一种新型光电设备响应时间与探测概率自动测试系统

　　1 系统设计

　　1.1 系统测试原理

　　光电设备系统级响应时间测试是通过计算机设置，控制强度可变的无穷远光源，模拟目标变化规律，发射出具有目标辐射特征的平行光，作为被测设备激励源；在光束发射同时，同步记录光束发射时间和被测设备数据输出时间，计算两信号时间差，得到被测设备的系统响应时间响应时间包括了被测试设备的光电转换、前置放大、处理识别和数据传输等时间，所得响应时间具有系统级时间意义。

　　光电设备探测概率测试是通过预先设置，以一定频率连续发射某一模拟目标辐射特性的光，经双余度反馈环，一路反馈是设备接收到信号的直接反馈，另一路反馈是光电自闭环回路，分别记录2个回路的接收信号次数，然后，分别与设定的发射次数相比，获得设备的实际目标探测概率，且目标变化规律可以根据被测设备要求进行设置。

　　1.2 系统结构

　　系统主要由平行光管、可控光源系统、光电探测组件和控制模块组成，如图1所示。可控光源由点光源、稳流源和可变光阑组件组成，可以通过控制模块驱动可变光阑组件，控制光强按一定规律变化。平行光管将点光源转变为平行光，模拟无穷远光源。光电探测组件将探测到的平行光管发射的光信号转换为电信号，反馈给控制模块，作为光电探测的内闭环；被测设备接收到光信号后，转换为电信号，并反馈给控制模块，作为测试系统的外闭环，用于计算设备的响应时间和探测概率。

　　1.3 系统设计

　　1.3.1 控制模块

　　系统控制模块包括核心处理器TMS320LF2407、电源管理、电机控制接口、光电探测接口和被测设备输人接口等5个部分。

　　控制 模 块 采用Tl公司的TMS32OLF2407DSP作为主控CPU，完成电机控制，A刃转换、脉冲捕捉、1/O输入愉出、数据通信等功能。

　　TM3S02LF2047是16位定点数字信号处理器，是Tl公司专门为数字控制设计的一款DSP，它具有丰富的硬件资源，内部有32位累加器，32K字的Flash程序存储器，54字的1〕AR阁M，ZK字的SARAM.同时可以通过外部的地址总线、数据总线、控制总线分别扩展64K字的数据空间、程序空间、1/O 空间，40个复用的1/O 接口，2个定时器，16位外部数据总线。更为重要的是为电动机控制提供了8路PWM输出，可编程的死区控制单元，可编程PWM控制方式，16路10位户J犯转换器，异步串行接口（SCI）、串行同步外设接口（SPI），以及多路信号输人捕捉（CAP））等强大的片上外设支持能力，使得电路的设计大大简化。

　　1.3.2 电动光阑

　　电动 光 阑 包括可变光阑、齿轮传动机构和电机驱动3部分。电动光阑通过多叶片的可变光阑模拟点光源为系统提供光信号，所采用的可变光阑可以完全闭合，因此能够为系统提供光强从零开始变化的信号。系统通过步进电机对可变光阑进行控制，可变光阑以接近1赫兹频率频繁正反转，控制信号的发送，所选择的步进电机的整步步距角为1.8。，可以实现最大64 细分，最小步距角可以控制在约0.0290，能够满足控制精度要求。

　　1.3.3 光电探测组件的设计

　　光电探测组件由光电探测器，前置放大器、输出阻抗变换器和电源管理4部分组成，如图2所示。

　　光 电探 测 器：选择硅光二极管采集光信号，将光信号转换成电信号经过放大电路后输人到1〕SP控制板进行处理。探测灵敏度采用宽光谱的方法，保证探测灵敏度高于被测设备灵敏度。

　　前置放大器：由于探测器的暗流存在，以及探测器转换信号微弱，所以，需要在前置电路上作相应处理。这部分电路的低噪声、高放大倍数是保证检测精确度的重要环节。

　　输出阻抗变换：由于光电探测组件必须置于平行光管的输出端，与检测控制板有一定距离。所以，必须加隔离运放，以减少信号在传输过程中的损耗，保证将高质量信号传输给控制板。

　　2 测试算法

　　2.1 响应时间测试算法

　　设备发射光信号是通过光阑开启和闭合的过程实现。因此，光辐射的时间由电动光阑打开瞬间决定，而光阑打开动作依赖于控制模块中给出的电机控制指令发出时间和电机轴至光阑叶片传动时间。

　　由于传动机构及光阑结构的机械加工误差、电机控制误差的随机性影响，使得响应时间计算的起始时间具有不确定性，影响测量精度。

　　考察测试系统中影响起始时间的主要因素，如图3所示。

　　图3中横坐标为时间，纵坐标为光强，ql为通过光阑孔径后，经平行光管的出射光强，假定平行光管为理想状态，出射面光束的光强均匀。由于从控制模块发出指令到光阑打开，存在机械延时。由于机械传输摩擦、光阑机构公差等的不确定因素影响，这个延时具有随机性；从光阑打开到内闭环光电接收模块接收到光信号并转换为电信号存在光电转换延迟时间t汀，由于转换过程的随机干扰，这个时间也明显具有不确定性。

　　同样，控制模块通过DSP捕获单元获取被测设备反馈时间，作为反应结束时间t、。由于被测设备本身光学系统、光电转换系统、电路系统延时的随机性，使得结束时间具有不确定性。

　　因此，考虑上述响应时间测试过程的随机特性，响应时间求取需进行至少超过10次以上（可由软件设置）的重复同样光强变化规律的光发射过程，根据光电探测组件接收光信号脉冲时间ts，及被测设备反应脉冲时间ts，求得测试过程中设备的所有响应时间，然后，利用平均方法消去随机误差。式（2）给出响应时间计算公式：

　　式中：△t为测得的设备响应时间；N为测试次数，要求N>100；td为一次测试中开始时间；ts为一次测试中结束时间显然 ，如 果测试过程为正态分布，这个测试结果是无偏的。

　　2.2探测概率测试算法

　　统计测试系统光发射次数和被测设备的响应次数，确定被测设备光探测概率凡，计算公式为式中：

　　式中：Pd探测概率；Nr为设备接受到光的次数；Ne为测试系统发射光的次数。

　　这里的关键问题是控制每次探测过程的间歇时间间隔，当光强变化很快时，电动光阑高速转动，对于机构的机械性能及寿命影响较大；同时，连续高速开合也会产生运动累积误差，影响光强变化的正确性。因此，探测概率测试算法主要考虑在弱光强要求的情况下，光阑的最大开合度要求较小，可以减小td；随着光强增大，td增大。这个间隔也可根据测试需要设定。

　　3 结论