авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 11 |

«В.С.ПЛОТНИКОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов оптических ...»

-- [ Страница 8 ] --

В фазовых светодалыюмерах определение целого числа фазовых циклов N (разрешение неоднозначности) производится различными способами. Наибольшее распространение получили два способа, осно­ ванные на изменении частоты модуляции: способ плавно изменяемых частот и способ фиксированных частот.

Способ плавно изменяемых частот. Как было отмечено, время, затраченное световым потоком на прохождение двойного измеряемого расстояния, определяется формулой (10.24) 2nN+ N + AN 1 Art Aif ( N T t = = + ) = — r -^ -^r-' где со — круговая частота модуляции, / - циклическая частота.

Чем выше частота модуляции /, тем меньше длина модулирующей волны Х и больше число целых фазовых циклов N, тем короче по м времени величина одного фазового цикла. Следовательно, при одной и той же абсолютной ошибке измерения разности фаз в пределах фазо­ вого цикла w измерение времени будет точнее при большей частоте д модуляции. Заданная точность измерения времени и определяет при из­ вестной погрешности измерения разности фаз необходимое число целых фазовых циклов N, (10.26) 2 irm t а значение модулирующей частоты, обеспечивающей заданную точность с учетом, что t « N/f, будет т л f- • (10.27) 2nm t Формулу (10.23) перепишем в следующем виде:

2D = Х (N + — ) = *Х +/, (10.28) м М (в дальнейшем индекс м при X будем опускать).

где /= —;

2Я Плавно изменяя частоту модуляции, можно добиться того, что при определенной частоте f (длина волны \ ) величина / станет равной t г нулю, я/2 или я. При визуальной регистрации фазы светового потока (например, в светодальномере СТ-65, описанном в [22, 26] и др.) наблю­ датель зафиксирует первый минимум (/ = 0). В этом случае в расстоя­ длин волн X,. Тогда ние 2D уложится целое число -7—JV, = JV,X,.

2/)= При дальнейшем плавном повышении частоты модуляции света величи­ на приемного светового потока будет увеличиваться до максимума, а затем уменьшаться, и при значении частоты / наблюдатель зафикси­ рует второй минимум. При этом величина N увеличится на единицу, t т.е. N = N1 + 1, а в расстояние 2D уложится снова целое число N 2 длин волн Х, соответствующих частоте /, т.е.

2 2D =-f-{N + I) = N^.

t Таким образом, при фиксировании минимума приемного светового потока величина / превращается в нуль, измерять разность фаз нет необходимости, так к а к в двойном измеряемом расстоянии укладыва­ ется целое число длин волн модулированного светового потока. При частоте модуляции f будет наблюдаться /r-й минимум и k 2D = -j- [N + (к - 1)] = N \, aN -N - к-1.

x kk k x В общем виде приведенные выражения можно представить [22] систе­ мой из трех уравнений:

2D = Щ\ ь (10.29) 2D = N \ ', kk N -N =n h t K где п = к — /, a i и — порядковые номера минимумов, зарегистриро­ ванных наблюдателем (порядковые номера частот).

~ N п Х^ - Х t Л (10.30) N-п t Величину л можно найти также из уравнения п — ч + i "'/ г Величина Л - из-за ошибок индикации разности фаз и частоты мо­ г дуляции при вычислениях по формулам (10.30) получается дробной, поэтому полученное число Nj округляют до целого, подставляют в первое уравнение системы (10.29) и вычисляют расстояние D.

Приведенные уравнения показывают, что для однозначного опреде­ ления расстояния необходимо иметь два минимума, соответствующие частотам / * и Д. Это означает, что для светодальномера с плавным х изменением частот существует минимальное расстояние D ^ которое m n можно измерить и которому соответствуют только два минимума при плавном изменении всего диапазона частот, т.е. в первом прибли­ жении ( 1 а 3 1 ) Ani» = ^ 7 - ' где А / — диапазон частот.

Наличие ограничения по D ^ является недостатком светодально­ m n меров этого вида. Так, для светодальномера СВВ-1 Д / = 750 кГц.

* _з±о1_ = = 4 0 0 м mm д/ 7,5 « 3. Ю Для светодальномера СТ-65 Д / = 3 МГц, a D —^ • = 100 м.

min По заданному минимальному измеряемому расстоянию можно определить необходимую ширину диапазона изменения модулирующей частоты [18] А/-4г -- (1032) min В последней формуле по сравнению с выражением (10.31) диапазон частот Д / определяют с учетом пренебрегаемо малого значения погрешности индикации разности фаз [18] Д/ 0,053 тг —. (10.33) Способ нескольких фиксированных частот. При определении числа целых фазовых циклов используют несколько специально подобранных фиксированных частот модуляции. При определении N на одной какой либо частоте в соответствии с формулой (10.28) будем иметь:

=N + (10 34) ° " " ~Г 2 ' где ф = Ау/2тт - разность фаз в долях полного периода. Допустим, что приближенное значение измеряемого расстояния D' нам известно.

Подставляя приближенное значение расстояния D' в уравнение (10.34) и решая его относительно N, получим:

(10.35) Величина N получается дробной, поскольку значение D приближенное.

Если AD - ошибка определения D ', ошибка определения N будет:

2AD AN = —г—.

Л Чтобы считать, что число N' правильно округлено до числа Л/, должно быть |длм ^ I ^ - |, а отсюда приближенное значение измеряемого расстояния должно быть известно с ошибкой \AD\ Это означает, что, например, при частоте модуляции светового потока, равной 10 МГц (X = 30 м ), приближенное значение измеряемого рассто­ яния должно быть заранее известно с ошибкой, не превышающей Д / ) = = Х/4 = 30/4 = 7,5 м.

Это требование выполнить в большинстве случаев не представляет­ ся возможным. Именно поэтому и применяют способ измерения не на одной, а на нескольких, близких между собой частотах модуляции све­ тового потока, что позволяет при разрешении неоднозначности иметь значительно более грубое приближенное значение определяемого рас­ стояния.

Так, положим, что измерение производится на двух фиксированных ч а с т о т а х /, и /. Тогда согласно (10.34) имеем:

= Nl + 0 1 ;

( 1 0 3 6 ) ° ~7~ D = (N + n) ~ +~ - ф. (10.36) t Решая уравнения (10.36) относительно N получим:

Xt п\ +\Ф - Xi ф 2 2 2 х "i = \ \ ~ • (10-37) Подставляя значение N в первое уравнение (10.36), найдем x Обозначая — ^ ' ^ через A и учитывая (10.38), будем иметь:

t 2 D= п -^- + ^- ф _4, ). (10.39) ( 2 Подставляя в формулу (10.39) приближенное значение D\ находим п:

- Л,, ( i / / - i//,) ID 2 :

л= —. (10.40) Сравнение последних формул показывает, что для измерения расстоя­ ния вместо длины волны \ используется длина волны разностной х частоты Л J 2» которая больше, чем X i, в г- раз.

* Ai — Л.

Для правильного округления п необходимо, чтобы дробная часть Д п удовлетворяла неравенству |Дл| -у-, Л 1. а это равносильно условию \AD\\ — |.

Например, для \ = 30 м и \ = 29,5 м искомое расстояние должно х быть заранее приближенно известно с ошибкой, не превышающей 442 м., т.е. в 60 раз грубее, чем при измерении на одной частоте. Введение третьей, близкой к фиксированной частоты модуляции дает воз­ можность использовать приближенное расстояние, известное с ошиб­ кой A D в несколько километров.

Способ измерений с использованием нескольких фиксированных частот модуляции находит применение в основном в дальномерах с фото­ электрической регистрацией светового потока. Основными преимуще­ ствами этого способа по сравнению со способом плавного изменения частот являются возможность измерения малых расстояний, соизмери­ мых с разрешающей способностью фазометра, и более высокая точность измерений, так к а к современные технические возможности позволяют получить высокую стабильность фиксированных частот модуляции све­ тового потока.

Таким образом, при этом способе минимальное число частот — две:

/ — основная частота, f — вспомогательная частота, необходимая для x определения числа N целых фазовых циклов, получаемых при измере­ нии расстояния на основной частоте. Вспомогательная частота значитель­ но меньше основной, а ее значение определяется из условия однозначно­ го определения максимального расстояния 1а Л Т7Г— max Это означает, что разность фаз Д^ измеренная на вспомогательной час­ р тоте модуляции, не должна быть больше фазового цикла. Из изложенно­ го можно дважды определить величину измеряемого расстояния:

v Д^, D= (10.42) V Д4 ч V 2г ' т If где Ау 2 л - разность фаз в пределах последнего фазового цикла, полученная при измерении на основной частоте модуляции /. Число N целых фазовых циклов определяют по формуле Л Г = л Av0 (10 43) *' * или с учетом, что коэффициент многозначности К = f:f х lf А\Д^, - Д^ N=. (10.44) Вычисленное по формулам (10.43) и (10.44) значение N округляют до ближайшего целого и используют для точного определения D по вто­ рому уравнению системы (10.42).

