相位式激光测宽仪的设计和实现

　　0　引　　言

　　激光以其特有的方向性强、亮度高、单色性与相干性极好等优点,被广泛用于测距仪光源,这不仅使仪器的测程及测量精度得到提高,也减少了整个仪器的体积和重量。激光测距仪作为一种距离传感器已被广泛应用于各种不同功能的综合系统中。本文所研究的激光测宽仪,又可称为双向激光测距仪,即在激光测距仪的基础上,实现双向测量,可方便地对测量者两侧的被测目标进行测量,得出两个被测目标之间的距离。

　　1　相位式激光测距原理

　　1.1　相位测距原理

　　相位法测距通过测定调制光波经过时间t后所产生的相位移φ,从而求得光波所走过的路程D。如图1所示,A点表示调制光波的发射点,B点表示被测反射面,C表示光波经被测面反射后的接收点,A与C两点之间的距离就是光波所走过的路程,它等于待测距离D的2倍,图1中φ就代表了光波在往返路程上的相位移。

　　光波在传播过程中相位是不断变化的,用λ表示光波波长,则每传播一个波长,相位就变化2π。所以距离D、光波往返相位移φ和光波波长λ之间的关系为:

　　定义λ/2为测尺长度L,φ/2π相当于D内包括的测尺长L的数目,可形象地认为是用长度为L的尺子去测量距离D。若令φ=2πN+Δφ,式中N是正整数或0,Δφ是φ中不足2π的尾数,则式(1)可写为:

　　但相位移的整周期数N并不能确定得出,而只能测定其中不足2π的相位移尾数Δφ。在式(2)中,若被测距离D小于测尺长度L,则可以确定出D,而当D大于L时,N是不能确定的,这样D也就不能确定,引起多值解。为了解决这一问题,可在测距仪内采用几个长度不同的测尺,将它们配合使用,用较长的测尺做粗测尺,用较短的测尺做精测尺,这样既可保证测量的单值性,又可保证较高的测距精度。一个测尺L对应一个测尺频率τ,其关系为:τ=C2L

　　1.2　差频测距

　　为了保证必要的测距精度,基本测尺(精测尺)的频率必须选的很高,一般为十几MHz~几十MHz,有些超高频激光测距仪调制频率高达几百MHz,在这样高的频率下直接对发射波和接收波进行相位差测量在技术上比较困难。例如高频电路中寄生参量的影响等将产生附加相移,降低了测相的精度。由于信号频率越低,其相位变化2π需要的时间就越长,这样也就越便于相位的测量。所以中低频信号相位的测量精度远远高于高频信号的测量精度。因而,高频信号相位差的测量大都要转化为低频信号的测量,这就是所谓的“差频测相”。

　　差频测相的原理图如图2所示,主控振荡信号即图2中的主振Ed发射到外光路经过2D距离后相位变化了φs,该信号经光电接收放大后变为Es;本地振荡信号即图2中的本振EI,它分别送到混频器Ⅰ和Ⅱ,在那里分别Ed和Es进行混频,在两混频器的输出端分别得到差频参考信号Er和Em,它们的表达式分别为: