利用光纤检定激光测距仪的研究
利用光纤检定激光测距仪的研究
作者:杨中东;雷玉堂
为保证激光测距仪的精度和可靠性,必须要对它进行定期检定。主要检定项目有加常数、乘常数、幅相误差、发光管相位不均匀性误差、周期误差等。加常数和乘常数是测距仪两项非常重要的系统误差,目前常用的检定法是在经过精密测量的野外基线场上采用六段比较法求得。幅相误差也是通过将不同光强的测距值与野外基线场的已知基线长度进行比较而求得。野外基线场需占用大量的土地资源,检定受地质条件、地理位置、地面建筑构造、气象与温度等环境因素的影响,并且野外作业工作量大,一直是国内外研究所关注的问题。为克服上述缺点,我们研究利用光纤代替野外的一段空间距离(即基线)而进行检定,使检定工作可在室内全天候进行。为此,我们利用一段几百米的光纤(如 800m)代替野外基线在室内作了可行性实验分析与研究。
1 利用光纤检定激光测距仪的原理
将激光测距仪发出的光经耦合透镜 L1 进入光纤,经光纤传输后,再把光纤的出射端的光波通过耦合透镜 L2和反射棱镜进入激光测距仪接收。此时激光测距仪的读数即为测距仪发出的光波在光纤中的传输所经历的总体光程长度的一半。而光程长度即相当于光波在空气中所传输的距离。这段光纤代替了野外的一段空气距离,即基线场的基线。当然,读数也包含了仪器到光纤两端面的空气距离和光学元件所产生的附加光程。
对于红外激光测距仪,可用 CCD 摄像机进行瞄准,将信号输出到监视器进行观察。为使测距仪的发射光束和接收光束保持平行,光纤的进光点和出光点相对于光学系统需共轭。若从测距仪的瞄准望远镜来瞄准,光纤的入射端面和出射端面重合在一起,调试耦合状态时,应使接收到的光强信号最大,表明光纤与测距仪的发射光束达到了最佳耦合状态。
由于实际使用光纤的纤芯折射率、几何形状的随机起伏和某些因素引起的光纤微变形以及光纤在使用过程中的弯曲变形等,对光波在光纤中所经历的总体光程将产生影响,附加的光学元器件产生的附加光程和测距仪与光纤端面之间的空气距离的变化也对光程有影响,因而必须采用比较测量法。这样,上述因素对光程的影响都可以在测量结果的比较过程中加以确定。只要在比较测量的过程中使各种状态保持不变,便可获得比较高的检测精度。
2 光纤及耦合方式的选择
2.1 光纤的选择
光纤按折射率剖面分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤,按在其中传输的模式的多少可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的折射率分布一般为阶跃型,而多模光纤的折射率分布有阶跃型和渐变型(即抛物线型)两种。光纤的数值孔径和色散是光纤的两项重要参数,必须根据这两项参数分析比较来进行选择。
即数值孔径与入射光线入射点位置 r0 有关。光纤捕捉射线的能力在中心处最强,离中心越远则越弱。 光纤的色散有属于模间色散的模式色散,属于模内色散的材料色散和波导色散。在多模光纤中,模间色散远比模内色散严重,因此常忽略模内色散。在单模光纤中只传输基模而不存在模间色散。抛物型光纤由于是一种近似的自聚焦光纤,其模间色散要比阶跃型光纤的模间色散小得多。
单模光纤只有模内色散,因而总的色散很小,激光测距仪发出的调制光波在单模光纤中传输时不会产生调制度下降。然而单模光纤只是相对于某一特定的波长范围(目前主要是长波长单模光纤),需检定的激光测距仪可能具有不同的发光波长,不见得都能满足单模传输的条件。此外,单模光纤本身的纤芯和数值孔径都很小,使单模光纤在耦合与连接上相当困难。因此,对于需要检定不同的激光测距仪来说,不易做到对单模光纤进行频繁耦合而又具有良好的耦合重复性,所以用单模光纤作基线是不合适的。
