激光在精密测量中的应用 - 图文

N?N1?N2 （6-29）

?????1???2 （6-30）

则（6-27）式可改写为

????d?Ls?N?? （6-31）

2???上式中Ls可以认定为一个新的测尺长度，其相应的测尺频率可由（6-24）式给出。将（6-28）式代入(6-24)式，并考虑到?s1?cc和?s2?，则有 2Ls12Ls2?s?cLs2?Ls1???s1??s2 （6-32） 2Ls1?Ls2不难看出，（6-31）式中的??正是用?s1和?s2的差额?s??s1??s2的光波测量距离d时所得到的相位尾数，由（6-30）知??正好等于用频率为?s1和?s2的光波测量同一距离得到位相尾数之差??1???2。例如，用?s1?15MHz和?s2?13.5MHz的调制光波测量同一距离得到位相尾数差与用频差?s??s1??s2?1.5MHz的调制光波测量该距离所得的位相尾数值相同。间接频率方式正是基于这一原理进行测距的。它通过测量?s1和?s2的位相尾数，取其差值来间接测定相应的差频频率?s的位相尾数。通常把频率?s1和?s2称为间接测尺频率，而把差频频率?s称为相当测尺频率。表6-2列出了和表6-1测程和精度都相同的一组间接测尺频率以及相当测尺频率和对应之测尺长度。

表6-2

fS1 fS2 fS3 fS4 fS5

由表6-2可以看出，这种方式各间接测尺频率值非常接近，最大频差仅为1.5MHZ，五个间接测尺频率都集中在较窄的频率范围内，故间接测尺频率又可称为集中测尺频率。采用

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间接测尺频率 F=15MHz F=0.9f F=0.99f F=0.999f F=0.9999f 相当测尺频率fS =f- fi 15MHz 1.5MHz 150kHz 15kHz 1.5kHz 测尺长度Ls 10m 100m 1km 10km 100km 精度 1cm 10cm 1m 10m 100m 集中测尺频率不仅使放大器和调制器能够获得相接近的增益和位相稳定性，而且各频率对应的石英晶体也可统一。 3. 相位差的测量

最后再简单介绍一下相位测距仪中相位差的测量。众所周知，信号频率越低，其相位变化需要的时间就越长，这样也就越便于相位的测量。所以中、低频率的相位测量精度总是远远高于高频信号的测相精度。因而高频信号相位差的测量大都采用差频的方法。把高频信号转化为低频信号（即“同步解调”），再进行相位差测量就是所谓的“差频测相”。

差频测相原理如图（6-20）所示中的电路部分。设主控振荡电信号（图中的“主振”）为

ed?Acos?2??dt??0?

该信号发射到外光路经过一定距离的传播后相位变化了?m，该信号被光电接收放大后变为

ems?Bcos?2??dt??0??m?

设本地振荡信号（图中的“本振”）为

el?Ccos?2??lt???

输送到混频器Ⅰ和Ⅱ，在那里分别与ed和ems混频，在混频器的输出端分别得到差频参考信号

?d??l?t???0???? er?Dcos?2??和测距信号

em?Ecos?2???d??l?t???0?????m?

由上两式知，差频后得到的两个低频信号er和em的相位差仍然保留原高频信号ed和

ems的相位差。通常选取测相的低频频率为几千赫到几十千赫。经过差频后的低频信号输入

相位差计进行比较就可以检测出相位差。

最后还需要说明，激光测距仪尽管有许多优点，但是它对气候的依赖关系很强。在晴朗的天气下可测距离较大，而在雾天或阴雨天，可测距离就大大缩短，甚至根本无法进行测量。这是激光测距仪的最大缺点（当然对一般的光电测距仪来说，此缺点更为严重），所以激光测距仪并不能完全取代其他的测距仪。

在激光测距仪的基础上，可以进一步制成激光雷达。它不仅能够测出目标的距离，还能

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测出目标的方位、运动速度和加速度等，以便对目标进行跟踪。与无线雷达相比，激光雷达最主要的优点是抗干扰性强，保密性能好，而且装置轻便、消耗功率小、作用距离大、测量精度高。同样，激光雷达也受气候条件的限制，且由于光束的发散角窄小，不便于进行大面积的搜索。所以激光雷达也不能完全代替无线电雷达，它们可以互相配合组成多波段、抗干扰的雷达系统。

6.4 激光准直及多自由度测量

激光具有极好的方向性，一个经过准直的连续输出的激光光束，可以认为是一条粗细几乎不变的直线。因此，可以用激光光束作为空间基准线。这样的激光准直仪能够测量平值度、平面度、平行度、垂直度，也可以作三维空间的测量基准。由于激光准直仪和平行光管、经纬仪等一般的准直仪相比较，具有工作距离长、测量精度高、便于自动控制、操作方便等优点，所以广泛的应用于开凿隧道、铺设管道、盖高层建筑、造桥修路、开矿以及大型设备的安装定位等方面。

激光还有极好的单色性，因此可利用衍射原理产生便于对准的衍射光斑(如十字亮线)来进一步提高激光准直仪的对准精度，制作激光衍射准直仪[1]。

6.4.1激光准直仪

1. 激光准直仪的原理和结构

激光准直仪一般都用具有连续输出的氦氖激光器，并且通常使用的是基横膜输出。激光束横截面上的光强分布是高斯分布，光束的能量大部分集中在有效半径为ωz0的截面内的。激光光束中心上光强最大，其分布中心的连线可以构成一条理想的准直基准线。由于衍射效应，光束略有发散，光斑半径ωz0也随着传播距离的增加而增加，但其分布中心的连线总是直线，而且其远场发散角2θ（参阅图(3-8) 和式(3-40)）可表示为

2??2???0

2??z0式中λ为激光波长， ω0为光束腰部的截面半径。当????2?0远场发散角表示

?????1时，光斑半径ωz0可用??z0???z0

例如，对于ω0=0.4mm的激光光束来说，相应的??0.5?10rad，在距离束腰为z0=50m的截面上，ωz0只有大约2.5厘米。如果采用望远镜系统来压缩光束的发散角，还可更进一

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?3步的缩小光束的有效截面半径。

简单的激光准直仪可以直接用目测来对准。为了便于控制和提高对准精度，一般的激光准直仪都采用光电探测器来对准，因此准直仪的基本组成有如下几个部分（图6-21）：氦氖激光器；发射光学系统；光电目标靶；指示及控制系统。指示及控制系统可以根据光电目标靶输出的电信号，指示目标靶的对准情况，并自动控制目标靶的对准。

图6-21 激光准直仪方框图

控 制 机 械 指示器 He-Ne激光器 发射光学系统 光电目标靶 被控制对准的部分 运算器 2. 发射光学系统

激光准值仪的发射光学系统是一个倒置的望远镜，其结构如图（6-22）所示，由目镜L1，物镜L2和光阑A组成。假设L1和L2的焦距分别是f1和f2(f2>f1)，则该望远镜对普通光束的发散角压缩比为M?f2。如果2θ1,2θ2分别为高斯光束入射和出射该望远系统的光f1束发散角的话，令该望远系统对高斯光束的发散角压缩比为M'?2?1，则有 2?2M'?M? ?0上式中ω0是入射光束的束腰半径, ω是入射激光束在目镜L1上的镜面光斑半径。由于ω总是大于ω0的，所以M’总是大于M。

A θ1 L2 θ2 f1 f2 图6-22 激光准直仪光学系统 1