第四章光電檢測(cè)系統(tǒng)

1、第四章第四章 非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 按光學(xué)變換系統(tǒng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將按光學(xué)變換系統(tǒng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光信息方式的不同，可將光電檢測(cè)系統(tǒng)分為光電檢測(cè)系統(tǒng)分為相干檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)系統(tǒng)和和非相干檢測(cè)系統(tǒng)非相干檢測(cè)系統(tǒng)。第四章第四章 非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng) 被測(cè)量被攜帶于光載被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中或加載于調(diào)制波的強(qiáng)度之中或加載于調(diào)制光載波的振幅、頻率或者相光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)位變化之中，這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。 被測(cè)信息加載于光載被測(cè)信息加載于光載波（只能是相干光源）的振波（只能是相干光源）

2、的振幅、頻率或者相位之中的系幅、頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱(chēng)為相干檢測(cè)系統(tǒng)。統(tǒng)稱(chēng)為相干檢測(cè)系統(tǒng)。非相干檢測(cè)系統(tǒng)非相干檢測(cè)系統(tǒng) 相干檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)系統(tǒng)主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1 光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi) 根據(jù)系統(tǒng)中光源來(lái)源不同根據(jù)系統(tǒng)中光源來(lái)源不同, ,系統(tǒng)可分為系統(tǒng)可分為主動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)系統(tǒng)和和被動(dòng)系統(tǒng)被動(dòng)系統(tǒng)。 如果被測(cè)信息通過(guò)調(diào)制光源如果被測(cè)信息通過(guò)調(diào)制光源的電壓或電流，把信息加載到的電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發(fā)射調(diào)制光，或光載波上，而發(fā)射調(diào)制光，或者用人工光源照射目標(biāo)再進(jìn)行者用人工光源照射目標(biāo)再進(jìn)行光電變換，然后由光電接收系光電變換，然后由光電接收系統(tǒng)接收的系統(tǒng)，稱(chēng)為統(tǒng)接收

3、的系統(tǒng)，稱(chēng)為主動(dòng)光電主動(dòng)光電系統(tǒng)系統(tǒng)。 如果光電系統(tǒng)所接收如果光電系統(tǒng)所接收的信號(hào)完全來(lái)自于被測(cè)對(duì)的信號(hào)完全來(lái)自于被測(cè)對(duì)象的自發(fā)輻射象的自發(fā)輻射, ,而不用人而不用人工光源照明的系統(tǒng)，則稱(chēng)工光源照明的系統(tǒng)，則稱(chēng)為為被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。（1 1）根據(jù)光源來(lái)源分類(lèi)）根據(jù)光源來(lái)源分類(lèi) 主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(a) (a) 被測(cè)量調(diào)制光載波的主動(dòng)系統(tǒng)被測(cè)量調(diào)制光載波的主動(dòng)系統(tǒng) (b)(b)反射式的主動(dòng)系統(tǒng)反射式的主動(dòng)系統(tǒng) 被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)被動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)被動(dòng)式光電檢測(cè)系統(tǒng)被動(dòng)式光電檢測(cè)系統(tǒng)（2 2）根據(jù)光源是否相干分類(lèi)）根據(jù)光源是否相干分類(lèi)A 若光信息為光強(qiáng)，即被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，若光信息

4、為光強(qiáng)，即被測(cè)量被攜帶于光載波的強(qiáng)度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時(shí)光電器件只直不論光源是相干光源還是非相干光源，這時(shí)光電器件只直接接收光強(qiáng)度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測(cè)信息，這接接收光強(qiáng)度變化，最后用解調(diào)的方法檢出被測(cè)信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱(chēng)為直接光電檢測(cè)系統(tǒng)。種方法組成的系統(tǒng)稱(chēng)為直接光電檢測(cè)系統(tǒng)。B 若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱(chēng)為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱(chēng)為非相干檢測(cè)系統(tǒng)。 非相干檢測(cè)系統(tǒng)非相干檢測(cè)系統(tǒng) 通常把直接檢測(cè)光信息的光強(qiáng)（或叫光功率）以及檢

