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相位式光電測距儀的工作原理

2011-04-07

                                                 相位式光電測距儀的工作原理
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    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。
    由光源所發出的光波（紅外光或激光），進入調制器后，被來自主控振蕩器（簡稱主振）的高頻測距信號所調制，成為調幅波。這種調幅波經外光路進入接收器，會聚在光電器件上，光信號立即轉化為電信號。這個電信號就是調幅波往返于測線后經過解調的高頗測距信號，它的相位已延遲了。
    這個高頻測距信號與來自本機振蕩器（簡稱本振）的高頻信號經測距信號混頻器進行光電混頻，經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參考信號混頻器，經過選頻放大后，得到可作為比相基準的低頻（）參考信號，表示，由于沒有經過往返測線的路程，所以不存在象中產生的那一相位延遲。因此，和同時送人相位器采用數字測相技術進行相位比較，在顯示器上將顯示出測距信號往返于測線的相位延遲結果。
    當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的測距尾數，超過一周的整周數所相應的測距整尺數就無法知道，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頻率，即主振頻率和本振頻率。如前所述，若用粗測尺頻率進行同樣的測量，把精測尺與一組粗測尺的結果組合起來，就能得到整個待測距離的數值了。
    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，內部也有一個結，如圖4-5所示。它的正向電阻很小，反向電阻較大。當正向注入強電流時，在結里就會有波長為0.72～0.94 m之間紅外光出射，而且出射的光強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的輸出進行調制，即所謂“電流直接調制”。這對測距儀用作光源十分有意義，因為能直接調制光強，無需再配備結構復雜、功耗較大的調制器。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，結構牢固和不怕震動等優點，有利于使測距儀小型化，輕便化。
    GaAs二極管有兩種工作狀態，一種是發射激光，稱為GaAs激光器；另一種是發射紅外熒光，稱為發光二極管。兩者的區別，主要是注入電流強度的不同。由于GaAs發光管，發射連續的紅外光頻帶較寬（100～500 ），波長不夠穩定，功率較小（約3mW）和發散角大（達50o），故采用這種光源的測距儀的測程都不遠，一般在3km以內。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HGC-1紅外測距儀的 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、激勵電源和諧振腔組成。放電管為內徑幾個毫米的水晶管，管內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，目前用得更多的是直流電源放電方式，其優點是激光輸出穩定。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，在激勵電源的激勵下，不斷躍遷到高能級上，當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下，又受激輻射躍遷回基能級上，這時便產生出新的光子。一般說來，多數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，在水晶窗的情況下，它大約等于56o。當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，這種光在諧振腔內來回運行，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，使得光電調制器組可以不要起偏振片，從而避免了一般調制器的入射光，因通過起偏振器而造成光強損失約50%的缺陷。所以裝有上述激光器的測距儀的大測程可達40～50km。
    氦氖氣體激光器發射的激光，其頻率、相位十分穩定，方向性極高，且為連續發射，因而它廣泛地應用于激光測距、準直、通訊和全息學等方面。但氦氖氣體激光器也有其缺點，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2～5mW。
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