由于阶跃型多模光纤的数值孔径与入射光束在纤芯端面上入射点的位置无关,因此耦合效率不随入射点的变化而变化。而抛物型多模光纤的数值孔径与入射光束在纤芯端面上入射点的位置有关,因此光波在抛物型光纤中传输时所经历的总体光程将依赖于耦合点的位置。阶跃型多模光纤的耦合重复性要比抛物型多模光纤的好。
用光纤在室内作基线时通常是盘绕起来的,故还要考虑光纤弯曲的影响,一般弯曲光纤的数值孔径要比直光纤的小(因为高次模辐射)。实验证实:抛物型多模光纤允许弯曲的曲率半径大,而阶跃型多模光纤允许弯曲的曲率半径小一些,但当光纤弯曲的曲率半径 R 与纤芯半径 a 的关系达到(R/2a>20)时,这种弯曲的影响便不明显。实际使用光纤作基线时的弯曲曲率半径比临界值大很多,而且用比较测量法时只要在测量过程中保持弯曲形态不变,这种影响就不重要。阶跃型多模光纤的模间色散很大,激光测距仪发出的调制光波经阶跃型多模光纤传输后调制度下降非常严重。而抛物型多模光纤的模间色散较小,所以调制光波经抛物型多模光纤传输后调制度下降要小得多。
2.2 耦合方式的选择
由于激光测距仪发出的调制光波经阶跃型多模光纤传输后调制度下降非常严重,因此不能选用一般的普通透镜耦合方式。由光纤基本理论知,阶跃型多模光纤中的射线光程仅与入射光线的入射角有关。只要控制入射光线的入射角,便可以使模间色散得到控制而使调制度下降问题得到改善。我们可选用半径 r 和光纤芯径相当的 图 2 微球形耦合透镜原理微球形透镜来达到这一目的。当微球形透镜的折射率 n=2。周围空气介质的折射率 n0=1 时,则微球形透镜的焦距 f =r,焦点位于球表面,光束会聚到球表面,经微球形透镜后变成平行光束。可见,以相同的入射角入射,射线光程相等,从而使模间色散得到控制。但由于微球形透镜的尺寸非常小,所以这种耦合方式实现较难。
由于抛物型多模光纤模间色散小,若光纤不是太长,则调制光波经抛物型多模光纤传输后调制度下降就不严重,因而只需采用普通的透镜耦合方式便可以达到要求。
总之,如果检定激光测距仪的光纤不是过长,可选用抛物型多模光纤作为基线光纤,这样可采用普通的透镜耦合方式,其耦合的重复性要差一些,但可从机械设计上来满足耦合重复性的要求。当要求检定激光测距仪的基线光纤很长时,才需考虑选用阶跃型多模光纤,并采用复杂的微球形透镜耦合方式或其它更好的耦合方式。实验证明,当用 800m 长的抛物型多模光纤作基线检定时,测量结果是稳定的。
3 可重复性
对于给定长度的多模光纤,随着激励条件(几何状态和波长)的不同,在光纤中激励起的传导模式以及各模式间功率的分布状况也不同。而且不同的模式将具有不同的延迟和衰减,因而同一光纤就会具有不同的输出响应。当入射光波为连续的正弦调制光波时,输出光波的全相位将随着激励条件的不同而不同,激光测距仪检测到不同的全相位,将给出不同的测距结果。因此,可重复性对于用光纤作检定激光测距仪的基线非常重要。我们对抛物型多模光纤进行了可重复性的研究,分析光波(全相位)在光纤中所经历的总体光程随激励条件变化的情况。
3.1 耦合可重复性