5、測(cè)通常把直接檢測(cè)光信息的光強(qiáng)（或叫光功率）以及檢測(cè)非相干光調(diào)制頻率、振幅、相位的方法統(tǒng)稱(chēng)為非相干檢測(cè)。非相干光調(diào)制頻率、振幅、相位的方法統(tǒng)稱(chēng)為非相干檢測(cè)。 相干檢測(cè)系統(tǒng)相干檢測(cè)系統(tǒng) 如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使被測(cè)信如果光源是相干光源，但用光調(diào)制的方法使被測(cè)信息加載于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電息加載于調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電解調(diào)的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測(cè)出被解調(diào)的方法從調(diào)制光的幅度、頻率或相位之中檢測(cè)出被測(cè)信息的系統(tǒng)稱(chēng)為相干檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)信息的系統(tǒng)稱(chēng)為相干檢測(cè)系統(tǒng)。 （1 1）光電變換的目的）光電變換的目的 將待測(cè)信息加載到光載波上進(jìn)而形成光

6、電接收將待測(cè)信息加載到光載波上進(jìn)而形成光電接收 器件易于接收的光電信號(hào)。器件易于接收的光電信號(hào)。 改善系統(tǒng)的空間或時(shí)間分辨率和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提改善系統(tǒng)的空間或時(shí)間分辨率和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提 高傳輸效率和檢測(cè)精度。高傳輸效率和檢測(cè)精度。 改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。2 2 光電變換方法光電變換方法（2 2）光電變換的方法）光電變換的方法變換方法變換方法 光光 學(xué)學(xué) 原原 理理 應(yīng)應(yīng) 用用 范范 圍圍 幾何光幾何光學(xué)法學(xué)法透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等射、遮光、光學(xué)成像等非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法非相干光學(xué)現(xiàn)象或方法 光開(kāi)關(guān)、光學(xué)編碼、光掃光開(kāi)

7、關(guān)、光學(xué)編碼、光掃 描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、描、瞄準(zhǔn)定位、光準(zhǔn)直、外觀(guān)質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)外觀(guān)質(zhì)量檢測(cè)、測(cè)長(zhǎng)、測(cè)角、測(cè)距等角、測(cè)距等 物理光物理光學(xué)法學(xué)法干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍息、波長(zhǎng)變換、光學(xué)拍頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)頻、偏振等相干光學(xué)現(xiàn)象或方法象或方法莫爾條紋、干涉計(jì)量、全莫爾條紋、干涉計(jì)量、全息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差息計(jì)量、散斑計(jì)量、外差干涉、外差通信、光譜分干涉、外差通信、光譜分析、多譜勒測(cè)速等析、多譜勒測(cè)速等 光電子光電子學(xué)法學(xué)法電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等、光纖傳光與傳感等 光調(diào)制、光

8、偏轉(zhuǎn)、光開(kāi)關(guān)光調(diào)制、光偏轉(zhuǎn)、光開(kāi)關(guān)、光通信、光記錄、光存、光通信、光記錄、光存儲(chǔ)、光顯示等儲(chǔ)、光顯示等 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 1 1、直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理、直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理 所謂直接檢測(cè)是將攜帶有待測(cè)量的光信號(hào)直接入射到探所謂直接檢測(cè)是將攜帶有待測(cè)量的光信號(hào)直接入射到探測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流測(cè)器光敏面，光探測(cè)器響應(yīng)于光輻射強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的電流或電壓或電壓。 檢測(cè)系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線(xiàn)或直接由探測(cè)器接收光信號(hào)，在檢測(cè)系統(tǒng)可經(jīng)光學(xué)天線(xiàn)或直接由探測(cè)器接收光信號(hào)，在其前端還可以經(jīng)過(guò)頻率濾波和空間濾波處理。接收到的光信其前端還可以經(jīng)過(guò)頻率濾波和空間濾波處理。接收到的光信號(hào)

