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

2、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

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。 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0.720.94m之間紅外光出射，而且出射的光強

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。圖4-5 圖4-6 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（100500），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

5、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0.93m；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，目前用得最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

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

7、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

8、述激光器的測距儀的最大測程可達4050km。 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25mW。 2. 調制器 采用砷化鎵（GaAs）二極管發射紅外光的紅外測距儀，發射光強直接由注入電流調制，發射一種紅外調制光，稱為直接調制，故不再需要專門的調制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式測距儀，必須采用一種調制器，其作用是將測距信號載在光波上，使發射光的振幅隨測距信號電壓而變化，成為一種調制光，如圖4-

9、7電光調制是利用電光效應控制介質折射率的外調制法，也就是利用改變外加電壓來控制介質的折射率。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；根據普克爾斯效應（線性電光效應）制作的各種普克爾斯調制器。這種調制器有調制頻帶寬，調制電壓較低和相位均勻性較好的優點。用磷酸二氘鉀（KD2PO4）晶體制成的KD*P調制器則是目前較優良的一種普克爾斯調制器。圖4-7 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，使發射的調制光經它反射后，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（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，要把它大致對準測距儀，對準方向偏離在20o以內，就能把發射出的光線經它折射后仍能按原方向反射回去，使用十分方便。圖4-8（b）用于發射、接收系統同軸的測距儀，圖4-8（c）用于發射、接收系統不同軸的測距儀。圖4-8 實際應用的棱鏡反射器如圖4-9，根據距離遠近不同，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、距離計算時必須顧及此項影響。（a） （b）圖4-9 4. 光電轉換器件 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，必須把光信號變為電信號，對此要采用光電轉換器件來完成這項工作。用于測距儀的光電轉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。和一般二極管相比，在構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（圖4-10（a）、（b）,使接收光通過透鏡射向結。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，即當有外來光通過聚光

12、透鏡會聚而照射到結時，使光能立即轉換為電能。再者，光電二極管的“光電壓”效應與人射光的波長有關，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換器件。（a） （b） （c）圖4-10 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

13、電倍增管 光電倍增管是一種極其靈敏的高增益光電轉換器件。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射極，就能產生好幾個二次電子（稱為二次發射），如此一級比一級光電子數增多，直到最后一級，電子被聚集到陽極上去。若經過一級電子增大倍，則經過級倍增最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，它的放大倍數達106107數量級。圖4-11 我國研制的激光測距儀（JCY-2、DCS-1）使用國產的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”的非線性關系，就產生了混頻作用，經過倍增放大，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），也可以進行光電混頻。圖4-12 在光電倍增管的前面，還設置了一個連續減光板，以便按距離的遠近調節進入的光強的大小，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，即在測距儀內設置一組與調制光波的主振測尺頻率（）相對應的本振頻率（），經混頻后，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，因測相電路讀數直接與頻率有關，頻率不同，電路亦應改變。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。現由圖說明混頻只改變頻率，而不改變相位關系。 設主振測尺頻率為，其角頻率發射時刻的相位為，為初相角。設本振頻率為，角頻率為，發射時刻的相位為，為其初相角。主振和本振兩個高頻信號經過混頻后，取其差頻=，得到低頻參考信號，該信號在發射時刻的相位為 （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

18、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。以上說明了經混頻后的低頻信號仍保持著原高頻信號間的相位關系。 6. 自動數字測相 隨著集成電路和數字技術的發展，為測距儀向自動化和數字化方向發展提供了條件。目前許多中、短程測距儀幾乎都采用自動數字測相技術以及距離的數字顯示。 自動數字測相的基本思想是：當參考信號和測距信號按自動數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

19、填充脈沖填入內，每一個填充脈沖代表一定距離，如1mm，1cm等，于是用計數器計算出填充脈沖的個數，通過顯示器即能直接顯示出相應的距離。圖4-14是自動數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人通道1、2，經過放大與整形后成為倒相（相位倒轉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器（見圖4-14中的CHP）的兩個輸入端和，方波的后沿（負跳變）使觸發器的端輸出高電平，相當于使觸發器開啟；方波的后沿使端輸出低電平，相當于使觸發器關閉。通過檢相觸發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

