相位式光电测距仪的工作原理

§4.2 相位式光电测距仪的工作原理

相位式光电测距仪的种类较多，但其基本的工作原理是相同的。本节将讨论相位式光电测距仪的工作原理，并着重介绍它的几个主要部件的工作原理。

4.2.1 相位式光电测距仪的工作原理

相位式光电测距仪的工作原理可按图4-4所示的方框图来说明。

图4-4

由光源所发出的光波（红外光或激光），进入调制器后，被来自主控振荡器（简称主振）的高频测距信号1f 所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会

聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高颇测距信号，它的相位已延迟了Φ。

∆Φ+⨯=ΦN π2

这个高频测距信号与来自本机振荡器（简称本振）的高频信号1f '经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频（11f f f '-=∆）测距信号，用D e 表示。D e 仍保留了高频测距信号原有的相位延迟∆Φ+⨯=ΦN π2。为了进行比相，主振高频测距信号1f 的一部分称为参考信号与本振高频信号1f '同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频（11f f f '-=∆）参考信号，0e 表示，由于0e 没有经过往返测线的路程，所以0e 不存在象D e 中产生的那一相位延迟Φ。因此，D e 和0e 同时送人相位器采用数字测相技术进行相位比较，在显示器上将显示出测距信号往返于测线的相位延迟结果。

当采用一个测尺频率1f 时，显示器上就只有不足一周的相位差∆Φ所相应的测距尾数，超过一周的整周数N 所相应的测距整尺数就无法知道，为此，相位式测距仪的主振和本振二个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率 32,f f 和本振频率 32,f f ''。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。

4.2.2 相位式光电测距仪各主要部件的工作原理

1.光源

相位式测距仪的光源，主要有砷化镓（GaAs）二极管和氦-氖（He-Ne）气体激光器。前者一般用于短程测距仪中，后者用于中远程测距仪中。下面对这二种光源作一介绍。

（1）砷化镓（GaAs）二极管

砷化镓（GaAs）二极管是一种晶体二极管，与普通二极管一样，内部也有一个PN 结，如图4-5所示。它的正向电阻很小，反向电阻较大。当正向注入强电流时，在PN 结里就会有波长为0.72～0.94μm之间红外光出射，而且出射的光强会随着注入电流的大小而变化，因此可以简单地通过改变馈电电流对光强的输出进行调制，即所谓“电流直接调制”。这对测距仪用作光源十分有意义，因为能直接调制光强，无需再配备结构复杂、功耗较大的调制器。此外，砷化镓二极管光源与其他光源比较，还有体积小重量轻，结构牢固和不怕震动等优点，有利于使测距仪小型化，轻便化。

图4-5 图4-6

GaAs二极管有两种工作状态，一种是发射激光，称为GaAs激光器；另一种是发射红外荧光，称为发光二极管。两者的区别，主要是注入电流强度的不同。由于GaAs发

光管，发射连续的红外光频带较宽（100～500o A），波长不够稳定，功率较小（约3mW）和发散角大（达50o），故采用这种光源的测距仪的测程都不远，一般在3km以内。红外光的波长，因GaAs掺杂的差异和馈电电流等不同而异。如国产HGC-1红外测距仪的λ0.93μm；瑞士DI3和DI3S的λ分别为0.875μm和0.885μm；瑞典AGA-116的λ= =

0.91μm。

（2）氦-氖（He-Ne）气体激光器

如图4-6所示氦-氖气体激光器，它由放电管、激励电源和谐振腔组成。放电管为内径几个毫米的水晶管，管内充满了氦与氖的混合气体，管的长度由几厘米到几十厘米不等。管越长，输出功率越高。在管的两端装有光学精密加工的布儒斯特窗。激励电源一般可用直流、交流或高频等电源的放电方式，目前用得最多的是直流电源放电方式，其优点是激光输出稳定。谐振腔由两块球面反射镜组成，其中一块反射镜是全反射的，另一块能部分透光，．其透射率2%，即反射率仍有98%。

放电管中的氦原子，在激励电源的激励下，不断跃迁到高能级上，当它和氖原子碰撞时能量不断地传递给氖原子，使氖原子不断跃迁到高能级上，而自己又回到基能级上。与此同时，处在高能级上的氖原子在光子的激发下，又受激辐射跃迁回基能级上，这时便产生出新的光子。一般说来，多数光子将通过管壁飞跃出去，或被管壁吸收，只有沿管壁轴线方向的光子将在两块反射镜之间来回反射，从而造成光的不断受辐射而放大。

布儒斯特窗是光洁度很高的水晶片，窗面法线与管轴线的夹角叫做布儒斯特角（见

图4-6)。这个角度随窗的材料而不同，在水晶窗的情况下，它大约等于56o 。当光波沿

管轴线方向入射至窗面时，光波电振动沿纸面方面的分量（图中以箭头表示）将不被反射而完全透过去；而沿垂直于纸面方向的分量（图中以黑点表示）却被反射掉了，这样剩下来的光就是沿纸面振动的直线偏振光。尔后，这种光在谐振腔内来回运行，由于受激辐射的新生光子与原有的光子具有相同的振动方向，也就是说，积累起来的光始终是沿纸面方向振动的直线偏振光，因而每当它们来回穿过布濡斯特窗面时，几乎全部透过去，而很少受到光的损失。

装有布懦斯特窗的激光器，直接输出直线偏振光，使得光电调制器组可以不要起偏振片，从而避免了一般调制器的入射光，因通过起偏振器而造成光强损失约50%的缺陷。所以装有上述激光器的测距仪的最大测程可达40～50km 。

氦氖气体激光器发射的激光，其频率、相位十分稳定，方向性极高，且为连续发射，因而它广泛地应用于激光测距、准直、通讯和全息学等方面。但氦氖气体激光器也有其缺点，即效率很低，其输出功率与输入功率之比仅千分之一。因此，激光测距仪上的激光输出功率仅约2～5mW 。

2. 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，如图4-7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E 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)(0E f n n +=；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（KD 2PO 4）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。

图4-7

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（图4-8（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