CN1138969C - 用高频光强调制绿激光微弱信号测距测厚的系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用相位测距法原理设计的用高频光强调制绿激光微弱信号测距测厚系统，由锁相稳频、激光发射与调制、光电接收检测，低频选频放大与整形和鉴相显示五部分组成。该系统采用绿激光做光源，与红激光相比，在炉衬测厚仪中，可大大提高信噪比和测量灵敏度，并可采用内调制绿激光源，做到体积小、成本低、效率高，结构简单，使用方便安全，前景非常好。
Description
技术领域
本发明涉及到一种用高频光强调制绿激光微弱信号测距测厚系统，属于光电检测技术领域。
背景技术
微弱光信号检测技术是一门高新技术，可为现代科学技术和工农业生产提供强有力的测试手段。利用激光作无配合目标的长度精密测量是该技术的一个重要应用方面。如炼钢车间的炉(包)衬测厚仪是在1500℃以上高温环境，并有很强背景噪声的情况下，通过对从炉壁漫反射回来的高频光强调制的微弱光信号的检测，来测试炉衬的厚度，进而可绘制炼钢炉内壁的轮廓图代替目测法，以便及时修补，延长炼钢炉的使用寿命，可取得很高的经济效益。
这种测厚仪是采用相位法测距的基本原理，把激光经光强调制器变成调制波，经发射器发出调制光，反射回来的光由接受器接受，得到测距信号，经放大送到相位计，与发射时刻送到相位计的起始信号(基准或参考信号)进行相位比较，得到发射时刻和接受时刻调制光波的相位差，然后通过计算机显示出相应的距离值。现在国际上仅瑞典Geotronics公司独家生产炉(包)衬测厚仪，是用波长为632.8nm的He-Ne激光做光源(据IMS 1700 TURBO测试仪及IMS 1200TURBO测试仪资料)，它与被测对象——炉(包)衬发出的红光波长相近，测量时有很强的背景噪声，信噪比低，此外He-Ne气体激光管寿命短，易损坏，外调制成本高。瑞士Leica公司生产的″Hand-held laser meter″是1994年世界100项重大发明之一，这种手提式激光测距仪使用的是波长为650nm的半导体激光器(据″Hand-held laser meter″资料)，若用这种测距仪做炉(包)衬测厚仪，同样信噪比低。上述两种仪器均用红光做光源，其波长长，光子能量较小，因此量子效应低，特别在无配合目标的测距测厚中，由于探测器接受的光信号非常微弱，功率在nW量级，提高其接受灵敏度成了一个很重要的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对使用红激光的缺陷，特地提供了一种用高频光强调制绿激光微弱信号测距测厚系统。使用半导体绿激光管，因其体积小、价格便宜、易调制、寿命长、结构紧凑，可大大降低仪器的成本，也可提高测量灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是使用绿激光做光源，在炉衬测厚仪中与很强的炉衬红光背景噪声相比波长相差较大，可大大提高信噪比。由于绿光波长短，光子能量大，量子效应高，也可提高测量灵敏度。具体来说，本发明是采用相位法测距的基本原理，研制了一套用高频光强调制绿激光微弱信号检测实验系统。系统共分五个部分：锁相稳频，激光发射与调制，光电接受检测，低频选频放大与整形，鉴相显示。系统以锁相稳频提供主振信号、本振信号以及主、本振的差频信号，主振为温补晶振，光电接收检测部分的探测器采用光电倍增管接收被测物漫反射回来的微弱光信号，并在光电倍增管的阴极与温补晶振进行混频，以此实现本发明的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例进一步描述本发明的结构与原理。
附图是该高频光强调制绿激光微弱信号检测实验系统框图。其中1是锁相稳频部分，2是放大器，3是驱动器，4是固体激光器，5是聚焦系统，6是声光调制器，7是准直系统，8是放大器，9是光电倍增管，10是望远镜系统，11是高压电源，12是低频选频放大器，13是鉴相器，14是显示，15是被测物体。