В [18] приводится следующая формула для ошибки определения числа целых фазовых циклов:

27/ Г, 0 «лг = • О- ) где у/2 — коэффициент, учитывающий остаточное влияние всех осталь­ ных неучитываемых погрешностей.

Учитывая, что должно быть m 0,16 и что д и ^ заранее известна N д после выбора фазоизмерительного устройства, в [ 18] приводится макси­ мальное значение коэффициента многозначности, при котором еще га рантируется однозначное определение числа целых фазовых циклов а 1а *х = v ° 1Г~' т Л Ду Так к а к при современных методах измерений минимальное значение погрешности т составляет несколько угловых минут, коэффициент д многозначности К\ = 1000. Учитывая, что практически получаемые ве­ личины т у больше минимальных значений, получаемых обычно в ла­ А бораторных условиях, для большей надежности для практических расче­ тов принимают К = 100-10.

х Допустимая погрешность измерения разности фаз, обеспечивающая однозначное измерение максимального расстояния, 0,К—?—. (10.47) При измерении минимальных расстояний число целых фазовых циклов уменьшается и его определение упрощается. Это означает, что свето дальномерами с несколькими фиксированными частотами модуляции можно измерять без ограничения любые малые расстояния. Если до­ пустимая погрешность т д ^ при двух частотах не может быть гарантиро­ вана, измерения ведут на трех или более фиксированных частотах, од­ на из которых основная, а остальные - вспомогательные.

Сопоставление способов определения числа целых фазовых циклов указывает на то, что способ нескольких фиксированных частот являет­ ся предпочтительным, так к а к обеспечивает минимальные частотные погрешности и возможность измерения без ограничения любых малых расстояний. Вместо фазовращателя в таком светодальномере использу­ ют оптическую линию задержки [18, 22].

В соответствии с требованиями ГОСТ 19223-82 геодезические све тодальномеры можно разделить по назначению, точности и дальности действия на три группы:

1. Г - светодальномеры, применяемые в Государственной геодезиче­ ской сети.

2. П - светодальномеры, применяемые в прикладной геодезии и маркшейдерии.

3. Т - светодальномеры, применяемые в геодезических сетях сгуще­ ния и для выполнения топографических съемок.

Допускаемое значение средней квадратической ошибки светодаль номеров определяют по формуле m = ( а + М), D где а и Ъ - коэффициенты;

D- измеряемое расстояние.

Для светодальномеров группы Г а = 5;

10;

Ь = 1,2-1СГ, пределы измерения от 0,5 до 1 5 - 2 0 к м. Для светодальномеров группы П а =0,3;

0,5;

1;

2;

b = (0,5;

1;

2;

3) • 10", пределы измерения от 0,002 до 0,1 3 к м. Д л я светодальномеров группы Т а - 5;

10;

Ь- (2;

3;

5 ) 1 0 ~, пределы измерения от 0,002 до 1-15 к м.

§ 62. Функциональные схемы основных типов светодал ьномеров На рис. 111 приведена схема интерференционного светодальномера, в ко­ тором обычно используется схема асимметричного двухлучевого интер­ ферометра Майкельсона. Полупрозрачное зеркало 2 делит выходящий из передающей оптической системы световой поток на два. Один из них проходит путь вдоль измеряемой линии до зеркала 3 и обратно, дру­ гой — до опорного зеркала 1 и обратно. В приемной оптической системе по результатам интерференции этих потоков определяют величину измеряемого расстояния. Величина максимального расстояния, измеря­ емого при помощи интерференционного дальномера, определяется временной когерентностью источника света. Современные интерференци­ онные дальномеры позволяют непосредственно в длинах волн несущих колебаний измерять расстояния до нескольких десятков метров с по­ грешностью до сотых долей микрометра. Однако малая длина волны и влияние атмосферы не позволяют использовать интерференционные дальномеры для полевых геодезических измерений. Применение лазе­ ров позволяет повысить когерентность излучения и увеличить длину волны методом уменьшения частоты биений двухчастотных лазеров, но при этом значительно возрастают габариты резонатора.

Указанные технические трудности ограничивают использование интерференционных дальномеров лишь в качестве компараторов для контрольных измерений высокоточных линейных рабочих мер и шкал геодезических приборов и определении малых деформаций инженерных сооружений.

Как было отмечено, в модуляционных светодальномерах, к а к пра­ вило, применяют модуляцию немонохроматического потока излучения но интенсивности (реже — по поляризации).

В и м п у л ь с н ы х светодальномерах излучение света производится в виде кратковременных импульсов с большой скважностью. При ис­ пользовании лазеров с внутренней модуляцией можно получить им­ пульсы длительностью несколько пикосекунд. Внутренняя импульсная модуляция непосредственно в источнике излучения позволяет значитель­ но повысить интенсивность импульса и обеспечить существенное увели­ чение дальности измерений. В настоящее время в импульсных светодаль­ номерах используют, к а к правило, твердотельные рубиновые или неоди мовые лазеры с внутренней модуляцией. Измерение времени произво­ дится непосредственно, для чего используются различные радиотехниче­ ские средства: электронно-лучевые трубки с линейным генератором развертки, калиброванные электрические цепи временной задержки, быстродействующие дискретные счетчики и др. Схема импульсного све­ тодальномера приведена на рис. 112. Передающая оптическая система i/?ep.OC\ \гми хм/мл скви\ тя \гкви\ \ПерЛС\ \ПрЖ\ \ПрЖ\ Рис. 111. Схема интерференционного све- Рис. 112. Схема импульсного свето дальномера то дальномера;

/ — опорное зеркало;

2 — полупрозрач­ ное зеркало;

3 - отражатель;

Пер. ОС — передающая оптическая система;

ПР. ОС — приемная оптическая система с импульсным источником света формирует излучение с узкой направ­ ленностью. Электрический старт-импульс от генератора модулирующих импульсов ГМИ одновременно поступает в источник излучения и триг герную ячейку ТЯ (в некоторых схемах используется пороговый дис­ криминатор), открывая счет импульсов. Калиброванные временные импульсы поступают через триггерную ячейку на счетчик калиброван­ ных временных импульсов СКВИ от постоянно действующего генера­ тора ГКВИ. Счетчик производит счет импульсов, пока открыта триггер ная ячейка. Стоп-импульс на прекращение счета (закрытие триггерной ячейки) соответствует моменту прихода в приемную оптическую систе­ му отраженного импульса.

Величину измеряемого расстояния определяют по формуле vt vN D = —г- * —-, (10.48) где N - число калиброванных временных импульсов, зафиксированных счетчиком;

/ - частота следования калиброванных временных им­ и пульсов.

Современные импульсные светодальномеры обеспечивают измере­ ние расстояний с максимальной погрешностью порядка 10 см. Они находят все большее применение в спутниковой геодезии, а также могут быть использованы при крупномасштабной топографической съемке.

Основными преимуществами импульсных светодальномеров явля­ ются: простота функциональной схемы, быстродействие, возможность наиболее эффективного использования источника излучения.

В ф а з о в ы х светодальномерах, к а к было указано, время опреде­ ляют косвенным способом - сравнением фаз излучаемого и принима­ емого световых потоков. Разность фаз в пределах фазового цикла может быть измерена непосредственно или компенсационным способом.

Функциональная схема фазового светодальномера с фазоизмерительным устройством ФУ представлена на рис. 113, я. Разность фаз определяется непосредственно. Электрический сигнал от генератора модулирующей 18 - B.C. Плотников гмч пер.ос ПерЖ\ гмч •ал ПрЖ Пр. ос ФВ д Рис. 113. Схемы фазовых светодальномеров:

а — с непосредственным измерением разности фаз;

б — с компенсационным изме­ рением разности фаз частоты ГМЧ используется для модулирования излучаемого светового потока и поступает одновременно в ФУ. От приемной оптической систе­ мы на другой вход ФУ поступает электрический сигнал, фаза которого соответствует фазе принимаемого светового потока. В качестве ФУ мо­ жет быть использована, например, электронно-лучевая трубка с приме­ нением способа круговой развертки. В целях автоматизации процесса измерения разности фаз стремятся заменить аналоговые способы изме­ рения дискретными - цифровыми способами. Современные цифровые фазометры обеспечивают точность измерения разности фаз до 10, т.е.

погрешность составляет несколько угловых минут.

Фазовые светодальномеры с непосредственным измерением разности фаз по процессу измерения и конструкции проще светодальномеров, в которых разность фаз измеряется компенсационным способом. Демо­ дулятор отсутствует, что позволяет более эффективно использовать све­ товой поток. Приемником излучения должен быть малоинерционный фо­ тоэлектрический приемник. Однако измерение разности фаз компенса­ ционным способом обеспечивает более высокую точность, чем непосред­ ственное измерение, поэтому в геодезических светодальномерах измере­ ние разности фаз компенсационным способом является предпочти­ тельным.

Схема фазового светодальномера с компенсационным измерением разности фаз представлена на рис. 113, б.

