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相位式光電測(cè)距儀各主要部件的工作原理

2011-04-07

                                          相位式光電測(cè)距儀各主要部件的工作原理
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    調(diào)制器
    采用砷化鎵（GaAs）二極管發(fā)射紅外光的紅外測(cè)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(cè)距儀，必須采用一種調(diào)制器，其作用是將測(cè)距信號(hào)載在光波上，使發(fā)射光的振幅隨測(cè)距信號(hào)電壓而變化，成為一種調(diào)制光，如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(cè)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(cè)距儀進(jìn)行精密測(cè)距時(shí)，必須在測(cè)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（8（a））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(duì)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(duì)準(zhǔn)測(cè)距儀，對(duì)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。8（b）用于發(fā)射、接收系統(tǒng)同軸的測(cè)距儀，8（c）用于發(fā)射、接收系統(tǒng)不同軸的測(cè)距儀。
    實(shí)際應(yīng)用的棱鏡反射器如9，根據(jù)距離遠(yuǎn)近不同，有單塊棱鏡的，也有多塊棱鏡組合的。安置反射器時(shí)是將它的底座中心對(duì)準(zhǔn)地面標(biāo)石中心，但由于光線在棱鏡內(nèi)部需要一段光程，使底座中心與顧及此光程影響的等效反射面不相一致，距離計(jì)算時(shí)必須顧及此項(xiàng)影響。
    4. 光電轉(zhuǎn)換器件
    在光電測(cè)距儀中，接收器的信號(hào)為光信號(hào)。為了將此信號(hào)送到相位器進(jìn)行相位比較，必須把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)此要采用光電轉(zhuǎn)換器件來完成這項(xiàng)工作。用于測(cè)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。現(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（10（a）、（b））,使接收光通過透鏡射向結(jié)。接入電路時(shí)，必須反向偏置，如10（c）所示。
    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(zhǎng)有關(guān)，對(duì)波長(zhǎng)為0.9～1.0 m的光（屬于紅外光）有較高的相對(duì)靈敏度，且使光信號(hào)線性地變換為電信號(hào)。
    光電二極管由于體積小，耗電少，加之對(duì)砷化鎵紅外光有較高的相對(duì)靈敏度，因而在紅外測(cè)距儀中常用作光電轉(zhuǎn)換器件。
    雪崩光電二極管是基于“光電壓”效應(yīng)和雪崩倍增原理而制成的光電二極管，由于它的結(jié)電容很小，因而響應(yīng)時(shí)間很短，靈敏度很高。瑞士的DI3S紅外測(cè)距儀就是用雪崩光電二極管作光電轉(zhuǎn)換器件的。必須注意，光電二極管特別是雪崩光電二極管應(yīng)防因強(qiáng)光照射而損壞，并時(shí)時(shí)注意減光措施。
    （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，如11所示。各極間施加很強(qiáng)的靜電場(chǎng)。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(chǎng)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(jí)比一級(jí)光電子數(shù)增多，直到后一級(jí)，電子被聚集到陽極上去。若經(jīng)過一級(jí)電子增大倍，則經(jīng)過級(jí)倍增后到達(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(hào)變成電信號(hào)以外，還能把電信號(hào)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(jí)。
    我國(guó)研制的激光測(cè)距儀（JCY-2、DCS-1）使用國(guó)產(chǎn)的CDB-2型光電倍增管。這種管子除陰極，陽極和11個(gè)放射極以外，還在陰極和第一級(jí)放射極之間設(shè)置了聚焦極，如12所示。為了解決接收信號(hào)的差頻問題（稱為光電混頻），在管子工作時(shí)，把陰極和聚焦極看成一個(gè)二極管，把頻率為的本振電壓加在 - 上，那么在這個(gè)二極管上既有光電效應(yīng)的接收信號(hào)（頻率為）電壓，又有本振（頻率為）電壓，通過“二極管”的非線性關(guān)系，就產(chǎn)生了混頻作用，經(jīng)過倍增放大，后所得到的陽極電流，除高次諧波分量外，還包含著兩頻率之和（ + ）及兩頻率之差（ - ）= ，經(jīng)過簡(jiǎn)單的二型濾波裝置（見12），把大于（ =15MHz）的高頻濾掉，即能獲得低頻信號(hào)，以上稱為光電混頻。當(dāng)然，若把本振信號(hào) 加在第11放射極與陽極所組成的二極管上（見12），也可以進(jìn)行光電混頻。