20、周期也是（見圖4-15中檢相脈沖），將作為電子門的開關控制信號，其前沿（正跳變）使門開啟，后沿（負跳變）將門關閉，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，時標脈沖就能通過電子門。而它所輸出的脈沖數（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。單次檢相的脈沖數為 （4-18）圖4-15 由于和均為儀器設計值，因此根據計數器計取的就可以計算測距信號和參考信號之間的相位差尾數。而由和測尺長度/2可以算出所測距離，因此每個時標脈沖就代表一定的距離值。例如設=15MHz，=6kHz測尺長為/2=10m，則即表示相應于10m的距離有2500個時標脈沖，因此每個時標脈沖代表4mm

21、。根據計數器所計的時標脈沖數，經過換算，就可以在顯示器上顯示出距離的數值。 為了減少測量過程中大氣抖動和電路噪音等偶然誤差的影響，以提高測距精度，要求在測相電路中取幾百次到幾千次的相位測量的平均值作為測相的結果。為此在門后面加第二個電子門（見圖4-14），門由一個方波電壓控制相位測量的持續時間。即在時間內，由門輸出的測相時標脈沖可以全部通過門（輸出為），進入計數器，在時間內的測相次數為 （4-19）由門輸出的總測相脈沖數為 （4-20）而從上式可以看出，儀器設計時恰當地選定與之值，則根據計數器測得的時標總脈沖個數就可以得到相位差，由算得距離，因此計數器所計的總脈沖數可以直接與所測距離相對應，最

22、后在顯示器中顯示出距離值。 在相位式測距儀中，還設置了內光路（見圖4-16）。設測距信號先后經內光路和外光路行程所遲后的相位差各為和，則內、外光路測距信號和在相位器中分別與參考信號的比相結果為 （4-21）圖4-16上式中，是儀器內部電子路線在傳送信號過程中產生的附加相移。隨儀器工作狀態而變化，是隨機相移。測距時，交替使用內、外光路進行測相，在交替過程的短時間內，可以認為附加相移沒有變化，于是取內、外光路比相結果的差值作為測量結果，即 （4-22）不難看出，以上結果已經消除了附加相移不穩定的影響，從而保證了測距的精度。由以上所介紹的相位式光電測距儀的工作原理可以看出，當進行一次測距時，既有精測

23、尺和粗測尺頻率的變換，又有每個測尺頻率工作時的內、外光路的轉換，此外在自動數字測相中，還有計數器清零、測相、運算銜接、顯示等步驟，以上有關的這些電路單元必須正確地按一定的程序有條不紊地進行工作。因此在儀器中還必須設置邏輯控制電路及相應的伺服機構，以實現測距的自動化。(二)  相位法測距                         &#

24、160;                        在工程中使用的紅外測距儀，都是采用相位法測距原理。它是將測量時間變成測量調制光在測線中傳播的相位差。通過測定相位差來測定距離，稱為相位法測距。    若對發光管注入交變電流，使發光管發射的光強隨著注入電流的大小發生變化，見圖514(b)，這種光稱為調制光。   &

25、#160;                                                  

26、                        設調制光的角頻率為，則調制光在測線上傳播時的相位延遲為：      則 D=                 &

27、#160;                                            (529)    由圖(515)

28、中可以看出，相位還可以用相位的整周數(2)的個數N和不足一個整周數的來表示，則                                            &#

29、160;           (530)將代入式(529)，得相位法測距基本公式：圖 515  相位法測距原理示意圖     式中為調制光的波長，                        

30、60;                               因為為不足整周期的相位移尾數，所以2，則N1為不足整周期的比例數。     將該式(531)與鋼尺量距公式(51)相比，相當于尺長( l ) ，N 為整尺段數，N相當于不足整尺段的比例數。 &

31、#160;      令  LD                                           &

32、#160;       將上式代入(531)式，則得相位法測距的基本公式為：        DLD ( NN ) N LDN LD                              (532) 比較(51)與(532)兩式，可以看出二者完全相似。因此，LD常稱為“光尺”。        在測距時要測定測線的溫度、氣壓和濕度，對所測距離進行氣象改正。問題：測距儀只能測出不足一個整周期的相位差，而不能測出整周數N 。例如，“光尺”為10m，只能測出小于10m的距離；光