相位式光電測距儀

相位式光電測距儀的工作原理可按圖所示的方框圖來說明。 由光源所發(fā)出的光波(紅外光或激光)，進(jìn)入調(diào)制器后，被來自主控振蕩器(簡稱主振)的高頻測距信號所調(diào)制，成為調(diào)幅波。這種調(diào)幅波經(jīng)外光路進(jìn)入接收器，會(huì)聚在光電器件上，光信號立即轉(zhuǎn)化為電信號。這個(gè)電信號就是調(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測距信號，它的相位已延遲了。 這個(gè)高頻測距信號與來自本機(jī)振蕩器(簡稱本振)的高頻信號經(jīng)測距信號混頻器進(jìn)行光電混頻，經(jīng)過選頻放大后得到一個(gè)低頻測距信號，用表示。仍保留了高頻測距信號原有的相位延遲。為了進(jìn)行比相，主振高頻測距信號的一部分稱為參考信號與本振高頻信號同時(shí)送入?yún)⒖夹盘柣祛l器，經(jīng)過選頻放大后，得到可作為比相基準(zhǔn)的低頻參考信號，表示，由于沒有經(jīng)過往返測線的路程，所以不存在象中產(chǎn)生的那一相位延遲。因此，和同時(shí)送人相位器采用數(shù)字測相技術(shù)進(jìn)行相位比較，在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結(jié)果。 當(dāng)采用一個(gè)測尺頻率時(shí)，顯示器上就只有不足一周的相位差所相應(yīng)的測距尾數(shù)，超過一周的整周數(shù)所相應(yīng)的測距整尺數(shù)就無法知道，為此，相位式測距儀的主振和本振二個(gè)部件中還包含一組粗測尺的振蕩頻率，即主振頻率和本振頻率。如前所述，若用粗測尺頻率進(jìn)行同樣的測量，把精測尺與一組粗測尺的結(jié)果組合起來，就能得到整個(gè)待測距離的數(shù)值了。