9、入射到光探測(cè)器的光敏面上。同時(shí)，光學(xué)天線(xiàn)也接收到背號(hào)入射到光探測(cè)器的光敏面上。同時(shí)，光學(xué)天線(xiàn)也接收到背景輻射，并與信號(hào)光一起入射到探測(cè)器光敏面上。景輻射，并與信號(hào)光一起入射到探測(cè)器光敏面上。 （1 1）光探測(cè)器的平方律特性）光探測(cè)器的平方律特性 入射光波的光電場(chǎng)為入射光波的光電場(chǎng)為 ： 入射光的平均光功率為：入射光的平均光功率為： 光電探測(cè)器輸出的電流為：光電探測(cè)器輸出的電流為： 為光電變換比例常數(shù)，即光電靈敏度。為光電變換比例常數(shù)，即光電靈敏度。)cos()(wtAtEs222221)cos()(ssAwtAtEP221sPAPIeh2 2、直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性、直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性 若

10、光探測(cè)器的負(fù)載電阻為若光探測(cè)器的負(fù)載電阻為 ，則光探測(cè)，則光探測(cè)器輸出的電功率為器輸出的電功率為 ：光電探測(cè)器的平方律特性包含有兩層含意：光電探測(cè)器的平方律特性包含有兩層含意：其一是光電流正比于光場(chǎng)振幅的平方；其一是光電流正比于光場(chǎng)振幅的平方；其二是輸出電功率正比于入射光功率的平方。其二是輸出電功率正比于入射光功率的平方。 LLPPRPheRIS222)(LR 如果入射光信號(hào)為強(qiáng)度調(diào)制光，調(diào)制信號(hào)如果入射光信號(hào)為強(qiáng)度調(diào)制光，調(diào)制信號(hào)為為d(t)d(t)，即調(diào)制的入射光信號(hào)的強(qiáng)度為，即調(diào)制的入射光信號(hào)的強(qiáng)度為P1+d(t)P1+d(t)，那么光電探測(cè)器輸出的光電流，那么光電探測(cè)器輸出的光電流為：

11、為： 式中，式中，第一項(xiàng)為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項(xiàng)為所需要的信號(hào)，即光載波的包絡(luò)檢測(cè)。)(1 )(1 tdPhetdPIP(2) (2) 直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為：22onosnLePPPPRh考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說(shuō)明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見(jiàn)，直接檢測(cè)系統(tǒng)不適用于輸

12、入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，信噪比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受?？梢?jiàn)，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱可見(jiàn)，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，的光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用。 若1nsPP，則有：2nspPPSNR5-10 若1nsPP，則有：nspPPSNR21 在數(shù)字式光電檢測(cè)系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來(lái)衡量。誤碼率仍然與信噪比有關(guān)，信噪比高，誤碼率低，由噪聲的概率分布規(guī)律來(lái)衡量。直接

13、檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng) 的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：224spLehPSNRkTfR熱 當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限制，信噪比為：22_222sp

14、NSNBNDehPSNRiii散 當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受背景噪聲 限制，信噪比為：22222sspBBehPPSNRehfPe fPh背假定光波長(zhǎng)=0.7m，檢測(cè)器的量子效率=1，測(cè)量帶寬f=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為18min10PW 當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè) 系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為：2spPSNRhf信該式為直流檢測(cè)系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，稱(chēng)為直接檢測(cè)系統(tǒng)的量子極限，又稱(chēng)量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測(cè)系統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為：2hfNEP量 1

15、1 在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)總會(huì)有統(tǒng)總會(huì)有背景噪聲背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲熱噪聲。2 2 背景限信噪比背景限信噪比可以在可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庵袑?shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。3 3 系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測(cè)過(guò)程中利用光電檢測(cè)過(guò)程中利用光檢測(cè)器的內(nèi)增益光檢測(cè)器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍獲得光電

