相位式光电测距仪

原理

　　相位式光电测距仪的工作原理可按图所示的方框图来说明。

　　由光源所发出的光波（红外光或激光），进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了。

　　这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频测距信号，用表示。仍保留了高频测距信号原有的相位延迟。为了进行比相，主振高频测距信号的一部分称为参考信号与本振高频信号同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频参考信号，表示，由于没有经过往返测线的路程，所以不存在象中产生的那一相位延迟。因此，和同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。

　　当采用一个测尺频率时，显示器上就只有不足一周的相位差所相应的测距尾数，超过一周的整周数所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪的主振和本振二个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率和本振频率。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。

组成详解

　　1.光源

　　相位式测距仪的光源，主要有砷化镓（GaAs）二极管和氦-氖（He-Ne）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。下面对这二种光源作一介绍。

　　（1）砷化镓（GaAs）二极管

　　砷化镓（GaAs）二极管是一种晶体二极管，与普通二极管一样，内部也有一个结，如图4-5所示。它的正向电阻很小，反向电阻较大。当正向注入强电流时，在结里就会有波长为0.72～0.94m之间红外光出射，而且出射的光强会随着注入电流的大小而变化，因此可以简单地通过改变馈电电流对光强的输出进行调制，即所谓“电流直接调制”。这对测距仪用作光源十分有意义，因为能直接调制光强，无需再配备结构复杂、功耗较大的调制器。此外，砷化镓二极管光源与其他光源比较，还有体积小重量轻，结构牢固和不怕震动等优点，有利于使测距仪小型化，轻便化。

　　1.光源

　　相位式测距仪的光源，主要有砷化镓（GaAs）二极管和氦-氖（He-Ne）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。下面对这二种光源作一介绍。

　　（1）砷化镓（GaAs）二极管

　　砷化镓（GaAs）二极管是一种晶体二极管，与普通二极管一样，内部也有一个结，如图4-5所示。它的正向电阻很小，反向电阻较大。当正向注入强电流时，在结里就会有波长为0.72～0.94m之间红外光出射，而且出射的光强会随着注入电流的大小而变化，因此可以简单地通过改变馈电电流对光强的输出进行调制，即所谓“电流直接调制”。这对测距仪用作光源十分有意义，因为能直接调制光强，无需再配备结构复杂、功耗较大的调制器。此外，砷化镓二极管光源与其他光源比较，还有体积小重量轻，结构牢固和不怕震动等优点，有利于使测距仪小型化，轻便化。

　　（2）氦-氖（He-Ne）气体激光器

　　氦-氖气体激光器，它由放电管、激励电源和谐振腔组成。放电管为内径几个毫米的水晶管，管内充满了氦与氖的混合气体，管的长度由几厘米到几十厘米不等。管越长，输出功率越高。在管的两端装有光学精密加工的布儒斯特窗。激励电源一般可用直流、交流或高频等电源的放电方式，目前用得最多的是直流电源放电方式，其优点是激光输出稳定。谐振腔由两块球面反射镜组成，其中一块反射镜是全反射的，另一块能部分透光，．其透射率2%，即反射率仍有98%。

　　放电管中的氦原子，在激励电源的激励下，不断跃迁到高能级上，当它和氖原子碰撞时能量不断地传递给氖原子，使氖原子不断跃迁到高能级上，而自己又回到基能级上。与此同时，处在高能级上的氖原子在光子的激发下，又受激辐射跃迁回基能级上，这时便产生出新的光子。一般说来，多数光子将通过管壁飞跃出去，或被管壁吸收，只有沿管壁轴线方向的光子将在两块反射镜之间来回反射，从而造成光的不断受辐射而放大。

　　布儒斯特窗是光洁度很高的水晶片，窗面法线与管轴线的夹角叫做布儒斯特角。这个角度随窗的材料而不同，在水晶窗的情况下，它大约等于56o。当光波沿管轴线方向入射至窗面时，光波电振动沿纸面方面的分量（图中以箭头表示）将不被反射而完全透过去；而沿垂直于纸面方向的分量（图中以黑点表示）却被反射掉了，这样剩下来的光就是沿纸面振动的直线偏振光。尔后，这种光在谐振腔内来回运行，由于受激辐射的新生光子与原有的光子具有相同的振动方向，也就是说，积累起来的光始终是沿纸面方向振动的直线偏振光，因而每当它们来回穿过布濡斯特窗面时，几乎全部透过去，而很少受到光的损失。

　　装有布懦斯特窗的激光器，直接输出直线偏振光，使得光电调制器组可以不要起偏振片，从而避免了一般调制器的入射光，因通过起偏振器而造成光强损失约50%的缺陷。所以装有上述激光器的测距仪的测程可达40～50km。

　　氦氖气体激光器发射的激光，其频率、相位十分稳定，方向性极高，且为连续发射，因而它广泛地应用于激光测距、准直、通讯和全息学等方面。但氦氖气体激光器也有其缺点，即效率很低，其输出功率与输入功率之比仅千分之一。因此，激光测距仪上的激光输出功率仅约2～5mW。

