摘? 要: 介紹了一種無(wú)配合目標(biāo)測(cè)距、測(cè)厚的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)用半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器作光源、用聲光調(diào)制器(AOM)進(jìn)行調(diào)制、用光電倍增管" title="光電倍增管">光電倍增管(PMT)作探測(cè)器,可進(jìn)行nW量級(jí)高頻調(diào)制的微弱光信號(hào)檢測(cè)。

　　關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體泵浦固體激光器? 聲光調(diào)制器? 測(cè)距? 鎖相" title="鎖相">鎖相穩(wěn)頻" title="穩(wěn)頻">穩(wěn)頻? 鑒相

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　　無(wú)配合目標(biāo)的激光測(cè)距、測(cè)厚技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用,如鋼鐵廠(chǎng)所用的價(jià)值數(shù)百萬(wàn)元的“轉(zhuǎn)爐”測(cè)厚儀,就必須采用無(wú)配合目標(biāo)的測(cè)距、測(cè)厚技術(shù)?？梢?jiàn)光半導(dǎo)體激光管具有體積小、易調(diào)制、成本低等特點(diǎn),其應(yīng)用日趨廣泛。本文介紹的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為532nm、功率為20mW的半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器作光源,光強(qiáng)調(diào)制頻率為15MHz,避免了高溫紅色爐襯的背景干擾。本系統(tǒng)沒(méi)有反射器作配合目標(biāo),接收到的光信號(hào)功率大約在nW量級(jí);采用高頻響應(yīng)的綠敏光電倍增管作為探測(cè)器,并在其前方安裝了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和濾光片,提高了接收靈敏度和信噪比,實(shí)現(xiàn)了無(wú)配合目標(biāo)的測(cè)距。

1 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)共分四個(gè)部分:鎖相穩(wěn)頻部分、激光發(fā)射調(diào)制部分、光電接收檢測(cè)部分和鑒相顯示部分。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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1.1 鎖相穩(wěn)頻部分

　　鎖相穩(wěn)頻部分^[2][5]提供整個(gè)系統(tǒng)的主振(f₁=7.5MHz)和本振" title="本振">本振(f₂=15.0015MHz)。主振由在聲光調(diào)制器作用下倍頻,然后與本振進(jìn)行差頻,得到測(cè)量信號(hào),為f_m=f₂-2f₁=1.5kHz。鎖相穩(wěn)頻部分框圖如圖2所示。將穩(wěn)定度好、頻率漂移小于5×10^-6、頻率為15MHz的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器二分頻后作為主振,將15MHz的溫補(bǔ)晶振10000次分頻后,得參考信號(hào)f_R=1.5kHz。這樣,當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時(shí),有2f₁=f2-fR,本振f2送往光電倍增管,主振f1送往聲光調(diào)制器,f_R作為參考信號(hào),送往鑒相器。本系統(tǒng)針對(duì)爐襯測(cè)厚儀而設(shè)計(jì),要求的測(cè)量范圍較短,因此只需一種測(cè)尺頻率即可。鎖相技術(shù)的采用能保證本振的穩(wěn)定度達(dá)到5×10^-6,更重要的是能保證本振與主振的差頻非常穩(wěn)定,因而大大降低了鑒相誤差,提高了系統(tǒng)精度。

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1.2 激光發(fā)射調(diào)制[6～7]

　　本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體泵浦固體激光器作為激光源,它的光束直徑是1.5mm,發(fā)散角為2mrad,輸出的是線(xiàn)偏振光。用聲光調(diào)制器對(duì)激光器發(fā)出的激光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制,可得到調(diào)制頻率為15MHz的調(diào)制光波。欲把激光的光強(qiáng)調(diào)制到調(diào)制頻率為15MHz的調(diào)制光波,要求通過(guò)聲光調(diào)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(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦為發(fā)散角小于7mrad和聚焦直徑小于0.1mm的會(huì)聚激光束,以保證通過(guò)聲光調(diào)制器晶體的激光部分的光束直徑小于0.1mm;然后再用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)將調(diào)制光束在一定測(cè)試范圍內(nèi)會(huì)聚成直徑不大于5mm的光班。聲光調(diào)制原理框圖如圖3所示。

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　　實(shí)驗(yàn)中需調(diào)整聲光調(diào)制器的位置以獲得最大衍射效率。調(diào)整步驟如下:(1)旋轉(zhuǎn)聲光調(diào)制器使得激光入射角大約為22mrad(布拉格角);(2)調(diào)整聲光調(diào)制器的高度使得激光束打在聲光調(diào)制器活動(dòng)孔徑的中心;(3)使激光束與聲光調(diào)制器的活動(dòng)孔徑平行；(4)使激光束的偏振方向與聲光調(diào)制器的基面垂直;(5)保證激光束的會(huì)聚點(diǎn)在聲光調(diào)制器的晶體中心。按照上述步驟進(jìn)行調(diào)試,用光功率計(jì)探測(cè)從聲光調(diào)制器射出的調(diào)制激光束。為獲得滿(mǎn)意的調(diào)制信號(hào)波形,慢慢調(diào)整RF驅(qū)動(dòng)器的射頻功率,將射頻功率保持在衍射光強(qiáng)最大的地方,即鎖相部分輸出的模擬信號(hào)保持在某一幅值即。激光束調(diào)制后的光強(qiáng)信號(hào)如圖4所示。

