1、§4.2 相位式光電測距儀的工作原理 相位式光電測距儀的種類較多，但其基本的工作原理是相同的。本節(jié)將討論相位式光電測距儀的工作原理，并著重介紹它的幾個主要部件的工作原理。 相位式光電測距儀的工作原理 相位式光電測距儀的工作原理可按圖4-4所示的方框圖來說明。圖4-4 由光源所發(fā)出的光波（紅外光或激光），進(jìn)入調(diào)制器后，被來自主控振蕩器（簡稱主振）的高頻測距信號所調(diào)制，成為調(diào)幅波。這種調(diào)幅波經(jīng)外光路進(jìn)入接收器，會聚在光電器件上，光信號立即轉(zhuǎn)化為電信號。這個電信號就是調(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測距信號，它的相位已延遲了。 這個高頻測距信號與來自本機(jī)振蕩器（簡稱本振）的高頻信號經(jīng)測距信

2、號混頻器進(jìn)行光電混頻，經(jīng)過選頻放大后得到一個低頻（）測距信號，用表示。仍保留了高頻測距信號原有的相位延遲。為了進(jìn)行比相，主振高頻測距信號的一部分稱為參考信號與本振高頻信號同時送入?yún)⒖夹盘柣祛l器，經(jīng)過選頻放大后，得到可作為比相基準(zhǔn)的低頻（）參考信號，表示，由于沒有經(jīng)過往返測線的路程，所以不存在象中產(chǎn)生的那一相位延遲。因此，和同時送人相位器采用數(shù)字測相技術(shù)進(jìn)行相位比較，在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結(jié)果。 當(dāng)采用一個測尺頻率時，顯示器上就只有不足一周的相位差所相應(yīng)的測距尾數(shù)，超過一周的整周數(shù)所相應(yīng)的測距整尺數(shù)就無法知道，為此，相位式測距儀的主振和本振二個部件中還包含一組粗測尺的振蕩

3、頻率，即主振頻率和本振頻率。如前所述，若用粗測尺頻率進(jìn)行同樣的測量，把精測尺與一組粗測尺的結(jié)果組合起來，就能得到整個待測距離的數(shù)值了。 4.2.2 相位式光電測距儀各主要部件的工作原理 1.光源 相位式測距儀的光源，主要有砷化鎵（GaAs）二極管和氦-氖（He-Ne）氣體激光器。前者一般用于短程測距儀中，后者用于中遠(yuǎn)程測距儀中。下面對這二種光源作一介紹。 （1）砷化鎵（GaAs）二極管 砷化鎵（GaAs）二極管是一種晶體二極管，與普通二極管一樣，內(nèi)部也有一個結(jié)，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當(dāng)正向注入強(qiáng)電流時，在結(jié)里就會有波長為0.720.94m之間紅外光出射，而且出射的光強(qiáng)

4、會隨著注入電流的大小而變化，因此可以簡單地通過改變饋電電流對光強(qiáng)的輸出進(jìn)行調(diào)制，即所謂“電流直接調(diào)制”。這對測距儀用作光源十分有意義，因?yàn)槟苤苯诱{(diào)制光強(qiáng)，無需再配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗較大的調(diào)制器。此外，砷化鎵二極管光源與其他光源比較，還有體積小重量輕，結(jié)構(gòu)牢固和不怕震動等優(yōu)點(diǎn)，有利于使測距儀小型化，輕便化。圖4-5 圖4-6 GaAs二極管有兩種工作狀態(tài)，一種是發(fā)射激光，稱為GaAs激光器；另一種是發(fā)射紅外熒光，稱為發(fā)光二極管。兩者的區(qū)別，主要是注入電流強(qiáng)度的不同。由于GaAs發(fā)光管，發(fā)射連續(xù)的紅外光頻帶較寬（100500），波長不夠穩(wěn)定，功率較小（約3mW）和發(fā)散角大（達(dá)50o），故采用這種光源

5、的測距儀的測程都不遠(yuǎn)，一般在3km以內(nèi)。紅外光的波長，因GaAs摻雜的差異和饋電電流等不同而異。如國產(chǎn)HGC-1紅外測距儀的0.93m；瑞士DI3和DI3S的分別為0.875m和0.885m；瑞典AGA-116的=0.91m。 （2）氦-氖（He-Ne）氣體激光器 如圖4-6所示氦-氖氣體激光器，它由放電管、激勵電源和諧振腔組成。放電管為內(nèi)徑幾個毫米的水晶管，管內(nèi)充滿了氦與氖的混合氣體，管的長度由幾厘米到幾十厘米不等。管越長，輸出功率越高。在管的兩端裝有光學(xué)精密加工的布儒斯特窗。激勵電源一般可用直流、交流或高頻等電源的放電方式，目前用得最多的是直流電源放電方式，其優(yōu)點(diǎn)是激光輸出穩(wěn)定。諧振腔由兩

6、塊球面反射鏡組成，其中一塊反射鏡是全反射的，另一塊能部分透光，其透射率2%，即反射率仍有98%。 放電管中的氦原子，在激勵電源的激勵下，不斷躍遷到高能級上，當(dāng)它和氖原子碰撞時能量不斷地傳遞給氖原子，使氖原子不斷躍遷到高能級上，而自己又回到基能級上。與此同時，處在高能級上的氖原子在光子的激發(fā)下，又受激輻射躍遷回基能級上，這時便產(chǎn)生出新的光子。一般說來，多數(shù)光子將通過管壁飛躍出去，或被管壁吸收，只有沿管壁軸線方向的光子將在兩塊反射鏡之間來回反射，從而造成光的不斷受輻射而放大。 布儒斯特窗是光潔度很高的水晶片，窗面法線與管軸線的夾角叫做布儒斯特角（見圖4-6)。這個角度隨窗的材料而不同，在水晶窗的情

