相位式光电测距仪的工作原理

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1、4.2相位式光电测距仪的工作原理相位式光电测距仪的种类较多，但其基本的工作原理是相同的。本节将讨论相位式 光电测距仪的工作原理，并着重介绍它的几个主要部件的工作原理。4.2.1相位式光电测距仪的工作原理相位式光电测距仪的工作原理可按图4-4所示的方框图来说明。图4-4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f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。二2兀x N + 这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高

2、频信号广经测距信号混频 1器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（纣=f-f）测距信号，用e表示。11De仍保留了高频测距信号原有的相位延迟二2k xN + 。为了进行比相，主振高频 D测距信号f的一部分称为参考信号与本振高频信号彳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（纣=f -f）参考信号，e表示，由于e没 1 1 0 0 有经过往返测线的路程，所以e不存在象e中产生的那一相位延迟。因此，e和e 0DD 0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f时，显示器上就只有不足一周的相位差A

3、所相应的测距尾 数，超过一周的整周数N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f,f和本振频率 23f,f。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 23组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。4.2.2相位式光电测距仪各主要部件的工作原理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

4、也有一个PN 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PN 结里就会有波长为0.720.94卩m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。亠电瞬十图4-5图4-6GaAs二极管有两种工作状态，一种是发射激光，称为GaAs激光器；另一种是发射 红外荧光，称为发光二极管。

5、两者的区别，主要是注入电流强度的不同。由于GaAs发 光管，发射连续的红外光频带较宽（100500& ），波长不够稳定，功率较小（约3mW） 和发散角大（达50。），故采用这种光源的测距仪的测程都不远，一般在3km以内。红外 光的波长，因GaAs掺杂的差异和馈电电流等不同而异。如国产HGC-1红外测距仪的 X= 0.93卩m；瑞士 DI3和DI3S的九分别为0.875卩m和0.885卩m；瑞典AGA-116的九= 0.91 卩 m。（2）氦-氖（He-Ne）气体激光器如图4-6所示氦-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

6、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，

7、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（见 图4-6）。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56。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

8、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最大测程可达4050km。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25mW。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

9、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E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n = n0 + f （E）;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

10、则是目前较优良的一种普克尔斯调制器。光披圧T仁小/W1图4-73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（图4-8 （a）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20。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。图4-8 （b）用于

11、发射、接收系统 同轴的测距仪，图4-8 （c）用于发射、接收系统不同轴的测距仪。图4-8实际应用的棱镜反射器如图4-9，根据距离远近不同，有单块棱镜的，也有多块棱 镜组合的。安置反射器时是将它的底座中心对准地面标石中心，但由于光线在棱镜内部 需要一段光程，使底座中心与顾及此光程影响的等效反射面不相一致，距离计算时必须 顾及此项影响。(a)(b)图4-94. 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。

12、（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PN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（图4-10 （a）、（b）,使接收光 通过透镜射向PN结。接入电路时，必须反向偏置，如图4-10（c）所示。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PN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0.91.0 m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。光电二极管由于体积小，耗电少，加之对砷化镓红外光有较高的相对灵敏度，因而 在红外测距仪中常

13、用作光电转换器件。图 4-10雪崩光电二极管是基于“光电压”效应和雪崩倍增原理而制成的光电二极管，由于 它的结电容很小，因而响应时间很短，灵敏度很高。瑞士的DI3S红外测距仪就是用雪 崩光电二极管作光电转换器件的。必须注意，光电二极管特别是雪崩光电二极管应防因 强光照射而损坏，并时时注意减光措施。（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K、多个放射极和 阳极A组成，如图4-11所示。各极间施加很强的静电场。当阴极K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第一发射极，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

14、多，直到最后一级，电 子被聚集到阳极A上去。若经过一级电子增大b倍，则经过n级倍增最后到达阳极的电 子流将放大b n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106107数量级。光图 4-11我国研制的激光测距仪（JCY-2、DCS-1）使用国产的CDB-2型光电倍增管。这种管 子除阴极，阳极和11个放射极以外，还在阴极和第一级放射极之间设置了聚焦极F， 如图4-12所示。为了解决接收信号的差频问题（称为光电混频），在管子工作时，把阴 极K和聚焦极F看成一个二极管，把频率为f的本振电压加在K -F上，那么在这个 二极管

15、上既有光电效应的接收信号（频率为f）电压，又有本振（频率为f；）电压， 通过“二极管”的非线性关系，就产生了混频作用，经过倍增放大，最后所得到的阳极 电流，除高次谐波分量外，还包含着两频率之和（f + f ）及两频率之差（f -f ）=纣， 经过简单的R,C,兀二型滤波装置（见图4-12）,把大于f （ f =15MHz）的高频滤掉，即 能获得低频纣信号，以上称为光电混频。当然，若把本振信号f加在第11放射极与 阳极A所组成的二极管上（见图4-12）,也可以进行光电混频。1图 4-12在光电倍增管的前面，还设置了一个连续减光板，以便按距离的远近调节进入的光 强的大小，同时可借以避免强光照射管子

16、的阴极,造成阴极疲劳和损坏，起到保护作用。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f =15MHz，JCY-2型精密激光测距仪的精测尺频率f=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