摘? 要: 介紹了一種無配合目標測距、測厚的實驗系統。該系統用半導體泵浦固體綠激光器作光源、用聲光調制器(AOM)進行調制、用光電倍增管" title="光電倍增管">光電倍增管(PMT)作探測器,可進行nW量級高頻調制的微弱光信號檢測。
關鍵詞: 半導體泵浦固體激光器? 聲光調制器? 測距? 鎖相" title="鎖相">鎖相穩頻" title="穩頻">穩頻? 鑒相
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無配合目標的激光測距、測厚技術在工業生產中有著廣泛的應用,如鋼鐵廠所用的價值數百萬元的“轉爐”測厚儀,就必須采用無配合目標的測距、測厚技術。可見光半導體激光管具有體積小、易調制、成本低等特點,其應用日趨廣泛。本文介紹的實驗系統采用波長為532nm、功率為20mW的半導體泵浦固體綠激光器作光源,光強調制頻率為15MHz,避免了高溫紅色爐襯的背景干擾。本系統沒有反射器作配合目標,接收到的光信號功率大約在nW量級;采用高頻響應的綠敏光電倍增管作為探測器,并在其前方安裝了望遠鏡系統和濾光片,提高了接收靈敏度和信噪比,實現了無配合目標的測距。
1 系統組成
本系統共分四個部分:鎖相穩頻部分、激光發射調制部分、光電接收檢測部分和鑒相顯示部分。其系統框圖如圖1所示。
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1.1 鎖相穩頻部分
鎖相穩頻部分[2][5]提供整個系統的主振(f1=7.5MHz)和本振" title="本振">本振(f2=15.0015MHz)。主振由在聲光調制器作用下倍頻,然后與本振進行差頻,得到測量信號,為fm=f2-2f1=1.5kHz。鎖相穩頻部分框圖如圖2所示。將穩定度好、頻率漂移小于5×10-6、頻率為15MHz的溫度補償晶體振蕩器二分頻后作為主振,將15MHz的溫補晶振10000次分頻后,得參考信號fR=1.5kHz。這樣,當環路穩定時,有2f1=f2-fR,本振f2送往光電倍增管,主振f1送往聲光調制器,fR作為參考信號,送往鑒相器。本系統針對爐襯測厚儀而設計,要求的測量范圍較短,因此只需一種測尺頻率即可。鎖相技術的采用能保證本振的穩定度達到5×10-6,更重要的是能保證本振與主振的差頻非常穩定,因而大大降低了鑒相誤差,提高了系統精度。
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1.2 激光發射調制[6～7]
本系統采用半導體泵浦固體激光器作為激光源,它的光束直徑是1.5mm,發散角為2mrad,輸出的是線偏振光。用聲光調制器對激光器發出的激光束進行光強調制,可得到調制頻率為15MHz的調制光波。欲把激光的光強調制到調制頻率為15MHz的調制光波,要求通過聲光調制器晶體的激光束直徑小于0.1mm。由于固體激光器光源的光束直徑較大,必須設計一個光學系統將激光束聚焦為發散角小于7mrad和聚焦直徑小于0.1mm的會聚激光束,以保證通過聲光調制器晶體的激光部分的光束直徑小于0.1mm;然后再用一個光學系統將調制光束在一定測試范圍內會聚成直徑不大于5mm的光班。聲光調制原理框圖如圖3所示。
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實驗中需調整聲光調制器的位置以獲得最大衍射效率。調整步驟如下:(1)旋轉聲光調制器使得激光入射角大約為22mrad(布拉格角);(2)調整聲光調制器的高度使得激光束打在聲光調制器活動孔徑的中心;(3)使激光束與聲光調制器的活動孔徑平行；(4)使激光束的偏振方向與聲光調制器的基面垂直;(5)保證激光束的會聚點在聲光調制器的晶體中心。按照上述步驟進行調試,用光功率計探測從聲光調制器射出的調制激光束。為獲得滿意的調制信號波形,慢慢調整RF驅動器的射頻功率,將射頻功率保持在衍射光強最大的地方,即鎖相部分輸出的模擬信號保持在某一幅值即。激光束調制后的光強信號如圖4所示。
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1.3 光電檢測部分
