相位式光電測距儀組成詳解

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)，進入調制器后，被來自主控振蕩器(簡稱主振)的高頻測距信號所調制，成為調幅波。這種調幅波經外光路進入接收器，會聚在光電器件上，光信號立即轉化為電信號。這個電信號就是調幅波往返于測線后經過解調的高頗測距信號，它的相位已延遲了。 這個高頻測距信號與來自本機振蕩器(簡稱本振)的高頻信號經測距信號混頻器進行光電混頻，經過選頻放大后得到一個低頻測距信號，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送入參考信號混頻器，經過選頻放大后，得到可作為比相基準的低頻參考信號，表示，由于沒有經過往返測線的路程，所以不存在象中產生的那一相位延遲。因此，和同時送人相位器采用數字測相技術進行相位比較，在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結果。 當采用一個測尺頻率時，顯示器上就只有不足一周的相位差所相應的測距尾數，超過一周的整周數所相應的測距整尺數就無法知道，為此，相位式測距儀的主振和本振二個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，若用粗測尺頻率進行同樣的測量，把精測尺與一組粗測尺的結果組合起來，就能得到整個待測距離的數值了。

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，內部也有一個結，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當正向注入強電流時，在結里就會有波長為0.72~0.94m之間紅外光出射，而且出射的光強會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的輸出進行調制，即所謂"電流直接調制"。這對測距儀用作光源十分有意義，因為能直接調制光強，無需再配備結構復雜、功耗較大的調制器。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，結構牢固和不怕震動等優(yōu)點，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，內部也有一個結，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當正向注入強電流時，在結里就會有波長為0.72~0.94m之間紅外光出射，而且出射的光強會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的輸出進行調制，即所謂"電流直接調制"。這對測距儀用作光源十分有意義，因為能直接調制光強，無需再配備結構復雜、功耗較大的調制器。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，結構牢固和不怕震動等優(yōu)點，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、激勵電源和諧振腔組成。放電管為內徑幾個毫米的水晶管，管內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精密加工的布儒斯特窗。激勵電源一般可用直流、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，在激勵電源的激勵下，不斷躍遷到高能級上，當它和氖原子碰撞時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，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，這時便產生出新的光子。一般說來，多數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。當光波沿管軸線方向入射至窗面時，光波電振動沿紙面方面的分量(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(圖中以黑點表示)卻被反射掉了，這樣剩下來的光就是沿紙面振動的直線偏振光。爾后，這種光在諧振腔內來回運行，由于受激輻射的新生光子與原有的光子具有相同的振動方向，也就是說，積累起來的光始終是沿紙面方向振動的直線偏振光，因而每當它們來回穿過布濡斯特窗面時，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，使得光電調制器組可以不要起偏振片，從而避免了一般調制器的入射光，因通過起偏振器而造成光強損失約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，因而它廣泛地應用于激光測距、準直、通訊和全息學等方面。但氦氖氣體激光器也有其缺點，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)射光強直接由注入電流調制，發(fā)射一種紅外調制光，稱為直接調制，故不再需要專門的調制器。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，成為一種調制光，如圖4-7電光調制是利用電光效應控制介質折射率的外調制法，也就是利用改變外加電壓來控制介質的折射率。目前的光電測距儀都采用一種一次電光效應或稱普克爾斯效應，即;根據普克爾斯效應(線性電光效應)制作的各種普克爾斯調制器。這種調制器有調制頻帶寬，調制電壓較低和相位均勻性較好的優(yōu)點。用磷酸二氘鉀(kd2po4)晶體制成的kd*p調制器則是目前較優(yōu)良的一種普克爾斯調制器。 3.棱鏡反射器 在使用光電測距儀進行精密測距時，必須在測線的另一端安置一個反射器，使發(fā)射的調制光經它反射后，被儀器接收器接收。用作反射器的棱鏡是用光學玻璃精細制作的四面錐體，如三個棱面互成直角而底面成三角形平面三個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，要把它大致對準測距儀，對準方向偏離在20o以內，就能把發(fā)射出的光線經它折射后仍能按原方向反射回去，使用十分方便。 4. 光電轉換器件 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行相位比較，必須把光信號變?yōu)殡娦盘枺瑢Υ艘捎霉怆娹D換器件來完成這項工作。用于測距儀的光電轉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結。和一般二極管相比，在構造上的不同點是為了便于接收入射光，而在管子的頂部裝置一個聚光透鏡,使接收光通過透鏡射向結。接入電路時，必須反向偏置。 光電二極管具有"光電壓"效應，即當有外來光通過聚光透鏡會聚而照射到結時，使光能立即轉換為電能。再者，光電二極管的"光電壓"效應與人射光的波長有關，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換器件。它由陰極、多個放射極和陽極組成，。各極間施加很強的靜電場。當陰極在光的照射下有光電子射出時，這些光電子被靜電場加速，進而以更大的動能打擊第一發(fā)射極，就能產生好幾個二次電子(稱為二次發(fā)射)，如此一級比一級光電子數增多，直到最后一級，電子被聚集到陽極上去。若經過一級電子增大倍，則經過級倍增最后到達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，還能把電信號進行高倍率的放大，具有很高的靈敏度，它的放大倍數達106~107數量級。 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)射波和接收波進行相位比較，受電路中寄生參量的影響在技術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，當粗測尺頻率為150khz時，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，即在測距儀內設置一組與調制光波的主振測尺頻率()相對應的本振頻率()，經混頻后，變成具有相同的差頻。也就是使高頻測距信號和高頻基準信號在進入比相前均與本振高頻信號進行差頻，成為測距和基準低頻信號。在比相時，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，降低了3750倍)，周期相應擴大，即表象時間得到放大，這就大大地提高了測相精度。此外，因測相電路讀數直接與頻率有關，頻率不同，電路亦應改變。若用差頻測相，使"精"、"粗"測尺的各個不同的高頻信號差頻后均成為頻率相同的低頻信號，則儀器中只要設置一套測相電路就可以了。 6. 自動數字測相 隨著集成電路和數字技術的發(fā)展，為測距儀向自動化和數字化方向發(fā)展提供了條件。目前許多中、短程測距儀幾乎都采用自動數字測相技術以及距離的數字顯示。 自動數字測相的基本思想是:當參考信號和測距信號按自動數字測相法作相位比較時，首先將其相位差換成方波，然后再用一個標準頻率作填充脈沖填入內，每一個填充脈沖代表一定距離，如1mm，1cm等，于是用計數器計算出填充脈沖的個數，通過顯示器即能直接顯示出相應的距離。

光電測距儀根據測定時間t的方式，分為直接測定時間的脈沖測距法和間接測定時間的相位測距法。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)出的光通過調制器后，成為光強隨高頻信號變化的調制光。通過測量調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，相位計只能測出相位差的尾數ΔN，測不出整周期數N，因此對大于光尺的距離無法測定。為了擴大測程，應選擇較長的光尺。為了解決擴大測程與保證精度的矛盾，短程測距儀上一般采用兩個調制頻率，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。

光電測距儀根據測定時間t的方式，分為直接測定時間的脈沖測距法和間接測定時間的相位測距法。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)出的光通過調制器后，成為光強隨高頻信號變化的調制光。通過測量調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，相位計只能測出相位差的尾數ΔN，測不出整周期數N，因此對大于光尺的距離無法測定。為了擴大測程，應選擇較長的光尺。為了解決擴大測程與保證精度的矛盾，短程測距儀上一般采用兩個調制頻率，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。