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(cè)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(cè)試系統(tǒng)通過(guò)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)，并能顯示、保存和打印最終測(cè)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(cè)激光接收器各項(xiàng)參數(shù)的綜合測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)際的測(cè)試結(jié)果證明，這種方法實(shí)用、方便，測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的功能 激光接收器通過(guò)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(guò)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(cè)試內(nèi)容有： 1. 激光接收器整機(jī)的光譜響應(yīng)特性測(cè)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(zhǎng)為λ=1.06μｍ的激光，同時(shí)也能接收到陽(yáng)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(guò)，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(cè)試，考核和研究。 2. 四象限光電探測(cè)元件的光譜響應(yīng)特性測(cè)試[1] 四象限光電探測(cè)元件是激光接收器的核心元件，屬外購(gòu)品，為了記錄和比較外購(gòu)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(zhǎng)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(guò)率曲線測(cè)試 激光接收器中的光學(xué)濾光片，接收物鏡等均為外購(gòu)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(guò)率和提高光譜信噪比等技術(shù)問(wèn)題，光學(xué)元件的光譜透過(guò)率，反射率，吸收率等測(cè)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(cè)試接收器應(yīng)用的激光波長(zhǎng)主要有λ=1.06μｍ和λ=0.9μｍ的兩種激光模式。因此，本測(cè)試系統(tǒng)擬完成此兩種波長(zhǎng)激光發(fā)射距離規(guī)律的仿真。 （二） 激光接收器測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，規(guī)劃了測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架，說(shuō)明如下： 1. 激光接收測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架 共三個(gè)測(cè)試臺(tái)來(lái)完成全系統(tǒng)的測(cè)試任務(wù)： ①光譜響應(yīng)測(cè)試臺(tái) ②光譜透過(guò)率，反射率測(cè)試臺(tái) ③距離仿真模擬測(cè)試臺(tái) 實(shí)驗(yàn)室的總體布置初步規(guī)劃如下： 三個(gè)測(cè)試臺(tái)的布置構(gòu)想如下： ①光譜響應(yīng)測(cè)試臺(tái) 本測(cè)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(cè)試； （b） 光電四象限接收器的光譜響應(yīng)曲線測(cè)試； 框圖如下： ②光譜透過(guò)率，反射率測(cè)試臺(tái) 本測(cè)試臺(tái)的組成部分框圖如圖4所示 ③距離仿真測(cè)試臺(tái) 本測(cè)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(cè)試臺(tái)的平面布置如下： 本測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理于圖5 （三） 基于虛擬儀器技術(shù) 在過(guò)去20年中，PC機(jī)應(yīng)用的迅速普及促進(jìn)了測(cè)試測(cè)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(cè)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(guò)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制傳統(tǒng)的儀器，使它們?nèi)谌胝麄€(gè)自動(dòng)化測(cè)試測(cè)量控制系統(tǒng)。本激光接收器測(cè)試系統(tǒng)正是采用了虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)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(cè)試和測(cè)量的核心。通過(guò)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(cè)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(guò)RS 232串口控制信號(hào)源來(lái)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。 [align=center] 圖6 激光接收器模擬仿真部分的軟件界面[/align] （四） 測(cè)試結(jié)果與誤差分析 測(cè)試結(jié)果 大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)試表明，該激光接收器測(cè)試系統(tǒng)使用方面，測(cè)試精度高，性能穩(wěn)定。圖7是一激光接收器的整機(jī)響應(yīng)度曲線 [align=center] 圖7 激光接收器模擬仿真部分的軟件界面[/align] 從圖7中看出，激光接收器的整機(jī)在光波波長(zhǎng)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(guò)所響應(yīng)的最小光功率即可算出最大的探測(cè)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(cè)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(cè)試，其誤差來(lái)源主要有三方面[4]： （1） 測(cè)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σt； （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σad，此誤差取決于光譜儀采集器的A/D位數(shù)，但在多次測(cè)量求平均值情況下，此誤差可以大大減??； （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σd 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(cè)量的條件下，激光接收器響應(yīng)度測(cè)試總誤差σa為 對(duì)于激光接收器距離靈敏度仿真測(cè)試，其誤差來(lái)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(lái)的誤差σs； （2） 由于測(cè)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σl， （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σa，此誤差取決于采集卡的A/D位數(shù) 所以，多次測(cè)量時(shí)，激光接收器響應(yīng)度測(cè)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(wú)法給出數(shù)據(jù) 參考文獻(xiàn) 1．雷玉堂,王慶有,何加銘等.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,1997. 2．美國(guó)國(guó)家儀器公司.虛擬儀器白皮書，2002 3．高稚允,高 岳.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.