光電檢測部分由望遠鏡系統、光電倍增管(PMT)、高壓電源、選頻放大器、干涉濾光片構成(見圖1)。無配合目標的檢測是對被測物本身散射回來的非常微弱的光信號進行檢測,探測器接收到的光功率的大小可用式(1)進行估算。本系統探測器接收到的功率為:
上式中，p0為點光源的功率,θ為望遠鏡系統接收的立體角。
由此可見，探測器接收到的光功率是極微弱的,光電倍增管是首選的探測器。由于散射回來的光能量還與被測物表面的光滑程度以及入射光束的方向有關,因此具有雪崩效應的雪崩光敏二極管也可用作探測器。本系統選用具有高頻響應的綠敏光電倍增管作為探測器,并在其前端安裝了望遠鏡系統。利用光電倍增管可以在陰極混頻的特點,將本振信號經高頻放大后與光電倍增管接收到的光電信號在陰極進行混頻,得到1.5kHz的差頻信號,經信號處理后送往鑒相器。
1.4 鑒相部分
鑒相部分采用當前測距領域廣泛使用的自動數字測相" title="測相">測相技術[1],由比較器、檢相器、計數器以及89C51單片機系統等構成,其結構框圖如圖5所示。Er為1.5kHz的參考方波信號;Em＇為同頻率的正弦測量信號,它必須由過零比較器轉換成方波信號Em后,才能進入檢相器與參考信號比相;檢相器由兩片JK觸發器組成,檢相器檢出參考信號Er與測量信號Em的相位差,送往計數器;單片機系統控制采集相位差信號的次數N(次數N相當于閘門開啟時間),計數器計出N次相位差填充脈沖數的總和;計算機系統計算出單次相位差的平均填充脈沖數,隨后折算成距離并顯示結果。
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2 精度分析
相位式光波測距儀的測距誤差計算公式[1]為:
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式中,C0為真空光速，D為測量距離，n為標準大氣條件下大氣的群折射率，ΔΦ為測相誤差，ΔK為儀器的常數誤差,fs為測尺頻率。從上式可知,測距誤差分為與距離成比例的誤差和與距離無關的誤差兩部分。與距離成比例的誤差在ΔD中的影響請見參考文獻[1]～[3]。根據爐襯測厚儀的特點,測量的距離在10m左右,且晶振的穩定度小于5×10-6,所以第一項的誤差在本系統中的影響很小,主要是第二項的測相誤差和儀器常數誤差影響著測距精度。測相誤差包括數字相位計原理誤差、照準誤差、幅相誤差以及由信噪比決定的偶然誤差。在測距距離較短、激光束準直性較好時,可認為光斑處的波面相位相同,照準誤差可忽略。系統中采用了鎖相頻率合成技術來穩定差頻,差頻不穩定引起的測相誤差可忽略,因此系統中應主要考慮幅相誤差、儀器常數誤差與周期誤差的影響。
3 實驗與結論
利用本系統實現了5～10m的黑色物體的漫反射光的檢測,從放大器后檢測到的信號波形如圖6所示。其頻率為1.5kHz,幅度為5V左右,可見這就是解調出的光信號,并且靈敏度極高。
圖7為進入檢相器的Er和Em信號的示波器雙蹤顯示,上面的方波是參考信號Er,下面的是測量信號Em。圖8為檢相器的檢相結果,Er和Em的相位差對應脈沖寬度,相位差越大,脈沖的寬度越寬。對比圖6、圖7可見,檢相器的檢相結果是正確的。此信號控制計數器的計數,單片機采集計數器的計數結果,經處理后顯示該距離所對應的脈沖數。
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本實驗系統中還有一些技術問題尚未徹底解決,例如消除光電倍增管的高頻感應、接收光斑的落點位置及接收光強大小的控制等問題,這些均影響測量的精度,有待在實驗中進一步解決。
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參考文獻
1 高林奎，宋 瑋.激光測距.北京:人民鐵道出版社,1979
2 曾毓敏，陳家壁.數字測相誤差的幾點討論.南京師大學報,1997
3 萬心平，張厥盛.集成鎖相環路.北京:人民郵電出版社,1993
4 黃國標，張渝楠.激光技術.湖南:湖南科學技術出版社,1979
5 聲光調制器應用.英國: Gooch&Housego公司手冊,1995
6 光電倍增管的基礎及應用.日本?押HAMAMATSU公司手冊，1995