Здесь фазоизмерительное устройство заменено фазовращателем Ф, добавлены демодулятор Д, находящийся в приемной оптической систе­ ме, и индикатор И, позволяющий по величине светового потока, про­ шедшего через демодулятор, фиксировать разность фаз излучаемого и принимаемого световых потоков.

При помощи фазовращателя путем электрической линии задержки создают фазовый сдвиг, равный или соответствующий измеряемой раз­ ности фаз. На демодулятор подается электрический сигнал, прошедший фазовращатель. Об изменении разности фаз А*р принимаемого свето­ вого потока и электрического сигнала судят по изменению интенсивно­ сти среднего интегрального светового потока, прошедшего через демо гмч Пер. ОС гг с \Пр.ОС ФД Рис. 114. Схема фазового светодальномера с измерением разности фаз на промежу­ точной (разностной) частоте дулятор. Электрический сигнал, соответствующий прошедшему через демодулятор световому потоку, поступает в индикатор. Отсчет по шка­ ле фазовращателя производят в момент, когда разность фаз равна определенному значению. Если у? = 0, то фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, будет равен измеряемой разности фаз Ду?.

При компенсационном измерении разности фаз точность существен­ но выше непосредственного измерения, так к а к остается по существу лишь погрешность индикации разности фаз.

Точность можно повысить путем применения более высоких частот, но при этом процесс измерения разности фаз существенно усложняется.

Весьма эффективным является измерение разности фаз на более низкой по сравнению с частотой модуляции C J, так называемой проме­ жуточной частоте 2:

(10.49) 12 = CJ H где C J — частота вспомогательного (гетеродинного) генератора.

B На рис. 114 показана схема светодальномера с фазовращателем, действующим на промежуточной частоте. Электрические сигналы, соот­ ветствующие излучаемому и принимаемому модулированным световым потокам, поступают соответственно в смесители С и С, в которые по­ х дается и электрический сигнал с частотой C J от гетеродинного генера­ b тора ГГ. Выделенный после смесителя С сигнал с чатотой 2 поступа­ г ет в фазовращатель и фазовый детектор ФД, а сигнал, выделенный после смесителя С, поступает в фазовый детектор непосредственно. Для исключения фазовых ошибок производят определение разности фаз повторно на другой промежуточной частоте, используя другую часто­ ту C J гетеродинного генератора.

b Промежуточная частота значительно меньше модулирующей и обыч­ но не превышает 100 кГц, поэтому уменьшение частоты методом гете родинирования значительно ослабляет влияние временных задержек в электрических цепях на точность измерения разности фаз и упрощает конструкцию фазовращателя.

ч гмч Лвр. ОС 'Л ОКЛ ФП Ф /7/7.0С и / Рис. 115. Схема фазового светодальномера с калибровкой отсчетов по шкале фазо­ вращателя оптической калибровочной линией Для исключения погрешностей, вызванных нестабильностью фазо­ вращателя, производят его калибровку при помощи специальной опти­ ческой линии. Длина пути / определяется непосредственно отсчетом по шкале оптической калибровочной линии и является измеряемой раз­ ностью фаз, выраженной в линейной мере, т.е.

Ау = / (10.50) v Поскольку размеры оптической калибровочной линии обратно пропорциональны частоте модуляции, при частотах модуляции более 100 МГц она может иметь вполне приемлемые габариты.

Схема фазового светодальномера с фазовращателем и оптической калибровочной линией ОКЛ приведена на рис. 115. Зеркала 1 и 2 служат для включения ОКЛ.

Комбинированные светодальномеры разрабатывают с целью повы­ шения точности импульсных светодальномеров и увеличения дальности действия фазовых светодальномеров. Они строятся по импульсно-фазо вой функциональной схеме, что позволяет вести низкоточные измерения импульсным способом, а точные — фазовым.

С целью увеличения дальности действия [18] применяют светодаль­ номеры с активным отражателем.

Таким образом, в настоящее время получили наиболее широкое применение фазовые, импульсные и комбинированные светодальномеры.

Для геодезических светодальномеров предпочтительной является схема фазового светодальномера. При одинаковой частоте модуляции более точными являются фазовые светодальномеры с измерением разности фаз компенсационным способом.

При использовании импульсных источников излучения или полу­ проводниковых лазеров и светодиодов в импульсном режиме излуче­ ния, применяемом с целью увеличения дальности действия, оптималь­ ной следует считать схему комбинированного (фазово-импульсного) светодальномера [18].

Для использования в спутниковой геодезии оптимальной можно считать схему импульсного светодальномера с твердотельным импульс ным лазером в качестве источника излучения, что позволяет существен­ но повысить эффективность использования излучаемого светового по­ тока. Весьма важным и перспективным преимуществом импульсного способа является также то, что он позволяет вести измерения в лока­ ционном режиме (использование отражения света от самой поверхности объекта, расстояние до которого измеряется).

§ 63. Оптические системы светодальномеров, их основные части и элементы Оптическая система светодальномера состоит из передающей части, отражателя и приемной части.

Назначение оптической системы светодальномера — узконаправ­ ленное излучение, отражение и прием модулированного светового пото­ ка. Передача и прием световой энергии должны обеспечиваться с мини­ мальными потерями. При этом должны удовлетворяться требования по точности и дальности измерений.

Потери лучистой энергии определяются отношением потока Ф, п принимаемого приемником, находящимся в приемной части, к потоку Фист излучаемому источником излучения, находящимся в передающей части [18]:

_ г ^пер^отр ^пр ^ а (10.51) А а ^ист где Апер, К р, К — коэффициенты эффективности передающей ОТ пр оптической системы, отражателя и приемной оптической системы соот­ ветственно;

АГ - коэффициент ослабления потока вследствие турбу­ а лентности атмосферы;

г - коэффициент пропускания атмосферы на а 1 к м ;

S - измеряемое расстояние.

Выражения для определения коэффициентов эффективности раз­ личных частей оптической системы будут даны далее. Точно значение коэффициента К определять весьма сложно. Влияние турбулентности г атмосферы особенно сказывается при измерении значительных расстоя­ ний и существенно зависит от длительности измерений и времени их про­ ведения в течение суток.

Программой и методикой измерений влияние турбуленции атмо­ сферы может быть ослаблено. Косвенно о влиянии турбулентности ат­ мосферы можно судить по расширению AD диаметра пучка лучей, вызванному турбулентностью, которое можно найти по эмпирической формуле [18] 6 ь AD = 9 1 0 " - 5, (10.52) где S — расстояние в метрах.

Значение коэффициента пропускания г атмосферы зависит от дли а Рис. 116. Обобщенная схема передающей оптической системы светодальномера ны волны излучения. Примерное значение г можно определить, исходя а из условий визуальной видимости. Значение г колеблется от 0, 9 а (идеальная видимость) до 0, 8 2 (удовлетворительная видимость). При проектном расчете светодальномера следует, очевидно, брать минималь­ ное значение т 0,7.

а Ослабление силы света источника атмосферой можно определить по приближенной формуле / = / rf, (10.53) где S - расстояние, к м.

Передающая система. Обобщенная схема передающей системы при­ ведена на рис. 116. Передающая система состоит из источника света излучателя размером Д* т конденсора со световым диаметром D, С K модулятора М (в случае внешней модуляции) и передающего объек­ тива диаметром /пер и с фокусным р а с с т о я н и е м /. пер Коэффициент эффективности передающей оптической системы све­ тодальномера, в которой осуществляется внешнее модулирование ин­ тенсивности излучаемого потока, можно определить из выражения = ^пер ^ист V M ^ O H 2(1 + 7 ) ' (Ю.54) где А ' - коэффициент использования источника излучения;

г, г, ист к м г о п ~ коэффициенты пропускания соответственно конденсора, моду­ лятора и объектива передающей оптической системы;

m - глубина модуляции;

7 - коэффициент нелинейных искажений, вносимых моду­ лятором.

При использовании светодальномера с активным отражателем излучаемый активным отражателем световой поток может быть моду лирован по интенсивности дважды. Для этого случая т (2 - т) (10.55) т т т ^пер ^ист к м о п 4(1 + 7) где т - глубина дополнительной модуляции.

Параметры модуляторов т, т и у приведены в литературе [18]. м Коэффициенты пропускания оптических систем г определяются по оп известным из прикладной оптики зависимостям.

Коэффициент использования источника определяется отно­ шением 9 (10.56) К с и ст ~ 14 и пл и с т ' где 2 - телесный угол источника, используемый в действительности;

И К - коэффициент использования излучающей площади источника;

пп S - излучающая площадь источника.

Hcr Выходной апертурный угол 2 о ' конденсора должен быть согласо­ ван с относительным отверстием модулятора или объектива, чтобы использовать всю площадь зрачка передающего объектива.