1.光源 相位式測距儀的光源，主要有砷化鎵(gaas)二極管和氦-氖(he-ne)氣體激光器。前者一般用于短程測距儀中，后者用于中遠(yuǎn)程測距儀中。下面對這二種光源作一介紹。 (1)砷化鎵(gaas)二極管 砷化鎵(gaas)二極管是一種晶體二極管，與普通二極管一樣，內(nèi)部也有一個(gè)結(jié)，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當(dāng)正向注入強(qiáng)電流時(shí)，在結(jié)里就會(huì)有波長為0.72~0.94m之間紅外光出射，而且出射的光強(qiáng)會(huì)隨著注入電流的大小而變化，因此可以簡單地通過改變饋電電流對光強(qiáng)的輸出進(jìn)行調(diào)制，即所謂"電流直接調(diào)制"。這對測距儀用作光源十分有意義，因?yàn)槟苤苯诱{(diào)制光強(qiáng)，無需再配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大的調(diào)制器。此外，砷化鎵二極管光源與其他光源比較，還有體積小重量輕，結(jié)構(gòu)牢固和不怕震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于使測距儀小型化，輕便化。 1.光源 相位式測距儀的光源，主要有砷化鎵(gaas)二極管和氦-氖(he-ne)氣體激光器。前者一般用于短程測距儀中，后者用于中遠(yuǎn)程測距儀中。下面對這二種光源作一介紹。 (1)砷化鎵(gaas)二極管 砷化鎵(gaas)二極管是一種晶體二極管，與普通二極管一樣，內(nèi)部也有一個(gè)結(jié)，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當(dāng)正向注入強(qiáng)電流時(shí)，在結(jié)里就會(huì)有波長為0.72~0.94m之間紅外光出射，而且出射的光強(qiáng)會(huì)隨著注入電流的大小而變化，因此可以簡單地通過改變饋電電流對光強(qiáng)的輸出進(jìn)行調(diào)制，即所謂"電流直接調(diào)制"。這對測距儀用作光源十分有意義，因?yàn)槟苤苯诱{(diào)制光強(qiáng)，無需再配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大的調(diào)制器。此外，砷化鎵二極管光源與其他光源比較，還有體積小重量輕，結(jié)構(gòu)牢固和不怕震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于使測距儀小型化，輕便化。 (2)氦-氖(he-ne)氣體激光器 氦-氖氣體激光器，它由放電管、激勵(lì)電源和諧振腔組成。放電管為內(nèi)徑幾個(gè)毫米的水晶管，管內(nèi)充滿了氦與氖的混合氣體，管的長度由幾厘米到幾十厘米不等。管越長，輸出功率越高。在管的兩端裝有光學(xué)精密加工的布儒斯特窗。激勵(lì)電源一般可用直流、交流或高頻等電源的放電方式，目前用得最多的是直流電源放電方式，其優(yōu)點(diǎn)是激光輸出穩(wěn)定。諧振腔由兩塊球面反射鏡組成，其中一塊反射鏡是全反射的，另一塊能部分透光，.其透射率2%，即反射率仍有98%。 放電管中的氦原子，在激勵(lì)電源的激勵(lì)下，不斷躍遷到高能級上，當(dāng)它和氖原子碰撞時(shí)能量不斷地傳遞給氖原子，使氖原子不斷躍遷到高能級上，而自己又回到基能級上。與此同時(shí)，處在高能級上的氖原子在光子的激發(fā)下，又受激輻射躍遷回基能級上，這時(shí)便產(chǎn)生出新的光子。一般說來，多數(shù)光子將通過管壁飛躍出去，或被管壁吸收，只有沿管壁軸線方向的光子將在兩塊反射鏡之間來回反射，從而造成光的不斷受輻射而放大。 布儒斯特窗是光潔度很高的水晶片，窗面法線與管軸線的夾角叫做布儒斯特角。這個(gè)角度隨窗的材料而不同，在水晶窗的情況下，它大約等于56o。當(dāng)光波沿管軸線方向入射至窗面時(shí)，光波電振動(dòng)沿紙面方面的分量(圖中以箭頭表示)將不被反射而完全透過去;而沿垂直于紙面方向的分量(圖中以黑點(diǎn)表示)卻被反射掉了，這樣剩下來的光就是沿紙面振動(dòng)的直線偏振光。爾后，這種光在諧振腔內(nèi)來回運(yùn)行，由于受激輻射的新生光子與原有的光子具有相同的振動(dòng)方向，也就是說，積累起來的光始終是沿紙面方向振動(dòng)的直線偏振光，因而每當(dāng)它們來回穿過布濡斯特窗面時(shí)，幾乎全部透過去，而很少受到光的損失。 裝有布懦斯特窗的激光器，直接輸出直線偏振光，使得光電調(diào)制器組可以不要起偏振片，從而避免了一般調(diào)制器的入射光，因通過起偏振器而造成光強(qiáng)損失約50%的缺陷。所以裝有上述激光器的測距儀的最大測程可達(dá)40~50km。 氦氖氣體激光器發(fā)射的激光，其頻率、相位十分穩(wěn)定，方向性極高，且為連續(xù)發(fā)射，因而它廣泛地應(yīng)用于激光測距、準(zhǔn)直、通訊和全息學(xué)等方面。但氦氖氣體激光器也有其缺點(diǎn)，即效率很低，其輸出功率與輸入功率之比僅千分之一。因此，激光測距儀上的激光輸出功率僅約2~5mw。 2. 調(diào)制器 采用砷化鎵(gaas)二極管發(fā)射紅外光的紅外測距儀，發(fā)射光強(qiáng)直接由注入電流調(diào)制，發(fā)射一種紅外調(diào)制光，稱為直接調(diào)制，故不再需要專門的調(diào)制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式測距儀，必須采用一種調(diào)制器，其作用是將測距信號載在光波上，使發(fā)射光的振幅隨測距信號電壓而變化，成為一種調(diào)制光，如圖4-7電光調(diào)制是利用電光效應(yīng)控制介質(zhì)折射率的外調(diào)制法，也就是利用改變外加電壓來控制介質(zhì)的折射率。