相位式光电测距仪各主要部件的工作原理 123仪器网

相位式光电测距仪各主要部件的工作原理

2011-04-07

                                          相位式光电测距仪各主要部件的工作原理
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    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（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。8（b）用于发射、接收系统同轴的测距仪，8（c）用于发射、接收系统不同轴的测距仪。
    实际应用的棱镜反射器如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。
    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（10（a）、（b））,使接收光通过透镜射向结。接入电路时，必须反向偏置，如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0.9～1.0 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用作光电转换器件。
    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、多个放射极和阳极组成，如11所示。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多，直到后一级，电子被聚集到阳极上去。若经过一级电子增大倍，则经过级倍增后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。
    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，如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，把阴极和聚焦极看成一个二极管，把频率为的本振电压加在 - 上，那么在这个二极管上既有光电效应的接收信号（频率为）电压，又有本振（频率为）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，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（ + ）及两频率之差（ - ）= ，经过简单的二型滤波装置（见12），把大于（ =15MHz）的高频滤掉，即能获得低频信号，以上称为光电混频。当然，若把本振信号加在第11放射极与阳极所组成的二极管上（见12），也可以进行光电混频。
    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 =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。
    13是相位式测距仪的差频测相方框图。现由图说明混频只改变频率，而不改变相位关系。
    设主振测尺频率为，其角频率发射时刻的相位为，为初相角。设本振频率为，角频率为，发射时刻的相位为，为其初相角。主振和本振两个高频信号经过混频后，取其差频 = ，得到低频参考信号，该信号在发射时刻的相位为                                     （4-15）
    主振测距信号到达反射器所需的时间为，因此产生的相位延迟为，测距信号到达反射器的相位为；再从反射器回到测站相位同样延迟了，因此测距信号接收时的相位为（这里）。测距信号与本振信号进行光电混频后取其差频，得到低频测距信号，该信号在发射时刻的相位为                  （4-16）
    在相位器中测定测距信号与参考信号两种低频信号的相位差，即为（4-l6）式和（4-15）式相减                   （4-17）
    由此可见，相位差即为测距信号在2倍测线距离上的相位延迟。以上说明了经混频后的低频信号仍保持着原高频信号间的相位关系。
    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。14是自动数字测相原理的方框图。
    在比相前，先将参考信号和测距信号分别进人通道1、2，经过放大与整形后成为倒相（相位倒转180o）的方波和（见15），两方波的频率仍为主振与本振的差频频率，其周期。将和分别加至检相触发器（见14中的CHP）的两个输入端和，方波的后沿（负跳变）使触发器的端输出高电平，相当于使触发器开启；方波的后沿使端输出低电平，相当于使触发器关闭。通过检相触发器获得检相脉冲信号，此脉冲宽度对应着两个比较信号的相位差，它的周期也是（见15中检相脉冲），将作为电子门的开关控制信号，其前沿（正跳变）使门开启，后沿（负跳变）将门关闭，于是在测距信号和参考信号的相位差所相应的一段时间内，时标脉冲就能通过电子门。而它所输出的脉冲数（见15 门输出）就反映了和间的相位差，这是单次检相过程。单次检相的脉冲数为
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