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相位式光電測距儀各主要部件的工作原理

2011-04-07

                                          相位式光電測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)射紅外光的紅外測距儀，發(fā)射光強直接由注入電流調(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距儀，必須采用一種調(diào)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(diào)制光，如7電光調(diào)制是利用電光效應控制介質(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。目前的光電測距儀都采用一種一次電光效應或稱普克爾斯效應，即；根據(jù)普克爾斯效應（線性電光效應）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。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(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（8（a））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(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)同軸的測距儀，8（c）用于發(fā)射、接收系統(tǒng)不同軸的測距儀。
    實際應用的棱鏡反射器如9，根據(jù)距離遠近不同，有單塊棱鏡的，也有多塊棱鏡組合的。安置反射器時是將它的底座中心對準地面標石中心，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，距離計算時必須顧及此項影響。
    4. 光電轉(zhuǎn)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?，對此要采用光電轉(zhuǎn)換器件來完成這項工作。用于測距儀的光電轉(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?，F(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結(jié)。和一般二極管相比，在構(gòu)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（10（a）、（b））,使接收光通過透鏡射向結(jié)。接入電路時，必須反向偏置，如10（c）所示。
    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(jié)時，使光能立即轉(zhuǎn)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(guān)，對波長為0.9～1.0 m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。
    光電二極管由于體積小，耗電少，加之對砷化鎵紅外光有較高的相對靈敏度，因而在紅外測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，因而響應時間很短，靈敏度很高。瑞士的DI3S紅外測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防因強光照射而損壞，并時時注意減光措施。
    （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、多個放射極和陽極組成，如11所示。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(chǎn)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(shù)增多，直到后一級，電子被聚集到陽極上去。若經(jīng)過一級電子增大倍，則經(jīng)過級倍增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(shù)達106～107數(shù)量級。
    我國研制的激光測距儀（JCY-2、DCS-1）使用國產(chǎn)的CDB-2型光電倍增管。這種管子除陰極，陽極和11個放射極以外，還在陰極和第一級放射極之間設(shè)置了聚焦極，如12所示。為了解決接收信號的差頻問題（稱為光電混頻），在管子工作時，把陰極和聚焦極看成一個二極管，把頻率為的本振電壓加在 - 上，那么在這個二極管上既有光電效應的接收信號（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，以上稱為光電混頻。當然，若把本振信號加在第11放射極與陽極所組成的二極管上（見12），也可以進行光電混頻。
    在光電倍增管的前面，還設(shè)置了一個連續(xù)減光板，以便按距離的遠近調(diào)節(jié)進入的光強的大小，同時可借以避免強光照射管子的陰極，造成陰極疲勞和損壞，起到保護作用。
    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(shù)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(nèi)設(shè)置一組與調(diào)制光波的主振測尺頻率（）相對應的本振頻率（），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(shù)直接與頻率有關(guān)，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(shè)置一套測相電路就可以了。
    13是相位式測距儀的差頻測相方框圖?，F(xiàn)由圖說明混頻只改變頻率，而不改變相位關(guān)系。
    設(shè)主振測尺頻率為，其角頻率發(fā)射時刻的相位為，為初相角。設(shè)本振頻率為，角頻率為，發(fā)射時刻的相位為，為其初相角。主振和本振兩個高頻信號經(jīng)過混頻后，取其差頻 = ，得到低頻參考信號，該信號在發(fā)射時刻的相位為                                     （4-15）
    主振測距信號到達反射器所需的時間為，因此產(chǎn)生的相位延遲為，測距信號到達反射器的相位為；再從反射器回到測站相位同樣延遲了，因此測距信號接收時的相位為（這里）。測距信號與本振信號進行光電混頻后取其差頻，得到低頻測距信號，該信號在發(fā)射時刻的相位為                  （4-16）
    在相位器中測定測距信號與參考信號兩種低頻信號的相位差，即為（4-l6）式和（4-15）式相減                   （4-17）
    由此可見，相位差即為測距信號在2倍測線距離上的相位延遲。以上說明了經(jīng)混頻后的低頻信號仍保持著原高頻信號間的相位關(guān)系。
    6. 自動數(shù)字測相
    隨著集成電路和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為測距儀向自動化和數(shù)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(shù)字測相技術(shù)以及距離的數(shù)字顯示。
    自動數(shù)字測相的基本思想是：當參考信號和測距信號按自動數(shù)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(nèi)，每一個填充脈沖代表一定距離，如1mm，1cm等，于是用計數(shù)器計算出填充脈沖的個數(shù)，通過顯示器即能直接顯示出相應的距離。14是自動數(shù)字測相原理的方框圖。
    在比相前，先將參考信號和測距信號分別進人通道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）的兩個輸入端和，方波的后沿（負跳變）使觸發(fā)器的端輸出高電平，相當于使觸發(fā)器開啟；方波的后沿使端輸出低電平，相當于使觸發(fā)器關(guān)閉。通過檢相觸發(fā)器獲得檢相脈沖信號，此脈沖寬度對應著兩個比較信號的相位差，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，其前沿（正跳變）使門開啟，后沿（負跳變）將門關(guān)閉，于是在測距信號和參考信號的相位差所相應的一段時間內(nèi)，時標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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