Конденсор изображает с увеличением V излучатель размером K в плоскости действующей диафрагмы модулятора (в фокаль­ ист м ной плоскости объектива). При этом изображение излучающего участка поверхности источника должно заполнить всю площадь S действующе­ M 2 2 го отверстия модулятора, т.е. 5 V S или D D V. ИСТ К M M HCT K Исходя из изложенного, можно написать следующие очевидные со­ отношения:

/ Г е р Vк Пи ^п 4 о' (10.58) 2 в f в я ^ист •'пер где 2 о = 2 о '/V — угол охвата конденсорной оптической системы, K пер (10.59) ' пер а так к а к = (I г е ^ к ) / к » Д / к ~ фокусное расстояние конденсо ~ pa, то пер (10.60) 1 - V 'пер С учетом выражений (10.54), (10.56), (10.57) коэффициент эффек­ тивности передающей оптической системы светодальномера для случая однократной внешней модуляции интенсивности излучаемого светово го потока может быть получен по формуле *пер " r т r. (10.61) K оп M d ист ист ' Из рис. 116 следует, что расходимость передаваемого пучка в первом приближении равна "к ^ с т ^ (10.62) 'пер ер дистанция формирования (оформления) пучка Z Для безаберраци­ онной системы, когда плоскость светящейся площадки приведенного (расчетного) источника излучения* D V находится в плоскости наи­ HCT K лучшей установки, будет Z =-^--^/. (10.63) 0 n e p пер м Использование различных излучателей и модуляторов вызывает соответствующие изменения в схеме передающей системы, в располо­ жении ее элементов и требованиях к ним.

Некогерентные источники света (лампы накаливания, дуговые лам­ пы) дают изотропное (примерно равномерное во все стороны) излуче­ ние в широком спектре. Для обеспечения хорошей направленности такого излучения и хорошего качества принимаемого изображения необходимы сложные с хорошей коррекцией аберраций оптические сис­ темы. Излучение лазеров неизотропное, в узком диапазоне спектра, поэтому достаточно высокую направленность можно обеспечить отно­ сительно простыми системами, а к коррекции хроматической аберра­ ции высоких требований не предъявляется.

Рассмотрим несколько частных случаев общей схемы (см. рис. 116).

1. Излучатель - газовый лазер.

На конденсор надает узкий, почти параллельный пучок, передающая система близка к телескопической. Расходимость передаваемого пучка 1к ^ист 0 = 26' = = — т ^ - = 20Г, (10.64) пср Aiep ^пер где Г = / / / „ р - увеличение передающей системы.

к С Для когерентных источников света - лазеров угол расхождения лу­ чей в световом пучке (рад.) может быть определен по приближенной зависимости 0 ~ 1,2 Ху/1, где Х - длина волны излучения, м к м ;

п к / - длина оптического резонатора, мм. С помощью простой телеСкопи Коллимирующая телескопии, система ACT f d ~Гпер Г/А Pric. 777. Оптические схемы передающей оптической системы светодальномеров:

а — коллимирующая система типа трубы Кеплера;

б — источник света — лазер, коллимирующая оптическая система типа трубы Галилея;

в — источник света — светодиод ческой системы (рис. 117, а) расходимость уменьшается приблизитель­ D nep/ K в D аз т е в Г но = /пер//к Р '- ^ Р* ' 2. При внутренней модуляции светового потока, а также при исполь­ зовании модулятора, требующего узкого параллельного пучка (ячейка Поккельса), его удобно установить непосредственно после лазерного излучателя, а конденсор выполнить в виде отрицательного компонента, который вместе с передающим объективом образует телескопическую систему типа трубы Галилея (рис. 117,6). Продольные габариты пере­ дающей оптической системы уменьшаются, а при мощном лазерном излучении, необходимом, например, для импульсных светодальномеров, устраняется опасность электрических пробоев, существующая в системах с фокусируемым лазерным излучением (на рис. 117, а — труба Кеплера).

В случае, когда источником излучения является лазер и применена кол­ лимирующая телескопическая система, коэффициент эффективности передающей оптической системы определяется выражением (10.65) пер 2(1 + 7) где r - коэффициент пропускания телескопической коллимирующей T системы.

При использовании внутренней модуляции, например, в полупровод­ никовом лазере, из схемы (см. рис. 117,6) исключается модулятор, а коэффициент эффективности передающей системы определяется вы­ ражением Т (1 + (10.66) *пер = 1Я)|Я, Т где т — глубина модуляции.

3. Несмотря на недостатки, связанные с фазовостыо пучка, в пере­ дающих системах используется модулируемый по питанию светодиод (рис. 117, в ), устанавливаемый в фокальной плоскости передающего объектива. Поскольку модуляция внутренняя, модулятор отсутствует.

Относительное отверстие объектива определяется диаграммой направ­ ленности излучения светодиода (в спонтанно работающих светодиодах — до 6 0 °, в лазерных диодах диаграмма имеет сложную форму).

Коэффициент эффективности передающей системы со светодиодом (см. рис. 117, в) определяют по формуле г г *пе * к оп —7 * (10.67) Р ист •'пер Отражающая система. Отражатель должен захватить и направить в приемную систему максимальную часть светового потока, излучаемо­ го передающей системой светодальномера.

В качестве отражателей могут быть использованы плоские, сфери­ ческие и параболические зеркала;

зеркально-линзовые отражатели;

уголковые отражатели, в числе которых отражатели в виде призменного тетраэдра (трипельпризмы). Наиболее простым отражателем является плоское зеркало, но оно требует очень точной ориентировки (ошибка не более 2—4"), и поэтому от его применения в большинстве случаев отказываются.

Наибольшее распространение получили отражатели, не требующие точной ориентировки, и среди них — зеркально-линзовые отражатели и трипельпризмы. Отражатели изготавливают в виде мозаики из N одинаковых элементов, что позволяет при равной площади сбора потока обеспечить меньшую расходимость отраженного пучка и более равномер­ ную облученность по сравнению с одноэлементным отражателем.

На рис. 118 приведена оптическая схема многоэлементного (мозаич­ ного) з е р к а л ь н о - л и н з о в о г о о т р а ж а т е л я. На рис. 118,а показан зеркально-линзовый элемент с одним отражением, состоящий из объек­ тива 1 с диаметром Д » (диаметр входного и выходного зрачка) и фо­ л кусным расстоянием / ' и плоского зеркала 2. Отражащая поверхность зеркала 2 находится в фокальной плоскости объектива 1. В целях со­ кращения габаритных размеров или увеличения фокусного расстояния при тех же размерах применяют зеркально-линзовые элементы с двумя Рис. 118. Оптические схемы зеркально-линзовых отражателей отражениями (рис. 118,6"). Вместо объектива может быть использовано зеркало Манжена с д в у м я неконцентрическими сферическими поверх­ ностями (рис. 118, в ).

Зеркально-линзовый отражатель необходимо ориентировать относи­ тельно приемопередающей системы светодальномера с погрешностью не более нескольких угловых минут. Например, для одного из зеркально линзовых отражателей погрешность ориентирования, равная 10', при­ вела к 4 %-ному виньетированию светового потока.

Т р и п е л ь п р и з м а - элемент призменного мозаичного отражателя (рис. 119) имеет три взаимно перпендикулярные отражающие грани и входную грань в виде правильного шестиугольника. Световые лучи, упавшие на входную грань, после поочередного отражения от всех трех отражающих граней выходят из призмы в направлении, обратном и па­ раллельном первоначальному. Это свойство трипельпризмы позволяет ориентировать ее относительно светодальномера довольно грубо (не­ сколько градусов). Однако с целью обеспечения пренебрегаемо малых изменений постоянной поправки светодальномера и действующей площа­ ди входного зрачка следует ориентировать трипельпризму с погреш­ ностью не более 1 °, что значительно грубее любого отражающего элемен­ та другого типа. Следует отметить, однако, что к точности изготовления трипельпризмы предъявляются довольно высокие требования, так что трипельпризма является дорогим элементом.

Расходимость отраженного от отражателя светового пучка можно определить по формуле [20] VC + Оотр = *от. (Ю.68) PI Р % где 0 ^ э л / ^ " расходимость попадающих на отражатель лучей OTpi (зависит от диаметра, но не от типа элемента);

0 - расходимость, отр вызванная погрешностями изготовления отражательного элемента (зависит от типа элемента).

Д л я зеркально-линзового отражательного элемента расходимость в р определяется расфокусировкой линзы, ее аберрациями и децентри 0Т ровкой, наклоном и клиновидностью зеркал и т.п. Суммарная расходи­ мость при относительном отверстии линзы не более 1:5 и соблюдении обычных конструктивных и технологических требований не превыша­ ет 30".

Для трипельпризмы угол расхождения 0 определяется в основ­ отр ном погрешностью Да изготовления двугранных прямоугольных углов.

% В [20] показано, что 0 т р Ю Д а. Современный уровень изготовле­ О ния призм позволяет получить ошибку Аа не более 1". Таким образом, минимальная расходимость пучка из-за погрешностей изготовления % к а к трипельпризмы 0 т р ^ • Так часть расходимости 0 т р, зависит О 2 о от расстояния и обратно пропорциональна ему, при значительных рассто­ яниях (свыше нескольких километров) расходимость отраженного светового потока будет определяться в основном второй частью, т.е.