具体实施方式
(1)锁相稳频
锁相稳频部分提供整个系统所需的主振信号(频率为f1)、本振信号(频率为f2)，以及主、本振的差频信号fp。采用稳定度小于5ppm，频率为15MHz的温补晶振作为主振，则经10000次分频后，得到约为1.500KHz。用主振的输出信号频率f1与压控信号频率f2，经混频后产生和频信号f1+f2，与差频信号f1-f1，用低通滤波器滤除和频，取出差频信号f1-f2或f2-f1加到鉴相器的输出端。当环路稳定时
f1-f2＝fp或f2-f1＝fp
故压控振荡器的输出频率为：
f2＝f1-fp或f2＝f1+fp
本系统调整f2＝f1+fp＝15.0015MHz。主振f1通过高频放大器放大后送往光电倍增管。本振f2送往声光调制器的驱动器来调制激光，差频fp作为参考信号送往鉴相器。我们采用锁相稳频技术，在本系统中体现以下优点：(1)保证所有信号的稳定。(2)在温补晶振频率有小的漂移情况下，低频参考信号与低频测距信号完全同频。差频的稳定度能达到10-4，能够满足精度的要求。
锁相部分的混频器采用MC1496，MC1496工作温度范围是0℃--70℃，具有极好的载波抑制能力，高的共模抑制比，平衡输入、输出，方便的增益调整与信号处理等优点。
(2)激光发射与调制
a.LD泵浦的固体激光器
所用的半导体泵浦固体绿激光器(Diode Pumped Nd：YVO4 Green Lasers)，由中科院福州科腾光电技术有限公司生产，型号是CDPL-1020，波长为532nm，输出功率为20mW，光斑直径为0.068mm，发散角为10mrad，输出的激光为线偏振光。此种小型绿激光器是LD泵浦的全固化激光器。
b.声光调制
由于国内外对半导体泵浦固体绿激光进行内调制的最高频率才1MHz，远远达不到我们所需的调制频率，因此我们只能用外调制的方法来进行调制。电光调制器一个很大的缺点是调制电压非常高，大约为几百伏。而声光调制器的调制电压才5伏左右，所以我们选用声光调制器来对激光进行外调制。
我们所用的声光调制器是英国Gooch&Housego公司的M350-2C，相应的驱动器是该公司的A310，A310的最高载波频率为350MHz。欲把激光的光强调制到15MHz，通过声光调制器晶体中的激光束直径小于0.1mm。由于固体激光器发散角比He-Ne激光器大，为达到这个要求，我们自行设计了一个光学系统。将光斑直径为0.068mm且发散角为10mrad的发散激光束聚焦为发散角小于7mrad聚焦直径小于0.1mm的会聚激光束，保证通过声光调制器(M350-2C)晶体激发部分的光束直径小于0.1mm，然后再用一个光学系统将通过声光调制器的调制光束在4--6米的测试范围内会聚成直径不大于5mm的光斑。该光学系统分两部分，第一部分光学组合系统(焦距为135mm)将固体激光器发出的激光束初步会聚；第二部分由一焦距为500mm的长焦距透镜和焦距为32mm的短焦距透镜相距310mm组成。
(3)光电接收检测
光电接收检测部分由望远镜系统、光电倍增管、高压电源、滤波电路，选频放大器、屏蔽罩等构成。
我们使用的光电倍增管是日本HAMAMATSU公司生产的R980，它对532nm的绿激光具有较好的光谱响应，适合加1250V高压，平均阳极电流是0.1mA，阴极灵敏度为100μA/1m，典型上升时间为2.8ns。
分压电路提供倍增管合适的偏置电压和各倍增极的加速电压，滤波电路给倍增管提供合适的负载，并且滤去高频分量。利用光电倍增管阴极与聚焦极组成的二极管之非线性特性进行混频。
15.0015MHz的调制光波经无配合目标漫反射到光电倍增管的阴极，光电阴检将光信号转换为电信号。另一路15MHz信号通过电容也反馈给光阴极。两路高频信号在光阴极与聚焦极之间进行混频，产生1.5KHz的低频信号，它经过聚焦极以后的10个倍增极放大，最后电子被阳极收集，经负载电阻及滤波电路滤去高频分量，馈给前置低频选频放大器。
