相位法测距原理及应用

相位式测距主要由调制器、接收器、相位计、计数显示器等组成。其工作原理为:由光源灯［一般采用砷化稼(Ga As)半导体发光二极管作光源发射器］发出的光通过调制器后,成为光强随高频信号呈正弦变化的调制光射向测线另一端的反射镜,经反射镜反射后被接收器接收,再由相位计通过比对得到其相位的位移量,然后根据位移量所对应的距离值由计数显示器显示出来。

如图4-11所示,设测距仪在A点发出的连续调制光,被B点反射后,又回到A点所经过的时间为t。如果将光波在测线上按往、返距离展开,显然接收时的相位移比发射时相位移延迟了一个φ角,设调制光波的频率为f,则

φ=2πft

即

图4-11　相位法测距

把式(4-11)代入式(4-10)得

因为

所以(www.xing528.com)

其中相位移φ是以2π为周期变化的。

设从发射点至接收点之间的调制波整周期数为N,不足一个整周期的比例数为ΔN,由图4-11可知

φ=N·2π+ΔN·2π

代入式(4-12),得

式(4-13)就是相位法测距的基本公式。它与钢尺量距的情况相似,λ/2相当于整尺长,称为光尺或测尺,N与ΔN相当于整尺段数和不足一整尺段的余长。λ/2为已知,只要测定N和ΔN,即可求得距离D。

由于测相的相位计只能分辩0～2π的相位变化,所以只能测量出不足2π的相位尾数Δφ,无法测定相位的整周期数N。因此,需在测距仪中设置两个调制频率测同一段距离。例如用调制光的频率为15 MHz,光尺长度为10m的调制光作为精测尺,用调制光的频率为150k Hz,光尺长度为1000m的调制光作为粗测尺。前者测量出小于10m的毫米位、厘米位、分米位和米位距离；后者测量出十米位和百米位距离。两者测得的距离衔接起来,便得到完整的距离。衔接工作由仪器内部的逻辑电路自动完成,并一次显示测距结果。对于测程较长的中、远程光电测距仪,一般采用三个以上的调制频率进行测量。

在式(4-10)中,c为光在大气中的传播速度,若令c0为光在真空中的传播速度,则c=c0/n,其中n为大气折光率(n≥1),它是波长λ、大气温度t和气压p的函数,即

对一台红外测距仪来说,λ是一常数,因此大气温度t和气压p是影响光速的主要因素,所以在作业中,应实时测定现场的大气温度和气压,对所测距离加以改正。