можно принять 0 « 0 тр •охр О Весьма важное значение приобретает возможность измерения рас­ стояния до объекта в локационном режиме, особенно при создании измерительных комплексов для космической геодезии. Эта возможность появилась благодаря развитию лазерной техники, созданию мощных лазеров. Специальный отражатель отсутствует, а отражателем является диффузно рассеивающая поверхность самого объекта (рейка, здание, спутник, поверхность земли и т.п.). Диффузно рассеянное отражение возникает, если размеры неровностей отражающей поверхности больше длины волны света. Телесный угол, в котором распространяется отра­ женный световой поток, равен ет, что значительно больше телесного угла, падающего на поверхность светового пучка. Отсюда — большие потери энергии и соответственно большие требуемые мощности свето­ вого потока.

Для этого случая яркость L (или лучистость) освещенной поверх­ ности может быть найдена по закону Ламберта L = р—, (10.69) где р — коэффициент отражения (Альбедо) поверхности;

Е — освещен­ ность отражающей поверхности.

Освещенность Е определяют по формуле 4ф ист*пе Р Е = ~77в—77—• (Ю.70) _ где Ф световой поток, излучаемый источником.

иСТ П р и е м н а я о п т и ч е с к а я с и с т е м а геодезического светодальномера (рис. 120) обычно состоит из следующих основных элементов: объекти­ ва 1, демодулятора 2, линзовой согласующей системы 5, светофильт­ ра 4, приемника излучения 5. В визуальных светодальномерах приемная 2 3 г* Г' Рис. 120. Обобщенная оптическая схема приемной оптической системы светодаль­ номера оптическая система аналогична зрительной трубе, в которой сетка нитей заменена демодулятором. При использовании фотоэлектрических прием­ ников излучения демодулятор отсутствует, а его функции выполняет приемник излучения. Выше указывалось, что в фазовых светодальноме­ рах с непосредственным измерением разности фаз и в импульсных свето­ дальномерах демодулятор также отсутствует.

Диаметр Д, входного зрачка приемной системы должен быть не р более диаметра / ) е р выходного зрачка передающей оптической системы, П поскольку с увеличением D возрастают одновременно полезный и np фоновый потоки, а при увеличении D возрастает только полезный nepi поток. Учитывая, что влияние турбулентности атмосферы при увеличе­ нии диаметра входного зрачка D уменьшается, при измерении боль­ np ших расстояний (более нескольких десятков километров) диаметр входного зрачка выбирают не менее 50 м м. Аберрационная коррекция объектива приемной системы выполняется менее тщательно, чем для объектива передающей системы. Поэтому относительное отверстие объ­ ектива приемной системы можно выполнить большим по сравнению с передающей оптической системой.

Угловое поле приемной оптической системы светодальномера по ана­ логии с другими оптическими системами определяется следующей за­ висимостью:

= 2 arctg - ~, (10.71) 2и где 2у' — линейное поле приемной оптической системы;

/ ' — фокусное расстояние объектива приемной оптической системы.

Размер линейного поля определяется: в системах с демодулято­ ром — диаметром входного окна демодулятора, т.е. 2у' = D^;

в системах без демодулятора линейное поле должно быть не меньше диа­ метра Doxp изображения отражателя в фокальной плоскости объекти­ ва приемной оптической системы, т.е.

(10.72) где S - измеряемое расстояние, а - суммарная угловая аберрация объектива приемной оптической системы [а 0,2 (2 со)];

N- число эле­ ментов мозаичного отражателя;

О - диаметр входного (выходного) эп зрачка отражательного элемента;

/ ' - фокусное расстояние объектива приемной оптической системы.

Специальная оптическая система 3 (см. рис. 120), чаще всего линзо­ вая, служит для согласования диаметра D' изображения отражателя OTp с оптимальным диаметром D (освещенного пятна в плоскости чувст­ вительной зоны приемника). Увеличение 0 этой системы будет Л с 0л.с = • (Ю.73) отр Величина D выбирается исходя из типа приемника, оптимального раз­ мера его наиболее чувствительного участка. Например, для большинства фотоэлектронных умножителей, применяемых в светодальномерах, D = (0,6 - 2,0) м м.

Светофильтре (см. рис. 120) применяют для обеспечения спектраль­ ной селекции принимаемого светового потока от фонового потока.

Освещенность /Г, создаваемую отраженным световым потоком в плоскости входного зрачка приемной системы, можно найти по фор­ муле 4 т * и с т *пер *отр *а а ^ •=, (10.74) где 0* S - площадь кружка в плоскости входного зрачка прием­ тр ной оптической системы.

Поскольку приемная и передающая системы функционально и кон­ структивно объединены в одном блоке, целесообразно рассмотреть осо­ бенности общей системы приемопередатчика.

Оптические системы приемопередатчиков можно разделить на три группы: разнесенные, совмещенные и коаксиальные.

Разнесенные системы имеют раздельные передающую и приемную части, оптические оси которых параллельны. Разнесенные системы при­ менены в таких светодальномерах, к а к геодиметры моделей 2, 3, (Швеция);

EOS и БОК (ГДР), советские светодальномеры ЭОД-1, СВВ-1, СГ-2М и др. Разнесенные системы имеют некоторые светодально­ меры с газовыми лазерами, например советский "Кварц" и геодиметр, модель 8 (Швеция), а также светодальномеры с полупроводниковыми излучателями, например МСД (СССР), БОК 2000 (ГДР), "Дистомат" (Швейцария) и др. При использовании лазерных излучателей оказыва­ ется целесообразным выполнять передающие и приемные системы неидентичными.

На рис. 121 представлена схема приемопередатчика светодальномера "Кварц". В качестве источника света используется газовый гелий-неоно вый лазер 1 типа ЛГ-56, излучение которого через призму 2 фокусиру­ ется конденсором 3 в рабочем зазоре конденсатора Керра 4 находя­ щегося в фокальной плоскости линзового передающего объектива = (Aiep 45 м м, / = 348,7 м м ). Приемный зеркально-линзовый теле­ пер объектив б, 7, 8 имеет относительное отверстие 1:7, / = 966 м м ;

пр = Aip 138 мм. Зеркально-линзовый компонент наклеен на плоскопа­ раллельное защитное стекло б, что позволяет закрыть внутреннюю плос­ кость приемной трубы. Принимаемое излучение проходит через перемен­ ный нейтральный фильтр 9, состоящий из двух клиньев из стекла НС-10, и прямоугольной призмой 10 направляется в плоскость раздвижной диафрагмы 11. Также прямоугольной призмой 12 излучение направля­ ется на фотокатод 15 (ФЭУ-38) через интерференционный фильтр 13 и конденсор 14. Двухлинзовая конденсорная система изображает на фото­ катоде с уменьшением выходной зрачок приемного объектива.

Для осуществления визирования через приемную систему после 17 VV« »* ST ffl rTTi v — * t — — \ Рис. 122. Оптическая схема геодиметра, модель 8 (Швеция) раздвижной диафрагмы 77 в пучок лучей может быть введена прямо­ угольная призма 76, отклоняющая принятый пучок в микроскоп с сеткой нитей. Калибровка прибора осуществляется с помощью линии короткого замыкания постоянной длины. Она состоит из двух просвет­ ленных плоскопараллельных пластинок 18 и 79, установленных под углом 45° к оси после модулятора в передающей системе и перед фоку­ сирующим объективом в приемной системе. Между пластинками поме­ щена линзовая двухкомпонентная система 20, которая преобразует вы­ шедший из модулятора пучок в параллельный, полностью заполняющий фокусирующий объектив 8 приемной системы.

Светодальномер "Кварц" имеет также отдельный визир 27, состоя­ щий из ахроматического объектива и симметричного окуляра с сеткой.

Отражатель светодальномера "Кварц" состоит из трех блоков по трипельпризм со стороной входной грани С = 28 мм и точностью изго­ товления прямых углов ± 2 ". При благоприятных условиях дальность измерений достигала 70 к м.

На рис. 122 приведена оптическая схема шведского геодиметра (модель 8), которая отличается относительной простотой и небольши­ ми габаритами [20]. В качестве источника света используется He-Ne лазер с хорошими параметрами, что позволяет в благоприятных услови­ ях измерять расстояния до 100 к м.

В качестве передающей системы используется труба Галилея с Ц ^ р = 20 м м. Она обеспечивает а = 10~ рад. Излучение лазера пер попадает в передающую систему б, пройдя призму 2 и модулятор на кристаллах DKDP. В корпусе модулятора смонтированы анализатор и фазовая пластинка Х/4 J, обеспечивающая фиксированное положение рабочей точки на середине линейного участка характеристики модуля­ тора ( Г = я / 2 ).

Для лучшего отыскания отражателя перед передающим объективом может быть включена откидывающаяся анаморфотная система 7, кото­ рая растягивает передаваемый пучок в вертикальной плоскости до 0,25.

Приемная система — зеркально-линзовая с = 90 мм, / = 600 мм.