(4)低频选频放大与整形
经混频所得的信号，需要通过选频网络，将有用的低频测距信号选出，经放大后通过整形电路将其整形为测距方波。
利用选频网络选频放大是抑制系统噪声，提高系统检测灵敏度最简单而行之有效的一种方法。选频网络最常用的就是模拟滤波器。滤波器通常有无源滤波器和有源滤波器两类。无源滤波器由无源器件组成，其增益A≤1；而有源滤波器由于是有源器件，因而其增益A＞1，即它在滤波的同时，可以将信号放大。
本系统采用运算放大器(LM324)作为有源器件，构成多路反馈式二阶带通有源滤波器，并运用两级滤波增强滤波效果，同时满足系统增益要求。LM324的输入电流、输入偏置电流和调零电压都非常低，而且具很宽的输出电压，可以从0V到V+-1.5V。各级滤波器参数设计为：中心频率＝1.500KHz，品质因数Q＝40，中心频率增益＝10，由此可选出KHz频率的差频测量信号。
经选频放大后的信号，需要通过整形电路整形成方波。本系统采用LM393电压比较器进行波形整形，再送入鉴相器鉴相。
(5)鉴相显示
鉴相方法采用当前广泛使用的自动数字测相技术，它不仅精度高、测量速度快，直观、准确，且便于数据记录和处理自动化，由比较器、检相器、计数器以及89C51单片机系统构成。
目前瑞典Gectrcnics公司独家生产的He-Ne激光炉衬测厚仪在我国只有几家大型钢厂各有1--2台，总数不超过十台，大多数中小钢厂及全部的玻璃厂均没有，仍然采用传统的人工目测方法。按瑞典公司的价格每台约40万美元，一年维护费1.4万美元，寿命只有7--8年。若以本专利发明为核心，研制一种新型绿激光炉衬测厚仪，可大大提高信噪比，测量灵敏度和使用寿命。若用内调制技术取代瑞典公司的He-Ne激光外调制技术，特别是使用半导体绿激光管，则于其体积小、价格便宜、易调制、寿命长、结构紧凑，可大大降低仪器的成本，在国际上会有很强的竞争能力和广阔的市场前景，有无法估量的经济效益。用现代化仪器自动测量代替人工目测，可大大节约耐火材料，保证安全生产，避免重大的人身和设备事故，从这方面看也有很高的经济和社会效益。
由于目前可用于制造仪器的绿激光器只有半导体泵浦的固体绿激光器，它的成本高，加之其内调制技术还达不到本发明所要求的10MHz以上，因此，本发明只能采用外调制技术，因此，采用本发明制作的仪器系统较为复杂，成本较高。
随着激光技术的发展，本系统可在两方面进一步改进：
A.用内调制的方法将上述半导体泵浦的固体绿激光光强变化调制到10MHz以上，所谓“内调制”指将锁相部分提供的本振信号经放大隔离后，送至半导体红外管的驱动电路，使倍频后的绿激光直接发出高频光强调制的光信号，无需使用声光调制器。
B.可用于内调制的半导体绿激光管，目前寿命还太短，预计不久将会有长寿命的半导体激光器面世。那时可选用直接发绿光的半导体激光管(不用晶体倍频)，采用内调制的方法，使半导体绿激光器直接发出高频光强调制的光信号。它可以做到体积小、成本低、效率高、结构简单、使用方便安全，前景非常好。
采用本发明的系统为核心，加上已成熟的激光测距有关的辅助系统，制成绿激光炉衬测厚仪，可广泛用于炼钢和玻璃厂的炉衬测厚。
Claims (1)
1.一种用高频光强调制绿激光微弱信号测距测厚的系统，为根据相位测距法原理研制成的一套实验检测系统，包括锁相稳频、激光发射与调制、光电接收检测、低频选频放大与整形和鉴相显示五部分组成，本系统以锁相稳频提供主振信号、本振信号以及主、本振的差频信号，主振为温补晶振，光电接收检测部分的探测器采用光电倍增管接收被测物漫反射回来的微弱光信号，并在光电倍增管的阴极与温补晶振进行混频，其特征是激光光源采用半导体泵浦的固体绿激光器，输出波长为532nm，用声光调制器进行外调制将激光光强调制到10MHz以上的频率。
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