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相位式光電測(cè)距儀的工作原理

2011-04-07

                                                 相位式光電測(cè)距儀的工作原理
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    相位式光電測(cè)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(cè)距儀的工作原理，并著重介紹它的幾個(gè)主要部件的工作原理。
    相位式光電測(cè)距儀的工作原理
    相位式光電測(cè)距儀的工作原理可按圖4-4所示的方框圖來說明。
    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(jiǎn)稱主振）的高頻測(cè)距信號(hào) 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(huì)聚在光電器件上，光信號(hào)立即轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)就是調(diào)幅波往返于測(cè)線后經(jīng)過解調(diào)的高頗測(cè)距信號(hào)，它的相位已延遲了。
    這個(gè)高頻測(cè)距信號(hào)與來自本機(jī)振蕩器（簡(jiǎn)稱本振）的高頻信號(hào) 經(jīng)測(cè)距信號(hào)混頻器進(jìn)行光電混頻，經(jīng)過選頻放大后得到一個(gè)低頻（）測(cè)距信號(hào)，用表示。仍保留了高頻測(cè)距信號(hào)原有的相位延遲。為了進(jìn)行比相，主振高頻測(cè)距信號(hào) 的一部分稱為參考信號(hào)與本振高頻信號(hào) 同時(shí)送入?yún)⒖夹盘?hào)混頻器，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(hào)，表示，由于沒有經(jīng)過往返測(cè)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(shí)送人相位器采用數(shù)字測(cè)相技術(shù)進(jìn)行相位比較，在顯示器上將顯示出測(cè)距信號(hào)往返于測(cè)線的相位延遲結(jié)果。
    當(dāng)采用一個(gè)測(cè)尺頻率時(shí)，顯示器上就只有不足一周的相位差所相應(yīng)的測(cè)距尾數(shù)，超過一周的整周數(shù) 所相應(yīng)的測(cè)距整尺數(shù)就無法知道，為此，相位式測(cè)距儀的主振和本振二個(gè)部件中還包含一組粗測(cè)尺的振蕩頻率，即主振頻率和本振頻率。如前所述，若用粗測(cè)尺頻率進(jìn)行同樣的測(cè)量，把精測(cè)尺與一組粗測(cè)尺的結(jié)果組合起來，就能得到整個(gè)待測(cè)距離的數(shù)值了。
    相位式光電測(cè)距儀各主要部件的工作原理
1.光源
    相位式測(cè)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(cè)距儀中，后者用于中遠(yuǎn)程測(cè)距儀中。下面對(duì)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(gè) 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(shí)，在結(jié)里就會(huì)有波長(zhǎng)為0.72～0.94 m之間紅外光出射，而且出射的光強(qiáng)會(huì)隨著注入電流的大小而變化，因此可以簡(jiǎn)單地通過改變饋電電流對(duì)光強(qiáng)的輸出進(jìn)行調(diào)制，即所謂“電流直接調(diào)制”。這對(duì)測(cè)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(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于使測(cè)距儀小型化，輕便化。
    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（100～500 ），波長(zhǎng)不夠穩(wěn)定，功率較小（約3mW）和發(fā)散角大（達(dá)50o），故采用這種光源的測(cè)距儀的測(cè)程都不遠(yuǎn)，一般在3km以內(nèi)。紅外光的波長(zhǎng)，因GaAs摻雜的差異和饋電電流等不同而異。如國(guó)產(chǎn)HGC-1紅外測(cè)距儀的 0.93 m；瑞士DI3和DI3S的分別為0.875 m和0.885 m；瑞典AGA-116的 =
0.91 m。
    （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(lì)電源和諧振腔組成。放電管為內(nèi)徑幾個(gè)毫米的水晶管，管內(nèi)充滿了氦與氖的混合氣體，管的長(zhǎng)度由幾厘米到幾十厘米不等。管越長(zhǎng)，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(lì)電源一般可用直流、交流或高頻等電源的放電方式，目前用得更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(lì)電源的激勵(lì)下，不斷躍遷到高能級(jí)上，當(dāng)它和氖原子碰撞時(shí)能量不斷地傳遞給氖原子，使氖原子不斷躍遷到高能級(jí)上，而自己又回到基能級(jí)上。與此同時(shí)，處在高能級(jí)上的氖原子在光子的激發(fā)下，又受激輻射躍遷回基能級(jí)上，這時(shí)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(gè)角度隨窗的材料而不同，在水晶窗的情況下，它大約等于56o。當(dāng)光波沿管軸線方向入射至窗面時(shí)，光波電振動(dòng)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(dòng)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(dòng)方向，也就是說，積累起來的光始終是沿紙面方向振動(dòng)的直線偏振光，因而每當(dāng)它們來回穿過布濡斯特窗面時(shí)，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。所以裝有上述激光器的測(cè)距儀的大測(cè)程可達(dá)40～50km。
    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(cè)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(cè)距儀上的激光輸出功率僅約2～5mW。
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