п р В нее входят сферическое зеркало 9 и отрицательный трехлинзовый компонент 70, который вместе с 90-градусной призмой укреплен на защитном стекле 8л Фокусировка приемной системы осуществляется осевым перемещением сферического зеркала 9. В фокальной плоскости приемной системы могут быть помещены три сменные полевые диаф­ рагмы 13 (0,2;

0,3;

0,5 м м ) или прямоугольная призма 14, отклоняю­ щая принятый пучок в визирное устройство, состоящее из оборачиваю­ щей системы из двух ахроматических объективов 79 и 21, призмы Дове 20 между ними и окуляра 22. В пучок лучей перед фокальной плос­ костью могут быть введены либо интерференционный фильтр 77, либо эквиралентная пластинка 72. За фокальной плоскостью установлен нейтральный фильтр переменной плотности 75 и конденсорная линза 76, которая через призму 7 7 оптически сопрягает фокальную плоскость с фотокатодом 18 ФЭУ. Для калибровки прибора часть передаваемого пучка может быть направлена непосредственно в приемную систему с помощью призмы 23 с крышей ( Б к Р — 180°). Эта призма укреплена на откидывающейся заслонке, закрывающей при калибровке приемную и передающую системы. Для грубой ориентировки приемопередатчика служит визир 24 типа оптического прицела с вынесенным зрачком.

Отражатель, к а к и у геодиметров других моделей, собирается из раз­ личного числа унифицированных призм фирмы AG А. Они имеют размер С = 30 м м, погрешность прямых углов не более 1".

Общей особенностью оптических систем приемопередатчиков с раз­ несенными осями является то, что при строго параллельных осях пере­ дающей и приемной систем оптимально использовать лучистый поток отражателя удается только на сравнительно больших расстояниях. При измерении коротких расстояний системами с параллельными осями трипельпризмам отражателя придают удлиненную форму в виде пря­ моугольной призмы с крышей (светодальномеры "Дистомат" и МСД).

Если искусственно увеличить угол рассеяния трипельпризм, то для опти­ мального использования отраженного светового потока оси передающей 19 - B.C. Плотников —в Рис. 123. Оптическая схема светодальномера СМ- и приемной систем необходимо сводить на отражателе, что весьма слож­ но. Стремление к упрощению решения задачи по оптимальному исполь­ зованию отраженного потока на любых расстояниях привело к появле­ нию совмещенных и коаксиальных приемопередающих систем свето­ дальномеров.

В с о в м е щ е н н ы х системах используется общий приемопередаю­ щий объектив, обслуживающий оба канала, причем одна часть площади зрачка работает в передающем, а другая часть - в приемном канале.

Это может быть осуществлено, например, использованием двугранного разделительного зеркала, разделяющего зрачок объектива по диаметру (советский светодальномер ТД-1), использованием евстоделительного зеркала в виде наклонной пластины с зеркальными полосами (совет­ ский светодальномер КДГ-3). Чаще такое разделение осуществляется наклонным кольцевым зеркалом. Такая схема применена в светодаль номере СМ-2 (рис. 123). Основной объектив - трехкомпонентный ахро­ мат 4, центральная часть зрачка которого является передающей, а пери­ ферийная кольцевая часть - приемной зонами. Центральная часть зрачка объектива, обслуживающая передающий канал, работает также в каче­ стве объектива визира, с сеткой 13 и симметричным окуляром 14.

Разделение пучков достигается наклонным зеркалом 5 с центральным отверстием.

Совмещение передающего и визирного каналов осуществляется с помощью дихроичного зеркала 5, отражающего излучение полупро­ водникового свето диода 1 после конденсорной линзы 2 (предающий канал) и пропускающего излучение видимой области спектра (визир­ ный канал). Возвратившееся от отражателя излучение, пройдя перифе­ рийную зону объектива и отразившись от кольцевого зеркала, соби­ рается в плоскости нолевой диафрагмы 6. Изображение этой диафраг­ мы объективом 7 через призму 8 м интерференционный фильтр 9 пере­ дается на фотокатод ФЭУ 10. Для получения нулевого отсчета в систе­ му периодически вводится блок оптического короткого замыкания, состоящий из трипельпризмы 12 и линзы 11.

* 3 3" 9 Ю ft Рис. 124. Оптическая схема светодальномера "Кристалл** Чтобы получить возможность совместить в одном объективе пере­ дающий и приемный канал с использованием всей площади зрачка в обоих каналах, необходимо передаваемый и принимаемый потоки поляризовать во взаимно перпендикулярных плоскостях, а разделение их в оптической системе производить с помощью какого-либо биполя ризационного устройства. Для того чтобы лучистый поток, вьпледший из приемопередающей системы через один из каналов биполяризацион ного устройства, после отражателя прошел через другой канал, его необходимо дважды пропустить через пластину Х/4.

Поляризационное совмещение передающего и приемного каналов делает их полностью идентичными, что существенно уменьшает систе­ матические погрешности и дает возможность использовать модулятор одновременно и для демодуляции принятого сигнала. На рис. 124 пред­ ставлена оптическая схема отечественного визуального топографичес­ кого светодальномера "Кристалл", где использован изложенный прин­ цип. Основной приемопередающий зеркально-линзовый объектив имеет относительное отверстие 1:5,4;


свободное отверстие 100 м м ;

перемещением линзового объектива 6 осуществляется фокусировка от 10 м до °°.

Перед линзовым объективом расположена Х/4 пластинка 7, а его задняя фокальная плоскость совпадает с серединой пластин конден­ сатора Керра 5. Между ячейкой Керра и окуляром 11 установлена обо­ рачивающая система из двух ахроматических объективов 4 и 9 с парал­ лельным ходом лучей между ними, В передней фокальной плоскости окуляров установлена сетка-коллектив 10, рассчитанная с учетом необ­ ходимого вынесения выходного зрачка при каждом сменном окуляре х (увеличение 28,35 и 4 8 ). Между объективами оборачивающей системы установлен призменный биполяризатор 5. С целью снижения коэффи­ циента рассеяния света около биполяризатора в каналах осветителя и визира помещены поляроиды 3' и 3".

Тело накала лампы СЦ-78 1 с помощью конденсора 2 и первого объ­ ектива 4 оборачивающей системы изображается с уменьшением в середи­ не рабочего зазора конденсатора Керра 5.

Отражатель светодальномера состоит из блока трипельпризм, накле 19* Рис. 125. Оптическая схема геодиметра, модель 6 (Швеция) енных входными гранями на круглую плоскопараллельную стеклянную пластинку. Для исключения деполяризации отраженного света отража­ ющие грани призм алюминированы.

Коаксиальные с и с т е м ы занимают промежуточное положение между разнесенными и совмещенными. Передающая и приемная системы расположены на одной общей оси, но являются совершенно самостоя­ тельными. Коаксиальная приемопередающая система впервые была реализована в советском светодальномере ГД 300.

Приведем описанную в [20] схему геодиметра модели 6 шведской фирмы АСА, в котором коаксиальная система реализована в довольно удачном конструктивном варианте (рис. 125). Основные оптические элементы передающей и приемной систем расположены в наклоняемой трубе, поддерживаемой двумя полыми горизонтальными полуосями.

Конденсатор Керра с поляроидом расположен слева от трубы на геометрической оси ее вращения. Свет от лампы накаливания 1 направ­ ляется в конденсатор Керра 4 при помощи конденсора 2 и прямоуголь­ ной призмы 3. Далее свет через фокусирующий компонент 5 проходит в наклоняемую трубу и зеркальным кубиком б, расположенным на пере сечении оптической оси трубы и оси ее вращения, отклоняется на 9 0 °.

Затем он проходит через отрицательный компонент 7 и заполняет всю поверхность кольцевого сферического зеркала 8 с Онар — 100 м м и = 50 м м. После отражения от зеркала свет параллельным пучком вн через плоскопараллельные стеклянные пластины 9 и 70, поддержива­ ющие элементы приемной системы выходит на дистанцию. Если при измерениях используют ртутную лампу 77, располагаемую вне корпуса прибора, то ее излучение фокусируется дополнительным конденсором 72 через прямоугольную призму 13 на то место, где располагается нить лампы накаливания.

Приемная система с весьма тщательной коррекцией имеет D = np = 50 мм и / „ р = 600 м м. Попавший в нее световой поток проходит трехлинзовый положительный компонент 14, отрицательный компонент 75 и после отклонения зеркальным к у б и к о м 6 проходит через пару котировочных клиньев 16. Они необходимы для того, чтобы направить ось принятого пучка точно вдоль горизонтальной оси вращения трубы.

За клиньями расположен фокусирующий компонент 77 такого же ти­ па, как и 5. Фокусировка (от 15 м до ) осуществляется одновремен­ но перемещением фокусирующих компонентов 5 и 77. Дальнейший ход лучей зависит от положения переключателя светового потока. Если он находится в положении "отражатель", то свет попадает непосред­ ственно на переменную полевую диафрагму 18, расположенную в фо­ кальной плоскости приемной системы вне наклоняемой трубы. Затем свет проходит круговой переменный нейтральный фильтр 79, одна половина которого объединена с оранжевым фильтром, и астигматиче­ ской линзовой системой 20 собирается на фотокатоде 21 ФЭУ в виде пятна размером 1,5x0,3 мм. Если же переключатель светового потока находится в положении "калибровка", то непрозрачный экран закры­ вает приемный канал и открывает калибровочный канал. В этом случае свет из передающей системы при помощи неподвижных призм 22, 23, и наклонной плоскопараллельной пластины 25 попадает непосредственно в фокальную плоскость приемной системы.