16、倍增，如光電倍增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施增管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限散粒噪聲限。在特殊。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過(guò)程中使條件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過(guò)程中使噪聲增加。噪聲增加。4 4 在直接檢測(cè)中，在直接檢測(cè)中，光電倍增管、雪崩管光電倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采的檢測(cè)能力較高，采用有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)用有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于光電導(dǎo)器

17、件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光于光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電導(dǎo)器件極限信噪比低，電導(dǎo)器件極限信噪比低，NEPNEP較大。較大。說(shuō)明：說(shuō)明：直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角Dufd檢測(cè)器物鏡視場(chǎng)角表示檢測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無(wú)窮遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)檢測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為：或視場(chǎng)角立體角為：2fAd從觀(guān)察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即增大檢測(cè)器面積或減小光學(xué)系統(tǒng)的焦距，但對(duì)檢測(cè)器會(huì)帶來(lái)不利影響： 增加檢測(cè)器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)檢測(cè)器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距

18、使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。結(jié)論：因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。fd2(3)直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角(4) 系統(tǒng)的通頻帶寬度I 0I0O1頻帶寬度f(wàn)是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求f應(yīng)保存原有信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。等效矩形帶寬：頻譜曲線(xiàn)下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬100.060262.0f0389.0f頻帶寬度f(wàn)越寬，通過(guò)的信號(hào)能量越大，但系統(tǒng)的噪聲功率也增大，為保證系統(tǒng)有足夠的信噪比， f 取值不能太寬，如果要求復(fù)現(xiàn)信號(hào)的波形，則必須

19、加寬頻帶寬度。當(dāng)輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過(guò)對(duì)不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬f：小結(jié)：（1）當(dāng)輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò)（邊 頻）頻率的2倍。（2）如果是調(diào)頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊 頻分量通過(guò)系統(tǒng)。04f 3 直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時(shí)，靈敏度的表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來(lái)。直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。強(qiáng)度調(diào)制器光學(xué)天線(xiàn)光學(xué)通道接收天線(xiàn)及

20、光電檢測(cè)器光電信號(hào)處理器光源信號(hào)發(fā)射機(jī)背景噪聲場(chǎng)接收機(jī)電路噪聲回收的信息 (1) 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程被動(dòng)檢測(cè)過(guò)程示意圖大氣傳播eE接收光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)處理接收機(jī)接收信息光電檢測(cè)L被測(cè)目標(biāo)eI光譜輻射強(qiáng)度L傳播距離大氣光譜透過(guò)率1VR光譜響應(yīng)度00A入射孔徑面積光譜透過(guò)率 (1) 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為eI經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee的距離為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的大氣光譜透過(guò)率；為被測(cè)距離LL1入射到檢測(cè)器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee透過(guò)率為接收光學(xué)系統(tǒng)的光譜孔徑面積為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射10A根據(jù)目標(biāo)輻射

21、強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes為檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度VR(1) 10eVIR、 、 、 取1為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過(guò)率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率0對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測(cè)器的光譜響應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)1W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線(xiàn)的數(shù)目要方便距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線(xiàn)的數(shù)目要方便得多。通過(guò)光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地得多。通過(guò)光柵柵距

22、的位移和莫爾條紋位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲取小于光柵柵距的微小位移量。莫爾條紋莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例光學(xué)放大作用舉例 有一直線(xiàn)光柵，每毫米刻線(xiàn)數(shù)為有一直線(xiàn)光柵，每毫米刻線(xiàn)數(shù)為5050，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 1.81.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于柵距很小，因此無(wú)法觀(guān)察光強(qiáng)的變化）（由于柵距很小，因此無(wú)法觀(guān)察光強(qiáng)的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的3232倍：倍： L W / = 0.02mm/（1.8 *3.14/180

23、 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀(guān)察觀(guān)察”莫爾條紋莫爾條紋光強(qiáng)的變化。光強(qiáng)的變化。A 長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵 莫爾條紋莫爾條紋條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線(xiàn)寬，線(xiàn)寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當(dāng)特例：當(dāng) =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當(dāng)當(dāng) =0, w1w2 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋均勻刻線(xiàn)主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動(dòng)長(zhǎng)光柵莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)長(zhǎng)光柵光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向