　　2. 调制器

　　采用砷化镓（GaAs）二极管发射红外光的红外测距仪，发射光强直接由注入电流调制，发射一种红外调制光，称为直接调制，故不再需要专门的调制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式测距仪，必须采用一种调制器，其作用是将测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光，如图4-7电光调制是利用电光效应控制介质折射率的外调制法，也就是利用改变外加电压来控制介质的折射率。目前的光电测距仪都采用一种一次电光效应或称普克尔斯效应，即；根据普克尔斯效应（线性电光效应）制作的各种普克尔斯调制器。这种调制器有调制频带宽，调制电压较低和相位均匀性较好的优点。用磷酸二氘钾（KD2PO4）晶体制成的KD*P调制器则是目前较优良的一种普克尔斯调制器。

　　3．棱镜反射器

　　在使用光电测距仪进行精密测距时，必须在测线的另一端安置一个反射器，使发射的调制光经它反射后，被仪器接收器接收。用作反射器的棱镜是用光学玻璃精细制作的四面锥体，如三个棱面互成直角而底面成三角形平面三个互相垂直的面上镀银，作为反射面，另一平面是透射面。它对于任意入射角的入射光线，在反射棱镜的两个面上的反射是相等的，所以通常反射光线与入射光线是平行的。因此，在安置棱镜反射器时，要把它大致对准测距仪，对准方向偏离在20o以内，就能把发射出的光线经它折射后仍能按原方向反射回去，使用十分方便。

　　4. 光电转换器件

　　在光电测距仪中，接收器的信号为光信号。为了将此信号送到相位器进行相位比较，必须把光信号变为电信号，对此要采用光电转换器件来完成这项工作。用于测距仪的光电转换器件通常有光电二极管，雪崩光电二极管和光电倍增管。现在分别介绍如下。

　　（1）光电二极管和雪崩光电二极管

　　光电二极管的管芯也是一个结。和一般二极管相比，在构造上的不同点是为了便于接收入射光，而在管子的顶部装置一个聚光透镜,使接收光通过透镜射向结。接入电路时，必须反向偏置。

　　光电二极管具有“光电压”效应，即当有外来光通过聚光透镜会聚而照射到结时，使光能立即转换为电能。再者，光电二极管的“光电压”效应与人射光的波长有关，对波长为0.9～1.0m的光（属于红外光）有较高的相对灵敏度，且使光信号线性地变换为电信号。

　　（2）光电倍增管

　　光电倍增管是一种极其灵敏的高增益光电转换器件。它由阴极、多个放射极和阳极组成，。各极间施加很强的静电场。当阴极在光的照射下有光电子射出时，这些光电子被静电场加速，进而以更大的动能打击发射极，就能产生好几个二次电子（称为二次发射），如此一级比一级光电子数增多，直到一级，电子被聚集到阳极上去。若经过一级电子增大倍，则经过级倍增到达阳极的电子流将放大倍。由此可见，光电倍增管除了能把光信号变成电信号以外，还能把电信号进行高倍率的放大，具有很高的灵敏度，它的放大倍数达106～107数量级。

　　5. 差频测相

　　在目前测相精度一般为千分之一的情况下，为了保证必要的测距精度，精测尺的频率必须选得很高，一般为十几MHz～几十MHz，例如HGC-1型短程红外测距仪的精测尺频率=15MHz，JCY-2型精密激光测距仪的精测尺频率=30MHz。在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位比较，受电路中寄生参量的影响在技术上将遇到极大的困难。另外为了解决测程的要求，须选择一组频率较低的粗测尺，当粗测尺频率为150kHz时，与精测尺频率15MHz，两者相差100倍。这样有几种频率就要配备几种测相电路，使线路复杂化。为此，目前相位式测距仪都采用差频测相，即在测距仪内设置一组与调制光波的主振测尺频率（）相对应的本振频率（），经混频后，变成具有相同的差频。也就是使高频测距信号和高频基准信号在进入比相前均与本振高频信号进行差频，成为测距和基准低频信号。在比相时，由于低频信号的频率大幅度降低（如精测尺频率为15MHz，混频后低频为4kHz时，降低了3750倍），周期相应扩大，即表象时间得到放大，这就大大地提高了测相精度。此外，因测相电路读数直接与频率有关，频率不同，电路亦应改变。若用差频测相，使“精”、“粗”测尺的各个不同的高频信号差频后均成为频率相同的低频信号，则仪器中只要设置一套测相电路就可以了。

　　6. 自动数字测相

　　随着集成电路和数字技术的发展，为测距仪向自动化和数字化方向发展提供了条件。目前许多中、短程测距仪几乎都采用自动数字测相技术以及距离的数字显示。

　　自动数字测相的基本思想是：当参考信号和测距信号按自动数字测相法作相位比较时，首先将其相位差换成方波，然后再用一个标准频率作填充脉冲填入内，每一个填充脉冲代表一定距离，如1mm，1cm等，于是用计数器计算出填充脉冲的个数，通过显示器即能直接显示出相应的距离。