMENT PRINCIPLE and INSTRUMENT BLOCK SCHEME

测量原理和设计方案

脉冲型光纤激光器，以1550nm（不可见激光）释放出脉冲，该脉冲的重复率是从100KHZ 到1MHZ，

脉冲宽度是3ns到0.5ns ,请看以下图一为一个例子。

Figure 1 - Example of experimental measurementof 0.5ns laser pulse duration

对于每一个发送的激光脉冲，被远距离的测试表面背散射或背反射回来的光信号就由一个光学镜头（大约100mm）收集，和被一个高速/高灵敏度的雪崩式光电二极管所探测，在连接到串联式信号放大器。

这些对应START和STOP事件的电脉冲信号被发送到先进的时间测量单元电路（TMU），能测量出分辨率在10ps的飞行时间（TOF）。通过飞行时间（TOF）的测量，就能够测量出瞬时目标的绝对距离。

通过重复率达到1MHZ的多次飞行时间（TOF）的重复测量，就可以对运动轨迹和振动参数的重构，最大带宽达到1MHZ。TOF数据由FPGA系统和ARM微处理器实时处理和分类。数据通过专业的软件存储在大容量存储器里，可以做后续的分析。这样客户自己就可以采用离线的方式对目标的位置和位移进行重构。通过时间平均法，可以提高测量结果的分辨率和精度,但是这需要牺牲带宽为代价。

系统方框图见图2.

Figure 2 - Block scheme of the JTF-1000 instrument

PRODUCT PERFORMANCE

产品特性

测量的不确定性和分辨率

对于单点TOF测量（没有平均），存在固有的不确定性限制，主要有以下几个原因：

[if !supportLists]i)             [endif]光电探测噪声（对所有的目标距离，随着距离越大，噪声会增加）

[if !supportLists]ii)            [endif]空气干扰，引起所收到的幅值的波动

这个系统利用知识产权和先进的技术，可以对由上述ii)  所造成的测量误差进行补偿。如果反射或散射效果比较差，不确定性就会差些。对于白色的散射表面，不确定性会好些。对于大于40米远的测量，如果黏贴反光纸，而且纸的面积具有足够大（可以参考激光的光斑直径和距离的对应表格），不确定性会提高很多。

静态目标的绝对距离的重复测量具有高斯不确定性/噪声统计。不确定性是由标准差对数值来表示1-s不确定性（见下表）

测量重复率（也即测量带宽）是从1MHZ到100KHZ递减的。每单个的激光脉冲的能量是以10倍增加的，这样可以减少测量的不确定性。

小于100KHZ的测量的带宽也可以通过对TOF的数据平均来获得。通过平均处理，当带宽减少时，不确定性也会降低。

以上所有的设置，都可以通过Julight公司的专业软件来设定 。

[最大速度

这套系统以1KHZ到1MHZ的重复率（也即带宽）重复测量目标位置。由于使用0.5-3.0ns的激光脉冲进行测量，所以基本上不存在测量速度存在上限的限制。由此，在激光方向的最大可测量的速度是大于1000m/s。

最大测量位移量

和最大速度相似，对于最大的位移，也是没有上限。

但是为清楚起见，以下几点还是需要指出来，牢记在心：

对于每一个激光脉冲，系统测量的是激光束方向的目标的绝对距离/位置。

对于每一个TOF测量的不确定性，是和给定的带宽相对应的。

对于有相对于激光束方向，目标如果具有横向运动，系统的测量值只是沿着激光束方向的分量。

[if !supportLists]iv)           [endif]如果测试目标在受到冲击或爆炸后变成碎片，由于激光束的光斑大小是有一定限制的，目标碎片的测量值是不准确的，这个时候建议采用阵列模式。

系统指标：100米远的精度：1mm-2mm，200米远的精度：2mm-4mm，500米远的精度：3mm-5mm，具体见下表：

测试距离对应的测试精度及频宽