目前的光電測距儀都采用一種一次電光效應(yīng)或稱普克爾斯效應(yīng)，即;根據(jù)普克爾斯效應(yīng)(線性電光效應(yīng))制作的各種普克爾斯調(diào)制器。這種調(diào)制器有調(diào)制頻帶寬，調(diào)制電壓較低和相位均勻性較好的優(yōu)點(diǎn)。用磷酸二氘鉀(kd2po4)晶體制成的kd*p調(diào)制器則是目前較優(yōu)良的一種普克爾斯調(diào)制器。 3.棱鏡反射器 在使用光電測距儀進(jìn)行精密測距時(shí)，必須在測線的另一端安置一個(gè)反射器，使發(fā)射的調(diào)制光經(jīng)它反射后，被儀器接收器接收。用作反射器的棱鏡是用光學(xué)玻璃精細(xì)制作的四面錐體，如三個(gè)棱面互成直角而底面成三角形平面三個(gè)互相垂直的面上鍍銀，作為反射面，另一平面是透射面。它對于任意入射角的入射光線，在反射棱鏡的兩個(gè)面上的反射是相等的，所以通常反射光線與入射光線是平行的。因此，在安置棱鏡反射器時(shí)，要把它大致對準(zhǔn)測距儀，對準(zhǔn)方向偏離在20o以內(nèi)，就能把發(fā)射出的光線經(jīng)它折射后仍能按原方向反射回去，使用十分方便。 4. 光電轉(zhuǎn)換器件 在光電測距儀中，接收器的信號為光信號。為了將此信號送到相位器進(jìn)行相位比較，必須把光信號變?yōu)殡娦盘?，對此要采用光電轉(zhuǎn)換器件來完成這項(xiàng)工作。用于測距儀的光電轉(zhuǎn)換器件通常有光電二極管，雪崩光電二極管和光電倍增管?，F(xiàn)在分別介紹如下。 (1)光電二極管和雪崩光電二極管 光電二極管的管芯也是一個(gè)結(jié)。和一般二極管相比，在構(gòu)造上的不同點(diǎn)是為了便于接收入射光，而在管子的頂部裝置一個(gè)聚光透鏡,使接收光通過透鏡射向結(jié)。接入電路時(shí)，必須反向偏置。 光電二極管具有"光電壓"效應(yīng)，即當(dāng)有外來光通過聚光透鏡會(huì)聚而照射到結(jié)時(shí)，使光能立即轉(zhuǎn)換為電能。再者，光電二極管的"光電壓"效應(yīng)與人射光的波長有關(guān)，對波長為0.9~1.0m的光(屬于紅外光)有較高的相對靈敏度，且使光信號線性地變換為電信號。 (2)光電倍增管 光電倍增管是一種極其靈敏的高增益光電轉(zhuǎn)換器件。它由陰極、多個(gè)放射極和陽極組成，。各極間施加很強(qiáng)的靜電場。當(dāng)陰極在光的照射下有光電子射出時(shí)，這些光電子被靜電場加速，進(jìn)而以更大的動(dòng)能打擊第一發(fā)射極，就能產(chǎn)生好幾個(gè)二次電子(稱為二次發(fā)射)，如此一級比一級光電子數(shù)增多，直到最后一級，電子被聚集到陽極上去。若經(jīng)過一級電子增大倍，則經(jīng)過級倍增最后到達(dá)陽極的電子流將放大倍。由此可見，光電倍增管除了能把光信號變成電信號以外，還能把電信號進(jìn)行高倍率的放大，具有很高的靈敏度，它的放大倍數(shù)達(dá)106~107數(shù)量級。 5. 差頻測相 在目前測相精度一般為千分之一的情況下，為了保證必要的測距精度，精測尺的頻率必須選得很高，一般為十幾mhz~幾十mhz，例如hgc-1型短程紅外測距儀的精測尺頻率=15mhz，jcy-2型精密激光測距儀的精測尺頻率=30mhz。在這樣高的頻率下直接對發(fā)射波和接收波進(jìn)行相位比較，受電路中寄生參量的影響在技術(shù)上將遇到極大的困難。另外為了解決測程的要求，須選擇一組頻率較低的粗測尺，當(dāng)粗測尺頻率為150khz時(shí)，與精測尺頻率15mhz，兩者相差100倍。這樣有幾種頻率就要配備幾種測相電路，使線路復(fù)雜化。為此，目前相位式測距儀都采用差頻測相，即在測距儀內(nèi)設(shè)置一組與調(diào)制光波的主振測尺頻率()相對應(yīng)的本振頻率()，經(jīng)混頻后，變成具有相同的差頻。也就是使高頻測距信號和高頻基準(zhǔn)信號在進(jìn)入比相前均與本振高頻信號進(jìn)行差頻，成為測距和基準(zhǔn)低頻信號。在比相時(shí)，由于低頻信號的頻率大幅度降低(如精測尺頻率為15mhz，混頻后低頻為4khz時(shí)，降低了3750倍)，周期相應(yīng)擴(kuò)大，即表象時(shí)間得到放大，這就大大地提高了測相精度。此外，因測相電路讀數(shù)直接與頻率有關(guān)，頻率不同，電路亦應(yīng)改變。若用差頻測相，使"精"、"粗"測尺的各個(gè)不同的高頻信號差頻后均成為頻率相同的低頻信號，則儀器中只要設(shè)置一套測相電路就可以了。 6. 自動(dòng)數(shù)字測相 隨著集成電路和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為測距儀向自動(dòng)化和數(shù)字化方向發(fā)展提供了條件。目前許多中、短程測距儀幾乎都采用自動(dòng)數(shù)字測相技術(shù)以及距離的數(shù)字顯示。 自動(dòng)數(shù)字測相的基本思想是:當(dāng)參考信號和測距信號按自動(dòng)數(shù)字測相法作相位比較時(shí)，首先將其相位差換成方波，然后再用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率作填充脈沖填入內(nèi)，每一個(gè)填充脈沖代表一定距離，如1mm，1cm等，于是用計(jì)數(shù)器計(jì)算出填充脈沖的個(gè)數(shù)，通過顯示器即能直接顯示出相應(yīng)的距離。