Для визирования через приемную систему выдвижным зеркалом перехватывают пучок после фокусирующего компонента и направляют его в плоскость сетки 27, которая рассматривается через систему линз х 28, призм 29 и о к у л я р 30. Увеличение визирного канала 25. Прибор имеет также дополнительный поисковый визир и прожектор для отыска­ ния отражателя.

§ 64. Источники и приемники излучения, применяемые в светодальномерах В качестве источников излучения в светодальномерах применяют лампы накаливания, газоразрядные источники излучения, светодиоды и лазеры.

При выборе источника излучения учитывают следующие их характерис­ тики: мощность, степень направленности излучения, спектральные харак­ теристики лучистого потока, портативность, экономичность и стоимость, надежность работы в различных физико-географических условиях и при транспортных перегрузках, срок службы, простоту конструкции и экс­ плуатации, возможность осуществления внутренней модуляции.

В настоящее время преимущественное применение получили лазер­ ные излучатели, все реже применяют лампы накаливания и газоразряд­ ные источники излучения.

Лазерные излучатели. В геодезических светодальномерах в настоя­ щее время используются в большинстве случаев газовые и полупровод­ никовые лазеры, а в импульсных светодальномерах - твердотельные лазеры.

Из газовых лазеров наибольшее практическое применение нашли гелий-неоновые лазеры непрерывного излучения, обеспечивающие наи­ большую мощность на длине волны 0,6328 м к м. Пульсации мощности излучения не превышают 10%, потребляемая электрическая мощность не более 100 Вт, мощность излучения 2 — 3 мВт, диаметр пучка не более 10 мм, расходимость 8 - 1 0 '. Гелий-неоновые лазеры удовлетворительно работают при изменении температуры окружающей среды от —40 до +40 °С и при ударных нагрузках до 10#. К их положительным свойствам можно отнести также малый уровень шумов (менее 1 0 ~ ), высокую стабильность частоты (выше 10~ ) и оси диаграммы направленности излучения (лучше 10~ ), простоту эксплуатации и относительно большой ресурс работы (до 5000 ч).

В светодальномерах-рефрактометрах, работающих на двух длинах волн, может быть использован вместе с гелий-неоновым лазером гелий кадмиевый (He-Cd) лазер, наибольшая мощность излучения в котором - (до Ю Вт) получена в непрерывном режиме на длине волны 0,4416 м к м. Параметры пучка гелий-кадмиевого лазера близки к анало­ гичным параметрам гелий-неонового лазера, однако гелий-кадмиевый лазер характеризуется повышенным уровнем собственных шумов излу­ чения и малым ресурсом работы (до 1000 ч).

В § 63 отмечалось, что при расчете лазерный излучатель рассматри­ вается как светящийся круг диаметром, помещенный в фокальной ист плоскости безаберрационной оптической системы с фокусным расстоя­ нием / „ е р - В этом случае D = -20/, где 20 - расходимость ла­ HCT пер зерного пучка. Если имеется конденсор с фокусным расстоянием /, то к в его фокальной плоскости получим пятно (расчетный излучатель) раз­ = мером D „ = ^Г-^ист fL CT •'пор Тогда без учета потерь в конденсоре энергетическая яркость расчет­ ного излучателя составит 'л L =, (10.75) — (D ) v. ист' Таблица 2 0, рад Лазер P 2 СО, м 2,, Вт'м стер Вт sv ЛГ- 1,2 10- з ЛПЫ05 J 2 10" 310" е 2.5 ЛГ-75 3 3 • 10" 410" 3 25-10" "Спектра Фи­ зик" тип 120 3 К7 10" 0,65 10" 5-КГ 6.6 где Р - мощность лазера, -~- (0^ ) — площадь расчетного излуча л ст 7С ГО теля, 2 = — — — телесный угол, а 2 со - диаметр пучка лазера. Выра fк »

жение (10.75) можно переписать в виде р -2 L = 0,1 — — Л В т - м - с т е р " ]. (10.76) (со0) Для импульсного лазера в формулу (10.76) необходимо подставить значение импульсной мощности Р в Дж/с, тогда получим энергетичес­ и 2 1 кую яркость в импульсе [ Д ж - м " -стер" • с" ].

Вычисленные но формуле (10.76) энергетические яркости различ­ ных лазеров позволяют сопоставить влияние отдельных параметров из­ лучаемого пучка (табл.9).

Полупроводниковые лазеры созданы на основе различных химиче­ ских элементов и в настоящее время весьма разнообразны [20, 36].

Особый интерес для геодезических светодальномеров представляет полупроводниковый лазер (полупроводниковый диод) на арсеииде галлия (GaAr). В отличие от газовых и твердотельных лазеров расходи­ мость полупроводниковых лазеров может достигать до 30° и более.

Непрерывное индуцированное излучение возможно только при глубоком охлаждении (например, в жидком азоте), при этом плотность тока, проходящего через диод, превышает некоторое критическое значение.

При обычной температуре кристалл в таком режиме работы быстро перегревается, излучение прекращается, возможно даже разрушение кристалла. При температурах от - 5 0 до +50 °С работа полупроводнико­ вого лазера возможна в двух режимах: в режиме импульсного индуци­ рованного излучения или в режиме непрерывного, но рекомбинацион ного излучения — в режиме светодиода. Так к а к основное условие ра­ боты фазового светодальномера - непрерывный характер светового излучения, то единственным приемлемым режимом работы является режим рекомбинационного излучения, т.е. режим светодиода, хотя эксплуатационные характеристики полупроводникового лазера в этом случае существенно хуже, чем при индуцированном излучении. Особенно сильно уменьшается мощность излучения. Так, если выходная мощность индуцированного непрерывного излучения при охлаждении кристалла из GaAs в жидком азоте и мощности возбуждения 50 мВт составляет 10-25 мВт (т.е. КПД может достигать 50%), излучаемая мощность ре комбинационного излучения составляет доли милливатта 0,2 мВт).


Для светодиода на арсениде галлия максимум рекомбинационного излучения происходит на волне около 0,9 м к м, ширина спектра около 0,03 м к м. Незначительная инерционность инжекционных источников излучения (светодиодов и полупроводниковых лазеров) позволяет осу­ ществить внутреннюю модуляцию излучения практически по линейному закону на частотах до 1 ГГц.

Следует отметить, что глубина модуляции в полупроводниковых лазерах примерно соответствует току, а в светодиодах она в 2 — 3 раза меньше глубины модуляции тока.

Положительные характеристики светодиодов — легкость осущест­ вления внутренней модуляции излучения, портативность (размеры не превышают 5 - 6 м м, масса 3 г ), устойчивость к вибрациям с амплитудой до 5^ и ударным нагрузкам до 35 g возможность работы при темпера­ y турах от - 6 0 до +80 °С, значительный срок службы (до 10 000 ч) - об­ условили применение светодиода из GaAs в качестве источника излуче­ ния при создании современных фазовых геодезических светодальноме­ ров для измерения коротких расстояний (до 2 - 5 к м ).

К основным недостаткам светодиодов относится малая мощность излучения, значительная расходимость и значительная фазовая неодно­ родность (до 3 0 - 4 0 ° ) модулированного излучения.

Представляют интерес исследования по работе полупроводниковых лазеров в режиме длительных импульсов с целью уменьшения перегрева и разработке на этой основе светодальномеров, работающих в импульс но-фазовом режиме.

Твердотельные лазеры используют при разработке импульсных светодальномеров, например, для спутниковой геодезии. Наибольшее применение получили рубиновый лазер, легированный хромом, с длиной волны излучения 0,6943 м к м и стеклянный лазер, легированный неоди­ мом, с длиной волны 1,06 м к м. В твердотельных лазерах на рубине в режиме модулированной добротности можно получить импульсы дли­ тельностью 4 - 4 0 не с энергией излучения 0, 2 - 1,0 Дж. Лазеры на неоди мовом стекле в связи с возможностью увеличения размеров стеклянно­ го стержня могут обеспечить еще большую энергию импульсного излу­ чения.

Получение очень коротких и мощных импульсов достигается благо­ даря использованию в лазере оптико-механического или электрооптичес­ кого затворов (модуляторов добротности). В качестве модуляторов добротности используют электрооптический модулятор Поккельса, ячейку Керра, механические и другие модуляторы.

В режиме свободной генерации длительность импульса составляет Ge V 1 \ 1г A TV \ JV \ 2,0 Л (мкм) 0 Ofl Of 1,2 А(мкм) A \ y t \. 0 0,5 UO 1,5 2,0 Л (мкм) Рис. 126. Спектральные характеристики источников света:

а — зависимость спектральной плотности излучения от длины волны и температуры тела накала: 1 — лампа накаливания;

2 — галогенная лампа накаливания;

б — газо­ разрядные лампы: 1 — цезиевая;

2 — ртутная;

в — светодиоды не менее 0,2 мс, а мощность по сравнению с режимом модулированной добротности уменьшается до 10" раз.