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1.3 光電檢測(cè)部分

　　光電檢測(cè)部分由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光電倍增管(PMT)、高壓電源、選頻放大器、干涉濾光片構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。無(wú)配合目標(biāo)的檢測(cè)是對(duì)被測(cè)物本身散射回來(lái)的非常微弱的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),探測(cè)器接收到的光功率的大小可用式(1)進(jìn)行估算。本系統(tǒng)探測(cè)器接收到的功率為:

　　上式中，p₀為點(diǎn)光源的功率,θ為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的立體角。

　　由此可見(jiàn)，探測(cè)器接收到的光功率是極微弱的,光電倍增管是首選的探測(cè)器。由于散射回來(lái)的光能量還與被測(cè)物表面的光滑程度以及入射光束的方向有關(guān),因此具有雪崩效應(yīng)的雪崩光敏二極管也可用作探測(cè)器。本系統(tǒng)選用具有高頻響應(yīng)的綠敏光電倍增管作為探測(cè)器,并在其前端安裝了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。利用光電倍增管可以在陰極混頻的特點(diǎn),將本振信號(hào)經(jīng)高頻放大后與光電倍增管接收到的光電信號(hào)在陰極進(jìn)行混頻,得到1.5kHz的差頻信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理后送往鑒相器。

1.4 鑒相部分

　　鑒相部分采用當(dāng)前測(cè)距領(lǐng)域廣泛使用的自動(dòng)數(shù)字測(cè)相" title="測(cè)相">測(cè)相技術(shù)^[1],由比較器、檢相器、計(jì)數(shù)器以及89C51單片機(jī)系統(tǒng)等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。E_r為1.5kHz的參考方波信號(hào);Em＇為同頻率的正弦測(cè)量信號(hào),它必須由過(guò)零比較器轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)E_m后,才能進(jìn)入檢相器與參考信號(hào)比相;檢相器由兩片JK觸發(fā)器組成,檢相器檢出參考信號(hào)Er與測(cè)量信號(hào)Em的相位差,送往計(jì)數(shù)器;單片機(jī)系統(tǒng)控制采集相位差信號(hào)的次數(shù)N(次數(shù)N相當(dāng)于閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間),計(jì)數(shù)器計(jì)出N次相位差填充脈沖數(shù)的總和;計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出單次相位差的平均填充脈沖數(shù),隨后折算成距離并顯示結(jié)果。

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2 精度分析

　　相位式光波測(cè)距儀的測(cè)距誤差計(jì)算公式^[1]為:

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　　式中,C₀為真空光速，D為測(cè)量距離，n為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下大氣的群折射率，ΔΦ為測(cè)相誤差，ΔK為儀器的常數(shù)誤差,f_s為測(cè)尺頻率。從上式可知,測(cè)距誤差分為與距離成比例的誤差和與距離無(wú)關(guān)的誤差兩部分。與距離成比例的誤差在ΔD中的影響請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]～[3]。根據(jù)爐襯測(cè)厚儀的特點(diǎn),測(cè)量的距離在10m左右,且晶振的穩(wěn)定度小于5×10^-6,所以第一項(xiàng)的誤差在本系統(tǒng)中的影響很小,主要是第二項(xiàng)的測(cè)相誤差和儀器常數(shù)誤差影響著測(cè)距精度。測(cè)相誤差包括數(shù)字相位計(jì)原理誤差、照準(zhǔn)誤差、幅相誤差以及由信噪比決定的偶然誤差。在測(cè)距距離較短、激光束準(zhǔn)直性較好時(shí),可認(rèn)為光斑處的波面相位相同,照準(zhǔn)誤差可忽略。系統(tǒng)中采用了鎖相頻率合成技術(shù)來(lái)穩(wěn)定差頻,差頻不穩(wěn)定引起的測(cè)相誤差可忽略,因此系統(tǒng)中應(yīng)主要考慮幅相誤差、儀器常數(shù)誤差與周期誤差的影響。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　利用本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了5～10m的黑色物體的漫反射光的檢測(cè),從放大器后檢測(cè)到的信號(hào)波形如圖6所示。其頻率為1.5kHz,幅度為5V左右,可見(jiàn)這就是解調(diào)出的光信號(hào),并且靈敏度極高。

　　圖7為進(jìn)入檢相器的Er和Em信號(hào)的示波器雙蹤顯示,上面的方波是參考信號(hào)E_r,下面的是測(cè)量信號(hào)E_m。圖8為檢相器的檢相結(jié)果,E_r和E_m的相位差對(duì)應(yīng)脈沖寬度,相位差越大,脈沖的寬度越寬。對(duì)比圖6、圖7可見(jiàn),檢相器的檢相結(jié)果是正確的。此信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù),單片機(jī)采集計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果,經(jīng)處理后顯示該距離所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)。

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　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還有一些技術(shù)問(wèn)題尚未徹底解決,例如消除光電倍增管的高頻感應(yīng)、接收光斑的落點(diǎn)位置及接收光強(qiáng)大小的控制等問(wèn)題,這些均影響測(cè)量的精度,有待在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步解決。

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參考文獻(xiàn)

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2 曾毓敏，陳家壁.數(shù)字測(cè)相誤差的幾點(diǎn)討論.南京師大學(xué)報(bào),1997

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4 黃國(guó)標(biāo)，張渝楠.激光技術(shù).湖南:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1979

5 聲光調(diào)制器應(yīng)用.英國(guó): Gooch&Housego公司手冊(cè),1995

6 光電倍增管的基礎(chǔ)及應(yīng)用.日本?押HAMAMATSU公司手冊(cè)，1995