7、況下，它大約等于56o。當(dāng)光波沿管軸線方向入射至窗面時，光波電振動沿紙面方面的分量（圖中以箭頭表示）將不被反射而完全透過去；而沿垂直于紙面方向的分量（圖中以黑點(diǎn)表示）卻被反射掉了，這樣剩下來的光就是沿紙面振動的直線偏振光。爾后，這種光在諧振腔內(nèi)來回運(yùn)行，由于受激輻射的新生光子與原有的光子具有相同的振動方向，也就是說，積累起來的光始終是沿紙面方向振動的直線偏振光，因而每當(dāng)它們來回穿過布濡斯特窗面時，幾乎全部透過去，而很少受到光的損失。 裝有布懦斯特窗的激光器，直接輸出直線偏振光，使得光電調(diào)制器組可以不要起偏振片，從而避免了一般調(diào)制器的入射光，因通過起偏振器而造成光強(qiáng)損失約50%的缺陷。所以裝有上

8、述激光器的測距儀的最大測程可達(dá)4050km。 氦氖氣體激光器發(fā)射的激光，其頻率、相位十分穩(wěn)定，方向性極高，且為連續(xù)發(fā)射，因而它廣泛地應(yīng)用于激光測距、準(zhǔn)直、通訊和全息學(xué)等方面。但氦氖氣體激光器也有其缺點(diǎn)，即效率很低，其輸出功率與輸入功率之比僅千分之一。因此，激光測距儀上的激光輸出功率僅約25mW。 2. 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(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，如圖4-

9、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。圖4-7 3棱鏡反射器 在使用光電測距儀進(jìn)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(xué)玻璃精細(xì)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（圖4-8（a）三個互相

10、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(zhǔn)測距儀，對準(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。圖4-8（b）用于發(fā)射、接收系統(tǒng)同軸的測距儀，圖4-8（c）用于發(fā)射、接收系統(tǒng)不同軸的測距儀。圖4-8 實(shí)際應(yīng)用的棱鏡反射器如圖4-9，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。安置反射器時是將它的底座中心對準(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，

11、距離計(jì)算時必須顧及此項(xiàng)影響。（a） （b）圖4-9 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(jìn)行相位比較，必須把光信號變?yōu)殡娦盘枺瑢Υ艘捎霉怆娹D(zhuǎn)換器件來完成這項(xiàng)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。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聚光透鏡（圖4-10（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，如圖4-10（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

12、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(yīng)與人射光的波長有關(guān)，對波長為0.91.0m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。（a） （b） （c）圖4-10 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(yīng)防因強(qiáng)光照射而損壞，并時時注意減光措施。 （2）光

13、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，如圖4-11所示。各極間施加很強(qiáng)的靜電場。當(dāng)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(jìn)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，直到最后一級，電子被聚集到陽極上去。若經(jīng)過一級電子增大倍，則經(jīng)過級倍增最后到達(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變成電信號以外，還能把電信號進(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)106107數(shù)量級。圖4-11 我國研制的激光測距儀（JCY-2、DCS-1）使用國產(chǎn)的CDB-2型

14、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，如圖4-12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(yīng)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，最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（見圖4-12），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(dāng)然，若把本振信號加在第11放射極與陽

15、極所組成的二極管上（見圖4-12），也可以進(jìn)行光電混頻。圖4-12 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(yuǎn)近調(diào)節(jié)進(jìn)入的光強(qiáng)的大小，同時可借以避免強(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(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。另外為了解決測程的要求，須選擇一組頻率較低

16、的粗測尺，當(dāng)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(fù)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(yīng)的本振頻率（），經(jīng)混頻后，變成具有相同的差頻。也就是使高頻測距信號和高頻基準(zhǔn)信號在進(jìn)入比相前均與本振高頻信號進(jìn)行差頻，成為測距和基準(zhǔn)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(yīng)擴(kuò)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(yīng)改變。若用

17、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。圖4-13 圖4-13是相位式測距儀的差頻測相方框圖。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(dá)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(dá)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

18、振信號進(jìn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)頻率作

19、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(jì)數(shù)器計(jì)算出填充脈沖的個數(shù)，通過顯示器即能直接顯示出相應(yīng)的距離。圖4-14是自動數(shù)字測相原理的方框圖。圖4-14 在比相前，先將參考信號和測距信號分別進(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（見圖4-15），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（見圖4-14中的CHP）的兩個輸入端和，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，此脈沖寬度對應(yīng)著兩個比較信號的相位差，它的

20、周期也是（見圖4-15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(fù)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(yīng)的一段時間內(nèi)，時標(biāo)脈沖就能通過電子門。而它所輸出的脈沖數(shù)（見圖4-15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 （4-18）圖4-15 由于和均為儀器設(shè)計(jì)值，因此根據(jù)計(jì)數(shù)器計(jì)取的就可以計(jì)算測距信號和參考信號之間的相位差尾數(shù)。而由和測尺長度/2可以算出所測距離，因此每個時標(biāo)脈沖就代表一定的距離值。例如設(shè)=15MHz，=6kHz測尺長為/2=10m，則即表示相應(yīng)于10m的距離有2500個時標(biāo)脈沖，因此每個時標(biāo)脈沖代表4mm。根據(jù)計(jì)數(shù)器所計(jì)的時標(biāo)脈沖數(shù)，經(jīng)過換算，就可以在顯示器上顯示出距離的數(shù)值。 為了減少測量過程中大氣抖動和電路噪音等偶然誤差