激光平面仪的光电参数特性

　　前言

　　激光平面仪是通过光学发射望远镜和水平旋转系统,使激光光束形成一低速旋转的激光束水平面,以这个水平面为基准,使接收装置中的光电传感器把接收到的光信号转变为电信号,再经过电路处理后,作出大地平整情况的信息指示,以驱动平地机械的工作。这种仪器在国外80年代开始就广泛使用[1],随着我国节水农业的发展,激光平面仪必将在我国农村被广泛应用。

　　激光平面仪适合应用于大面积的土地平整,一般激光平面仪的作业半径在100 m以上,且测平误差小于1 cm,其相对误差已达万分之一的精度。它要求激光光源经过发射望远镜发出的激光束严格垂直水平面,并且水平旋转系统的精度和稳定度要很高,这些都可以通过机械精加工和对仪器做精密的调整获得解决,作者在文献[2]中作了详细的讨论。

　　1　激光平面仪的光学参数特性

　　1.1　光学衍射特性的局限

　　应用在激光平面仪中的理想激光束,应该是一束直径很细,且不发散的光束。但根据光学衍射原理,任何截面有限而又绝对平行的光束是不可能存在的[3],虽然由于激光发射的机理,激光源在射出激光束时,其激光束的方向绝对一致,但由于光的衍射作用,其最小发散角

　　式中　D——光束直径　λ——激光波长

　　直径为1 mm的光束,其发散角至少为

　　这里λ用的是He-Ne激光器波长6.328×10-7m。说明直径为1 mm的激光束只能维持在1.3 m左右的距离,当该光束在100 m远时,其光束的直径已达到7.7 cm。故一般采用发射望远镜(可以是开普勒式或伽俐略式望远镜)[4],使激光束扩为一个8～10 mm直径的光束,以减小其发散角。但根据衍射原理,对直径为1 cm的激光束,最多亦只能保持在130 m内不改变其光斑直径的大小,如果采用半导体红外激光器,由于其波长更长,发散角将更大,而想保持光斑直径不超过1 cm的距离将更近。

　　1.2　激光光斑能量分布特性

　　由于衍射作用,直径有限的平行光束在远场都将得到明显的衍射图像,其中央为一随距离增加而变大的亮斑,并且在亮斑周围,还有明暗交替的圆环,根据圆孔夫琅和费衍射理论,其光的复振幅分布为

　　a——激光光束出射时半径

　　θ——衍射角

　　λ——光束波长

　　J1(x)——一阶贝塞耳函数

　　光的强度分布为

　　式中　I0——光束中心的强度

　　则激光束的能量为随x而变的函数[5]

　　当x=3.831时,J1(3.831)=0,则I(3.831)=0,相当于在中央亮斑的边缘位置。并且E(3.831)E(∞)=E(3.831)4πΙ0=0.838,即中央亮斑占光束总强度的83.8%,其余部分光强分布呈圆环状,不能使接收装置中的光电传感元件形成光电信号,可以忽略不计。而在中央亮斑中,光斑分布亦极不均匀,见下表。