光電測距儀根據(jù)測定時(shí)間t的方式，分為直接測定時(shí)間的脈沖測距法和間接測定時(shí)間的相位測距法。高精度的測距儀，一般采用相位式。

相位式光電測距儀的測距原理是：由光源發(fā)出的光通過調(diào)制器后，成為光強(qiáng)隨高頻信號變化的調(diào)制光。通過測量調(diào)制光在待測距離上往返傳播的相位差φ來解算距離。

相位法測距相當(dāng)于用“光尺”代替鋼尺量距，而λ/2為光尺長度。

相位式測距儀中，相位計(jì)只能測出相位差的尾數(shù)ΔN，測不出整周期數(shù)N，因此對大于光尺的距離無法測定。為了擴(kuò)大測程，應(yīng)選擇較長的光尺。為了解決擴(kuò)大測程與保證精度的矛盾，短程測距儀上一般采用兩個(gè)調(diào)制頻率，即兩種光尺。例如：長光尺（稱為粗尺）f1=150kHz，λ1/2=1 000m，用于擴(kuò)大測程，測定百米、十米和米；短光尺（稱為精尺）f2=15MHz，λ2/2=10m，用于保證精度，測定米、分米、厘米和毫米。

光電測距儀根據(jù)測定時(shí)間t的方式，分為直接測定時(shí)間的脈沖測距法和間接測定時(shí)間的相位測距法。高精度的測距儀，一般采用相位式。

相位式光電測距儀的測距原理是:由光源發(fā)出的光通過調(diào)制器后，成為光強(qiáng)隨高頻信號變化的調(diào)制光。通過測量調(diào)制光在待測距離上往返傳播的相位差φ來解算距離。

相位法測距相當(dāng)于用"光尺"代替鋼尺量距，而λ/2為光尺長度。

相位式測距儀中，相位計(jì)只能測出相位差的尾數(shù)ΔN，測不出整周期數(shù)N，因此對大于光尺的距離無法測定。為了擴(kuò)大測程，應(yīng)選擇較長的光尺。為了解決擴(kuò)大測程與保證精度的矛盾，短程測距儀上一般采用兩個(gè)調(diào)制頻率，即兩種光尺。例如:長光尺(稱為粗尺)f1=150kHz，λ1/2=1 000m，用于擴(kuò)大測程，測定百米、十米和米;短光尺(稱為精尺)f2=15MHz，λ2/2=10m，用于保證精度，測定米、分米、厘米和毫米。