测控仪器设计第6章 .ppt

图6-29 被动三角法测距原理图 图6-30 像点轴外偏移光焦点法 a) 漫反射式 b) 反射式 （2）相位法（连续波）测距 该方法的原理是正弦波调制的激光束在传播过程中利用其相位变化来 测量距离，图6-31是其原理图。 图6-31 相位法光波测距原理图 1 半导体激光器激励源 2 半导体激光器 3、5 光学系统 4 靶镜 6 光电器件 7 放大电路 该系统采用半导体激光器作为光源，在光源的驱动电路中施加正弦电 压，则光源发出的正弦规律变化的光通量 ， 待测距离 : （6－50） 被测相位值 可以表示为: （6－51） 增加光源的调制频率可以提高测距系统的分辨力。 实际测距时，整周期数无法测得，只能用鉴相等方法测得 ，这样就有一个测距分辨力问题。对式（6-50）微分可得 （3）时间法测距 若光源发出的光通量是脉冲式辐射，这时可用测量单个脉冲的时间延 迟来测距离，称为时间法。脉冲式激光测距仪和激光雷达都是时间法测 距的典型应用，如图6-32所示。 若该巨脉冲从发射到接收的时间延迟为 ，则被测距离为： 时间可用如图6-33所示的脉冲填充法求出： 从而有： （6－53） 式中， 是测距脉冲当量，即单位脉冲对应的被测距离。 由式（6-50）和式（6-53）可以看出，相位法和时间法测距都要求光源调制频率 稳定，同时 越高则有利于提高测距分辨力。 图6-32 时间法测距原理图 1—激光器 2，4—光学系统 3—目标 5—光电器件 图6-33 时间的测量原理 2．光电测距的作用距离 对于主动测距系统，作用距离是一个重要技术指标，作用距离的估 算及影响作用距离因素的分析是光电测距系统设计的重要方面。 作用距离：指对于点目标，当目标张角小于系统的瞬时视场时，光 电系统所收到的目标辐射量与目标到光电接收系统的距离有关，与该光 电系统所允许的最小接收能量相对应的距离叫做测距系统的作用距离。 对于图6-31和图6-32所示的测距系统可以用如图6-34所示的框图来 表示，它是一个自带光源的主动测距系统。 图6-34 光电测距系统 对于这种测距影响作用距离的因素有： 光源的发射功率 ，发射光学系统的透过率，光被大气的吸收衰减 与大气散射引起的大气透过率，接收光学系统的透过率，目标物面的反 射率 ，接收光学系统的口径 ，光电检测器件的灵敏度及信噪比等。 光源与目标物之间的距离 ： 大目标 主动系统： 小目标 主动系统： 从上两式可以看出，为提高测距系统的作用距离应该使用功率大、发散角小的光源；光学系统的透过率要高；还要使 尽量大。要求高的光电检测信噪比时，则 越小，系统工作可靠性越好，精度越高；系统带宽 越窄则可测距离大，一般在满足要求情况下， 越窄则越好。 3．光电测距系统设计要点 （1）三角法测距设计要点 1）在量程较大时采用非线性补偿法来减小非线性误差。 2）主动三角法测距，采用高稳定性直流电源供电或用自适应光强控制方法保持照明的稳定，用差动测量法可有效地减小光源波动的影响。 3）主动三角法测距，在设计时应考虑仪器的适应性，采用差动法和补偿法。 4）光学系统的分辨力、像差、光电接收器件的位置及其光电特性、光谱特性、频率特性都对测距精度有影响，应加以注意。 （2）相位法与时间法测距系统设计要点 1）光源是调制光源，稳定、可靠和高调制频率的光源设计十分重要。 2）高精度鉴相器或计时器设计是相位法和时间法测距的关键。 3）考虑大气的窗口效应，尽量减小大气的影响。 4）接收光学系统的口径与光电器件光敏面积之比应尽量取大些，有利于提高测距范围。 四、几何中心与几何位置光电检测系统设计 几何中心与几何位置检测系统，用于光强随空间分布的光信号检测。 基本原理：先将几何形体的轮廓被光学系统成像，其像的位置与几何 形体相对光轴（基准）的位置有关，再用一个与光轴位置有确定关系的像 分析器将像的空间位置分布转换成照度分布，获得与几何位置有关的光通 量变化，即得到位置—光通量变换特性，根据光通量的变化就可检测出几 何位置。 图6-35是确定精密线纹尺刻线定位位置的静态光电显微镜原理图。 仪器设计时取狭缝的缝宽 与刻线5的像宽 相等，狭缝高 与像高 相等，如图6-36a所示。 可以看出由刻线像与狭缝及光电器件构成的装置可以分析物（刻线）的几何位置，称之为像分析器。 图6-35 静态光电显微镜