相位式光电测距仪的信号源系统设计

　　1　引言

　　光电测距仪是现代各类测绘、工程测量和军事测量中重要的测量仪器,应用领域非常广泛。光电测距仪在国外几个发达国家中发展很快,技术较为先进,而在国内其技术较为陈旧落后。目前精密的中短程光电测距仪其测距方法基本上都采用差频相位法测距〔1,2〕。相位法测距是将一调制信号对发射光波的光强进行调制,利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差,间接求得待测距离的。所谓差频相位法,就是用本振信号与调制信号相混频得到差频低频信号后,再对差频信号进行相位检测。对于相位式光电测距系统而言,系统信号源的频率大小、频率组合和频率稳定性直接决定着测距系统的测程、测距精度和测量稳定性。理想的信号源应该是用简单的线路产生系统所必需的、稳定而可靠的信号组合。本文介绍一个新颖的测距系统信号源,该信号源适合于中短程相位式光电测距系统,它不但具有电路简单、信号频率稳定性很高等特点,而且在不增加电路复杂性的情况下取得3个测距频率,既满足精、粗测量间的可靠衔接,又可有效地扩大仪器测程。

　　2　系统信号源的设计

　　一个测距仪,对信号源的要求一是频率要稳定,二是频率组合要简单合理。中短程相位式光电测距系统兼顾到测程与测距精度的要求,通常采用分散的直接测尺频率的双频测距方法。这种方法选用高频和中频两个调制信号,仪器具有两把分散的测尺。其高频用于精测,保证测距精度,对应半波长称为精测测尺长度;中频用于粗测,保证测距量程,对应半波长称为粗测测尺长度。

　　精、粗测量结果再通过有效的精、粗测量衔接方法衔接为正确的测量结果。在常用的中短程相位式双频光电测距仪中,精、粗测尺大多这样选取:取精测测尺约10m(对应调制频率约15MHz)左右,精测测尺决定测距精度,按一般数字式相位测量分辨率为1/10000左右来算,仪器测量分辨率为1mm左右,测量精度约为毫米量级;考虑到精粗衔接的可靠性和测程的需要,粗测测尺一般取精测测尺的100倍左右,即取粗测测尺约1000m(对应调制频率约150kHz)左右,这样仪器直接对应的测程约1km左右。但在实际工程测量中,经常需要测量1km以上的距离。对测距仪来说,解决这个问题的最直接的方法就是加长粗测测尺(即降低粗测调制信号频率),但这样就无法保证精粗衔接的可靠性,甚至无法进行衔接;另一个简单方法就是再增加一个对应测尺更长的测量调制频率,使仪器成为三把分散测尺的测距仪,但这将会使仪器系统变得较为复杂,不利于仪器的小型化和低成本。

　　对于中短程相位式光电测距仪来说,应采用较为简单合理的方法来解决这个问题。事实上,利用下述测距系统信号源可以较为简单而合理地解决测程扩大的问题。