24、性：垂直于角平分線(xiàn)，當(dāng)夾角很小時(shí)方向性：垂直于角平分線(xiàn)，當(dāng)夾角很小時(shí) 與光柵移動(dòng)方向垂直與光柵移動(dòng)方向垂直同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距同步性：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距 莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距一方向?qū)?yīng)放大性：夾角放大性：夾角很小很小 BW 光學(xué)放大光學(xué)放大 提高靈敏度提高靈敏度可調(diào)性：夾角可調(diào)性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準(zhǔn)確性：大量刻線(xiàn)準(zhǔn)確性：大量刻線(xiàn) 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別克服個(gè)別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 B 圓光柵莫爾條紋圓光柵莫爾條紋光柵光柵 - 徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向圓光柵徑向圓光柵 切向圓光柵切向

25、圓光柵 徑向光柵的圓弧形莫爾條紋徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵兩塊徑向光柵 - 柵距角相同柵距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光柵不同區(qū)域，光柵不同區(qū)域，柵柵線(xiàn)交角線(xiàn)交角不同不同- 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋 （不同曲率半徑）（不同曲率半徑）條紋寬度條紋寬度 - 隨位置變化隨位置變化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 條紋近似垂直于柵線(xiàn)條紋近似垂直于柵線(xiàn)偏心方向上偏心方向上- 條紋近似平行于柵線(xiàn)條紋近似平行于柵線(xiàn)- 橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋- 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋其他位置其他位置 - 斜向莫爾條紋斜向莫爾條紋實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用特例特例 - 光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）光閘莫爾條紋（同

26、心、柵距角相同）主光柵（一個(gè)柵距角）主光柵（一個(gè)柵距角）- 透光量（一個(gè)周期）透光量（一個(gè)周期）莫爾條紋莫爾條紋 - 圓弧形、圓弧形、 環(huán)形、輻射形環(huán)形、輻射形 切向光柵的環(huán)形莫爾條紋切向光柵的環(huán)形莫爾條紋兩塊切向光柵兩塊切向光柵 -柵距角相同柵距角相同/ /切線(xiàn)圓半切線(xiàn)圓半徑不同徑不同/ /同心疊合同心疊合環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋 - 以光柵中心為圓心的同心圓簇以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度條紋寬度 - 隨條紋位置變化隨條紋位置變化應(yīng)用：高精度角度測(cè)量和分度應(yīng)用：高精度角度測(cè)量和分度- 全光柵平均效應(yīng)全光柵平均效應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 環(huán)形環(huán)形光柵的輻射形莫爾條紋光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環(huán)形光柵

27、兩塊環(huán)形光柵（相同）（相同）- 柵線(xiàn)相對(duì)柵線(xiàn)相對(duì)/ /不大的偏心量不大的偏心量輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋 - 條紋近似直線(xiàn)條紋近似直線(xiàn)/呈輻射狀呈輻射狀特點(diǎn)：條紋數(shù)目特點(diǎn)：條紋數(shù)目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圓心連線(xiàn)方向圓心連線(xiàn)方向光柵旋轉(zhuǎn)光柵旋轉(zhuǎn) - 條紋數(shù)目條紋數(shù)目/位置（不變）位置（不變）偏心量（一個(gè)柵距）偏心量（一個(gè)柵距）- 莫爾條紋數(shù)目莫爾條紋數(shù)目增加一條（一個(gè)象限內(nèi)）增加一條（一個(gè)象限內(nèi)）應(yīng)用：主軸偏移、晃動(dòng)應(yīng)用：主軸偏移、晃動(dòng)播放中播放中圓弧莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)光閘莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)環(huán)形莫爾條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)播放中播放中單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾

28、條紋播放動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà) 計(jì)量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類(lèi)，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。1 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測(cè)量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。 黑白光柵 莫爾條紋光柵原理莫爾條紋光柵原理 構(gòu)成：構(gòu)成： 主光柵主光柵-標(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵，定光柵定光柵；指示光柵指示光柵-動(dòng)光柵動(dòng)光柵 計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線(xiàn)

29、寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長(zhǎng)光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，所以?xún)烧咧g可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在透射式直線(xiàn)光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線(xiàn)面相對(duì)疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線(xiàn)保持很小的夾角，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線(xiàn)重合處，光從縫隙透過(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線(xiàn)的錯(cuò)開(kāi)處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是周期性函數(shù)。 計(jì)量光柵主光柵指示光柵 這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋，條紋方向與刻線(xiàn)方向近似垂直。通常在光柵的適當(dāng)位置安裝光敏元件，即可檢測(cè)到亮暗變化。 當(dāng)指示光

30、柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過(guò)光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀(guān)察”到莫爾條紋的光強(qiáng)變化近似于正弦波變化。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距P，光強(qiáng)變化一個(gè)周期。 由于光柵的刻線(xiàn)非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當(dāng)光柵移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距時(shí)P，莫爾條紋移動(dòng)了一個(gè)寬度B。且滿(mǎn)足關(guān)系式： sinPB 莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線(xiàn)共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線(xiàn)不均勻引起的誤差。 2）對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)指示光柵沿與柵線(xiàn)垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵

31、刻線(xiàn)方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線(xiàn)夾角而改變。越小，B 越大，相當(dāng)于把微小的柵距P擴(kuò)大了 1/sin 倍。由此可見(jiàn)，計(jì)量光柵起到光學(xué)放大器的作用。 例，對(duì)25線(xiàn)/mm的長(zhǎng)光柵而言，P0.04mm，若=0.016rad，則B = 2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無(wú)法分辨0.04mm的間隔。 計(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無(wú)關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無(wú)法分辨光

32、強(qiáng)的變化。 4）莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)與光柵移過(guò)的刻線(xiàn)數(shù)相等。例如，采用100線(xiàn)/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了x mm（也就是移過(guò)了100 x條光柵刻線(xiàn)），則從光電元件面前掠過(guò)的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際距離了。 光電傳感器輸出信號(hào)波形光電傳感器輸出信號(hào)波形 當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信相應(yīng)照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期變化，其輸出波形如圖

33、：號(hào)周期變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變從而實(shí)現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距?；俏灰圃谝粋€(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問(wèn)題：但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問(wèn)題： 辨向問(wèn)題：用一個(gè)光電元件無(wú)法辨別運(yùn)動(dòng)方向；辨向問(wèn)題：用一個(gè)光電元件無(wú)法辨別運(yùn)動(dòng)方向； 精度低；分辨力只有一個(gè)柵距精度低；分辨力只有

34、一個(gè)柵距P P。 辨向原理：辨向原理： 用兩個(gè)光電元件相距用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差安裝（相當(dāng)于相差90空間角，空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問(wèn)題。），如圖所示，可以解決辨向問(wèn)題。 當(dāng)條紋上移時(shí)，當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于落后于V1 90。 當(dāng)條紋下移時(shí)，當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動(dòng)方向。判別運(yùn)動(dòng)方向。 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)（解決精度問(wèn)題）（解決精度問(wèn)題） 當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移當(dāng)使用一個(gè)光電池通過(guò)判斷信號(hào)周期的方法來(lái)進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，最小分辨力為

35、測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線(xiàn)密度。另一種方法是在分辨力，可使柵距減小，即增加刻線(xiàn)密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，其電路框圖如圖所示。其電路框圖如圖所示。 4P莫爾條紋的應(yīng)用莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應(yīng)用于： 光柵數(shù)顯表光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用軸環(huán)式數(shù)顯表1.機(jī)械測(cè)長(zhǎng)和數(shù)控機(jī)床中。 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國(guó)德國(guó)Heideai（海德漢）