当被检定的激光测距仪安放的位置和方位偏离理想位置时,耦合点有横向位移时,将导致耦合效率的下降和光波在光纤中传输所经历的总体光程会随耦合点横向位移的不同而发生变化。对抛物型多模光纤来说,耦合点偏离中心越大,一方面未通过耦合进入光纤的光越多,另方面所激励起的模次也越高,在传输过程中越容易损耗,使出纤光功率越少,耦合效率下降越多。但实验发现能量方面比较容易满足,所以耦合点有横向位移造成的耦合效率下降的限制比较宽。
于激光测距仪的发射光束具有微小的发散,且耦合透镜也会有像差的存在以及调焦不准等因素,则入射光束到光纤端面时是一个具有一定大小的光斑。设光斑中心相对于纤芯中心的距离为 r0,假设光斑直径等于纤芯直径的一半,则在光纤长度 L=800m 时得出 ?D 随 r0 变化的理论计算曲线与实验测出的曲线(如图 4 所示)。图中实线为实验曲线,虚线为理论曲线,纵坐标 ?D 是 r0取不同值时的 D 值相对于 r0=0 时的D 值的差值。由图可看出,在 r0 变化 10μm 时,?D 的变化量小于 lmm。光波在光纤中所经历的总体光程随耦合光束横向位移的变化不是很大。
耦合透镜的前面加一光栏,通过沿垂轴方向平移光栏来仿真耦合光束轴线相对于光纤轴线的倾角 θ,光栏的口径应小于测距仪发射光束的宽度。这样,平移光栏时耦合光束的轴线仅绕着耦合透镜的焦点发生偏转而不会产生附加的横向位移和纵向位移,模拟出光波在光纤中所经历的总体光程随倾角 θ 的变化情况。我们使 θ 在很大的范围变化时,测距仪所给出的读数值的变化量不大,在 θ 变化 30′的范围,测距值的波动范围也在 lmm 以内。实验验证了耦合光束轴线相对于光纤轴线有倾斜时对光波在光纤中传输所经历的总体光程影响不大。
由于激光测距仪的发射光束具有一定的相位不均匀性,当耦合光斑比较大且横向位移发生变化,以及耦合光束孔径比较宽且倾角发生变化,都将会截取不同部份的光束耦合进入光纤而引起相位不均匀性误差。所以,耦合光斑的大小和耦合光束的孔径需加以限制。可从耦合光学系统像差的限制、耦合透镜焦距的选取以及调焦的准确程度来控制耦合光斑的大小,从光学元件的几何参数和焦距的选取上来保证耦合光束的孔径小于光纤的数值孔径。耦合透镜系统,透镜 L3 的焦距可以取得短一些,这样即使测距仪放置有微小倾斜时不至于使耦合光斑产生较大的横向位移,测距仪发射光束有一定的发散时也不至于使耦合光斑过大。透镜 L1 的口径最好大于测距仪发射光束的宽度,这样可获得比较大的信号光强和避免截取不同的光束测距而引进相位不均匀性误差。
3.2 波长可重复性
当检定不同的激光测距仪时,由于其发光光源不同,发光波长不一样,将在多模光纤中引起模群数目及各模群的轴向不变量的改变,从而引起光波在多模光纤中所经历的总体光程的变化。考虑到大气的吸收和散射,不同的激光测距仪虽有不同的发光波长,但相差不是很大,所以影响也不是很大。
根据理论推算和实验结果可知,对 1000m 长的光纤,当波长在 0.7-1.0μm 之间变化时,激光测距仪测距值的最大变化量不超过 lmm。
3.3 温度可重复性
理论和实验的结果表明,对 100m 短光纤,温度每变化 1℃,测距值将变化 2mm。在室内可采取恒温控制,也可把光纤浸于某种液体中。在采用比较法测量时,可使高精度的标准测距仪和被检测距仪的温度尽量一致。
4、结束语
上述分析和实验还有许多需要深入和完善的地方,如用光纤代替基线的分段式组合测量技术等。但通过分析和实验证明,利用光纤检定激光测距仪读数稳定,测量值和理论估算值基本一致。在比较测量的过程中使各种状态保持不变,可获得比较高的测量精度。
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