基于半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器的目標(biāo)測距、測厚的實驗研究

無配合目標(biāo)的激光測距、測厚技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，如鋼鐵廠所用的價值數(shù)百萬元的“轉(zhuǎn)爐”測厚儀，就必須采用無配合目標(biāo)的測距、測厚技術(shù)?？梢姽?a target="_blank">半導(dǎo)體激光管具有體積小、易調(diào)制、成本低等特點，其應(yīng)用日趨廣泛。本文介紹的實驗系統(tǒng)采用波長為５３２ｎｍ、功率為２０ｍＷ的半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器作光源，光強調(diào)制頻率為１５ＭＨｚ，避免了高溫紅色爐襯的背景干擾。本系統(tǒng)沒有反射器作配合目標(biāo)，接收到的光信號功率大約在ｎＷ量級；采用高頻響應(yīng)的綠敏光電倍增管作為探測器，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，實現(xiàn)了無配合目標(biāo)的測距。

１ 系統(tǒng)組成

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

１．１ 鎖相穩(wěn)頻部分

鎖相穩(wěn)頻部分提供整個系統(tǒng)的主振（ｆ１＝７．５ＭＨｚ）和本振（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，得到測量信號，為ｆｍ＝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(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時，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，ｆＲ作為參考信號，送往鑒相器。本系統(tǒng)針對爐襯測厚儀而設(shè)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(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。

１．２ 激光發(fā)射調(diào)制

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，輸出的是線偏振光。用聲光調(diào)制器對激光器發(fā)出的激光束進(jìn)行光強調(diào)制，可得到調(diào)制頻率為１５ＭＨｚ的調(diào)制光波。欲把激光的光強調(diào)制到調(diào)制頻率為１５ＭＨｚ的調(diào)制光波，要求通過聲光調(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)計一個光學(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的會聚激光束，以保證通過聲光調(diào)制器晶體的激光部分的光束直徑小于０．１ｍｍ；然后再用一個光學(xué)系統(tǒng)將調(diào)制光束在一定測試范圍內(nèi)會聚成直徑不大于５ｍｍ的光班。聲光調(diào)制原理框圖如圖３所示。

實驗中需調(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)制器活動孔徑的中心；（３）使激光束與聲光調(diào)制器的活動孔徑平行;（４）使激光束的偏振方向與聲光調(diào)制器的基面垂直；（５）保證激光束的會聚點在聲光調(diào)制器的晶體中心。按照上述步驟進(jìn)行調(diào)試，用光功率計探測從聲光調(diào)制器射出的調(diào)制激光束。為獲得滿意的調(diào)制信號波形，慢慢調(diào)整ＲＦ驅(qū)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(diào)制后的光強信號如圖４所示。

１．３ 光電檢測部分

光電檢測部分由望遠(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（見圖１）。無配合目標(biāo)的檢測是對被測物本身散射回來的非常微弱的光信號進(jìn)行檢測，探測器接收到的光功率的大小可用式（１）進(jìn)行估算。本系統(tǒng)探測器接收到的功率為：

上式中p０為點光源的功率，θ為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)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(guān)，因此具有雪崩效應(yīng)的雪崩光敏二極管也可用作探測器。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，將本振信號經(jīng)高頻放大后與光電倍增管接收到的光電信號在陰極進(jìn)行混頻，得到１．５ｋＨｚ的差頻信號，經(jīng)信號處理后送往鑒相器。

１．４ 鑒相部分

鑒相部分采用當(dāng)前測距領(lǐng)域廣泛使用的自動數(shù)字測相技術(shù)，由比較器、檢相器、計數(shù)器以及８９Ｃ５１單片機系統(tǒng)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成方波信號Ｅｍ后，才能進(jìn)入檢相器與參考信號比相；檢相器由兩片ＪＫ觸發(fā)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(shù)器；單片機系統(tǒng)控制采集相位差信號的次數(shù)Ｎ（次數(shù)Ｎ相當(dāng)于閘門開啟時間），計數(shù)器計出Ｎ次相位差填充脈沖數(shù)的總和；計算機系統(tǒng)計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。

２ 精度分析

相位式光波測距儀的測距誤差計算公式為：

式中，Ｃ０為真空光速，Ｄ為測量距離，ｎ為標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(guān)的誤差兩部分。根據(jù)爐襯測厚儀的特點，測量的距離在１０ｍ左右，且晶振的穩(wěn)定度小于５×１０－６，所以第一項的誤差在本系統(tǒng)中的影響很小，主要是第二項的測相誤差和儀器常數(shù)誤差影響著測距精度。測相誤差包括數(shù)字相位計原理誤差、照準(zhǔn)誤差、幅相誤差以及由信噪比決定的偶然誤差。在測距距離較短、激光束準(zhǔn)直性較好時，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)來穩(wěn)定差頻，差頻不穩(wěn)定引起的測相誤差可忽略，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 實驗與結(jié)論

利用本系統(tǒng)實現(xiàn)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(diào)出的光信號，并且靈敏度極高。

圖6、圖7和圖8

圖７為進(jìn)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(jié)果，Ｅｒ和Ｅｍ的相位差對應(yīng)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(jié)果是正確的。此信號控制計數(shù)器的計數(shù)，單片機采集計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果，經(jīng)處理后顯示該距離所對應(yīng)的脈沖數(shù)。

本實驗系統(tǒng)中還有一些技術(shù)問題尚未徹底解決，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(jìn)一步解決。