36、：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000，分辨力，分辨力0.1 開(kāi)放式：量程開(kāi)放式：量程1440，分辨力，分辨力0.01開(kāi)放式：量程開(kāi)放式：量程270 分辨力分辨力1英國(guó)英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 0.01 中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 2 激光測(cè)距儀(1)(1) 脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距儀脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很大，般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距

37、在有反射器的情況下，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里)測(cè)量時(shí)，如果測(cè)量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。 在在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)的路程射向處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)的路程射向2處。在處。在2處裝處裝有向有向1處反射的裝置，處反射的裝置，1處至處至2處間的距離處間的距離D是待測(cè)的。如果是待測(cè)的。如果在在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)處到達(dá)2處再返處再返回回1處所需要的時(shí)間處所需要的時(shí)間t，則，則 式中式中 c 為光的傳播速度。為光的傳播速度。脈沖激光測(cè)距的工作原理脈沖激光測(cè)距的工作原理2

38、/ tcD 取樣器激光器測(cè)器光電檢時(shí)鐘振蕩器電子門(mén)計(jì)數(shù)器控制電路放大電路整形電路復(fù)原電路發(fā)射光束回波光束啟動(dòng)按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測(cè)距儀原理方塊圖它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成. 由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的由光電器件得到的電脈沖，經(jīng)放大器以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖負(fù)脈沖至控制電路。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖A(圖圖(d)經(jīng)控制電經(jīng)控制電路去打開(kāi)電子門(mén)。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘路去打開(kāi)電子門(mén)。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過(guò)電子門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開(kāi)始

39、。當(dāng)反射脈沖，可以通過(guò)電子門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路，計(jì)時(shí)開(kāi)始。當(dāng)反射回來(lái)經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)回來(lái)經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子門(mén)，計(jì)時(shí)停止。計(jì)到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子門(mén)，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖(g)所示。從計(jì)時(shí)開(kāi)始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間所示。從計(jì)時(shí)開(kāi)始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。 則被測(cè)距離為：則被測(cè)距離為：取樣器激光器測(cè)器光電檢時(shí)鐘振蕩器電子門(mén)計(jì)數(shù)器控制電路放大電路整形電路復(fù)原電路發(fā)射光束回波光束啟動(dòng)按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測(cè)距儀原理方塊圖2/ncD(2) 相位激光測(cè)距儀測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，

40、光速為c，則波長(zhǎng)可由式=c/f求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)于相位變化了2則距離D可表示為：2,nnND“光尺”測(cè)量距離原理圖發(fā)射接收回波強(qiáng)調(diào)制正弦光棱鏡合作目標(biāo)0DD測(cè)距時(shí)，調(diào)制激光照在合作目標(biāo)上，被反回接收經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號(hào)，與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得相位差，由相位差可算得所測(cè)距離。 為了便于理解測(cè)距儀的測(cè)相系統(tǒng),對(duì)光波往返二倍距離后的相位移進(jìn)行測(cè)量，圖中說(shuō)明了光波在距離L上往返后的相位變化。如果設(shè)光波從A到A點(diǎn)的傳播過(guò)程中相位變化(又稱(chēng)為相位移)為，則由圖看出，被測(cè)距離為：nNLnNDs2fcLns22,2 由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移中2的整數(shù)N和小數(shù)n，就可以確定出被測(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把“光尺”，其波長(zhǎng)就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”長(zhǎng)度。 式中當(dāng)N等于0時(shí)，fc，LLnLnDsss2222 可由檢相器檢出，得被測(cè)距離，但當(dāng)N不等于0時(shí)，N的大小不能確定，出現(xiàn)測(cè)量誤差。目前的相位測(cè)距儀只可測(cè)相位尾數(shù)，不能求整周期數(shù)N，因此在測(cè)距離較長(zhǎng)時(shí)，選用較低的測(cè)尺頻率便會(huì)有很大的誤差（多值解），而且由于儀器存在測(cè)量誤差，選用大的測(cè)尺長(zhǎng)度愈大測(cè)距誤差越大。解決方法就是采用幾個(gè)精度不同的“光尺”配