    在光電倍增管的前面，還設(shè)置了一個(gè)連續(xù)減光板，以便按距離的遠(yuǎn)近調(diào)節(jié)進(jìn)入的光強(qiáng)的大小，同時(shí)可借以避免強(qiáng)光照射管子的陰極，造成陰極疲勞和損壞，起到保護(hù)作用。
    5. 差頻測(cè)相
    在目前測(cè)相精度一般為千分之一的情況下，為了保證必要的測(cè)距精度，精測(cè)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(cè)距儀的精測(cè)尺頻率 =15MHz，JCY-2型精密激光測(cè)距儀的精測(cè)尺頻率 =30MHz。在這樣高的頻率下直接對(duì)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(cè)程的要求，須選擇一組頻率較低的粗測(cè)尺，當(dāng)粗測(cè)尺頻率為150kHz時(shí)，與精測(cè)尺頻率15MHz，兩者相差100倍。這樣有幾種頻率就要配備幾種測(cè)相電路，使線路復(fù)雜化。為此，目前相位式測(cè)距儀都采用差頻測(cè)相，即在測(cè)距儀內(nèi)設(shè)置一組與調(diào)制光波的主振測(cè)尺頻率（）相對(duì)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(cè)距信號(hào)和高頻基準(zhǔn)信號(hào)在進(jìn)入比相前均與本振高頻信號(hào)進(jìn)行差頻，成為測(cè)距和基準(zhǔn)低頻信號(hào)。在比相時(shí)，由于低頻信號(hào)的頻率大幅度降低（如精測(cè)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(cè)相精度。此外，因測(cè)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(cè)相，使“精”、“粗”測(cè)尺的各個(gè)不同的高頻信號(hào)差頻后均成為頻率相同的低頻信號(hào)，則儀器中只要設(shè)置一套測(cè)相電路就可以了。
    13是相位式測(cè)距儀的差頻測(cè)相方框圖。現(xiàn)由圖說明混頻只改變頻率，而不改變相位關(guān)系。
    設(shè)主振測(cè)尺頻率為，其角頻率發(fā)射時(shí)刻的相位為，為初相角。設(shè)本振頻率為，角頻率為，發(fā)射時(shí)刻的相位為，為其初相角。主振和本振兩個(gè)高頻信號(hào)經(jīng)過混頻后，取其差頻 = ，得到低頻參考信號(hào) ，該信號(hào)在發(fā)射時(shí)刻的相位為                                     （4-15）
    主振測(cè)距信號(hào)到達(dá)反射器所需的時(shí)間為，因此產(chǎn)生的相位延遲為，測(cè)距信號(hào)到達(dá)反射器的相位為；再從反射器回到測(cè)站相位同樣延遲了，因此測(cè)距信號(hào)接收時(shí)的相位為（這里）。測(cè)距信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行光電混頻后取其差頻，得到低頻測(cè)距信號(hào) ，該信號(hào)在發(fā)射時(shí)刻的相位為                  （4-16）
    在相位器中測(cè)定測(cè)距信號(hào)與參考信號(hào)兩種低頻信號(hào)的相位差，即為（4-l6）式和（4-15）式相減                   （4-17）
    由此可見，相位差即為測(cè)距信號(hào)在2倍測(cè)線距離上的相位延遲。以上說明了經(jīng)混頻后的低頻信號(hào)仍保持著原高頻信號(hào)間的相位關(guān)系。
    6. 自動(dòng)數(shù)字測(cè)相
    隨著集成電路和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為測(cè)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(cè)距儀幾乎都采用自動(dòng)數(shù)字測(cè)相技術(shù)以及距離的數(shù)字顯示。
    自動(dòng)數(shù)字測(cè)相的基本思想是：當(dāng)參考信號(hào) 和測(cè)距信號(hào) 按自動(dòng)數(shù)字測(cè)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。14是自動(dòng)數(shù)字測(cè)相原理的方框圖。
    在比相前，先將參考信號(hào) 和測(cè)距信號(hào) 分別進(jìn)人通道1、2，經(jīng)過放大與整形后成為倒相（相位倒轉(zhuǎn)180o）的方波和（見15），兩方波的頻率仍為主振與本振的差頻頻率，其周期。將和分別加至檢相觸發(fā)器（見14中的CHP）的兩個(gè)輸入端和，方波的后沿（負(fù)跳變）使觸發(fā)器的端輸出高電平，相當(dāng)于使觸發(fā)器開啟；方波的后沿使端輸出低電平，相當(dāng)于使觸發(fā)器關(guān)閉。通過檢相觸發(fā)器獲得檢相脈沖信號(hào) ，此脈沖寬度對(duì)應(yīng)著兩個(gè)比較信號(hào)的相位差，它的周期也是（見15中檢相脈沖），將作為電子門的開關(guān)控制信號(hào)，其前沿（正跳變）使門開啟，后沿（負(fù)跳變）將門關(guān)閉，于是在測(cè)距信號(hào)和參考信號(hào)的相位差所相應(yīng)的一段時(shí)間內(nèi)，時(shí)標(biāo)脈沖就能通過電子門。而它所輸出的脈沖數(shù) （見15 門輸出）就反映了和間的相位差，這是單次檢相過程。單次檢相的脈沖數(shù)為
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