Л а м п ы н а к а л и в а н и я относятся к тепловым источникам излуче­ ния, в которых под воздействием нагрева происходит излучение метал­ лическим телом накала и неравномерное распределение энергии излуче­ ния в зависимости от длины волны. Эффективную длину волны, соответ­ ствующую максимальному значению спектральной плотности излучения, можно найти, пользуясь законом Голицына-Вина, *эф = ' (Ю.77) где Т - абсолютная температура.

Для повышения яркости свечения лампы накаливания до 15 х 6 х 1 0 к д - м " за счет увеличения цветовой температуры тела накала, колбу изготовляют из кварца и заполняют газообразным соединением галогена (йода, брома). Почти вся энергия, излучаемая лампами накали­ вания, сосредоточена в видимой и ближней инфракрасной областях опти­ ческого диапазона (рис. 126).

Отличаясь простотой конструкции и дешевизной, лампы накалива­ ния обладают существенными недостатками: малые световая отдача и яркость свечения, значительная инерционность и небольшой срок служ­ бы (несколько сотен часов).

Люминесцентные газоразрядные источники излучения, к которым относятся криптоновые, ксеноновые, ртутные и другие лампы, могут обеспечить к а к непрерывное, так и импульсное (до 1 м к с ) излучение, но в более у з к о м спектральном диапазоне по сравнению с лампами на­ каливания (рис. 126,6).

Криптоновые и ксеноновые лампы имеют сплошной спектр излуче­ ния с максимумом от 0,76 до 1,00 м к м. Яркость излучения этих ламп 9 достигает 10 кд-м"*.

Основными недостатками газоразрядных источников излучения яв­ ляются большие размеры, значительная потребляемая мощность, слож­ ность включения, нагрев при работе, высокое давление в колбе ртутных ламп [до ( 7 - 8 ) ' 1 0 Па] и сравнительно небольшой срок службы.

Промежуточное положение между лампами накаливания и газораз­ рядными источниками излучения занимают электродосветовые лампы, дуговая аргон-циркониевая лампа типа ДАЦ, в которой излучает капля циркония, расплавленного при помощи дугового электрического раз­ ряда. Размеры капли не превышают 1 м м, яркость свечения не менее 7 3 - Ю к д - м ~, спектральный состав излучения подобен спектру лампы накаливания с Х ф « 1 м к м. Эксплуатация дуговых ламп несколько Э сложнее, чем ламп накаливания, для зажигания требуется подать на их рабочие электроды напряжения в несколько киловольт.

Роль приемников света в светодальномерах выполняют глаз челове­ ка, фотоэлектронный умножитель ФЭУ и фотодиод ФД. При использо­ вании светодальномера в дневных условиях максимальная чувствитель­ % ность глаза наблюдателя соответствует Х ф 0,56 м к м, а спектральная Э чувствительность лежит в диапазоне от 0,38 до 0,78 м к м, в ночных усло­ виях Х ф « 0,51 м к м. При "дневном зрении" глаз способен регистриро­ Э 5 3 вать световые потоки от 10" до 10 л м, а при "ночном зрении" от 10*" до 10** л м. Процесс перехода от одного вида зрения к другому назы­ вается адаптацией глаза. Адаптация на "ночное зрение" заканчивается только через 3 0 - 40 мин, а для адаптации на "дневное зрение" достаточ­ но 30 с. При переходе от дневного к ночному зрению диаметр зрачка увеличивается от 3 - 4 до 8 - 9 м м. Наибольшая контрастная чувстви­ тельность глаза порядка 2% наблюдается при яркости от 60 до 12 000 к д - м ". Глаз обеспечивает высокую избирательность, однако обладает значительной инерционностью порядка 0,1 с и субъективностью восприятия.

В светодальномерах часто используют фотоэлектронные умножители ФЭУ. Они имеют высокую интегральную, пороговую и контрастную чувствительность, практически линейную световую характеристику.

Спектральная характеристика ФЭУ зависит от состава светочувствитель­ ного слоя фотокатода и может быть очень широкой (от ультрафиолето­ вой до дальней инфракрасной области спектра).

При выборе приемника излучения учитывают спектральную харак­ теристику излучателя. Так, для приема излучения гелий-неонового ла­ зера (X = 0,6328 м к м ) выбирается ФЭУ с областью спектральной чув­ ствительности 0,30-0,82 м к м. В общем случае, если известна интеграль нал чувствительность приемника по эталонному излучателю 5, то его Э чувствительность 5 по реальному излучателю составляет:р где К и К - коэффициенты использования приемника по реальному р э и эталонному излучателям, показывающие, какую долю сложного лучис­ того потока, падающего на приемник, составляет эффективный для этого приемника поток. Коэффициенты использования вычисляют ме­ тодом графического или численного интегрирования, используя зави­ симости:

/ p (\)S(\)d\ S y (X)S{\)d\ v _ о. ^ к к = J (A)A J^ (X)JX p о о где S(\) - относительная спектральная чувствительность приемника.

Значения коэффициентов использования приводятся в специальной литературе*.

Пороговая чувствительность Ф, интегральная чувствительность пор Sj и темновой т о к / обычно известны из паспортных данных ФЭУ. т Световой поток $h, несущий измерительную информацию при конт­ растной чувствительности К ФЭУ, можно определить из выражения к ф = ф " Т7Т-[( по —-2/: Ф ) ± Р ф 2 К к 'т / I ~ t 2 2 + J(ф 2К Фл.) +4 (—К Ф 1 + Ф + Ф1ф — т 'т (10.78) где Фф - световой поток от фона.

Контрастная чувствительность К может быть представлена отно­ к шением Ф' пор К =—, (10.79) к ф Ф ф + п где Ф - значение порогового светового потока при значительных пор уровнях световых потоков Ф и Фф п •См., например, Павлов А.В., Черников А.И. Приемники излучения автомати­ ческих ОЭП. М., Энергия, 1972.

Ф + ф *п** (10.80) Отношение сигнал/шум можно записать в виде:

. с TI р=—% 2/ Д / [ / + 5, ( Ф + Ф ) ш Я / 0 " т 'п Д + + 'ф) т п ф (10.81) где q - заряд электрона;

Д / ^ 1/2 RC;

R - входная нагрузка;

с — ем­ кость входной цепи ФЭУ.

Для обеспечения необходимой надежности целесообразно, чтобы отношение сигнал/шум р = с/ш 10.

Фотодиоды также находят применение в качестве приемников излучения. Широкое распространение получили кремниевые и германи­ евые фотодиоды. Спектральные характеристики фотодиодов представ­ лены на рис. 126, е. У кремниевых фотодиодов Х ф = 0,85 м к м, у гер­ Э маниевых Х ф = 1,55 м к м. Интегральная чувствительность кремниевых Э 1 1 фотодиодов достигает 5 А-Вт" (9 м А л м " ), германиевых - 10 А Вт" (25 мА л м " ). Темновые токи фотодиодов обычно не превышают не­ скольких микроампер. Постоянная времени фотодиодов обычно поряд­ 6 ка 10" с и может быть доведена до 10" с.

Применение фотоэлектрических приемников позволяет осуществить в светодальномерах синхронное детектирование и гстсродинироваиие амплитудно-модулированных световых колебаний с целью получения низкочастотного сигнала.

§ 65. Модуляторы светового потока Для обеспечения необходимой точности измерений световое излучение должно быть модулировано масштабной частотой.

Процесс модуляции оптического излучения состоит в изменении по определенному закону одного из параметров частоты, фазы или интен­ сивности светового потока. Д л я осуществления модуляции оптического излучения могут быть использованы два основных способа.

1. Способ внутренней модуляции, при котором воздействие на излу­ чение происходит в самом источнике излучения, например внутри резона­ тора генерирующего лазера.

2. Способ внешней модуляции, при котором воздействие на излуче­ ние происходит вне источника излучения.

В н у т р е н н я я м о д у л я ц и я в настоящее время применяется преиму­ щественно в полупроводниковых лазерах при работе их в режиме свето­ диода. В этом случае используется практически линейная зависимость интенсивности излучения от величины тока, пропускаемого через диод.

Внешняя модуляция осуществляется следующими путями:

механическим;

интерференционным;

дифракционным (ультразвуковой модулятор);

на основе электрооптического эффекта двойного лучепре ломления и некоторыми другими. В настоящее время лишь механиче­ ский способ можно отнести к неперспективным, остальные способы при­ меняются и найдут применение в перспективных разработках светодаль­ номеров.

Для целей светодальнометрии предпочтительно достижение макси­ мальной добротности модулятора. Это необходимо для получения боль­ шой глубины модуляции при малых, средних мощностях, потребляемых модулятором. Кроме того, к модуляторам света предъявляются следую­ щие основные требования: малая инерционность;

линейная зависимость сдвига фазы от приложенного напряжения;

малые световые потери;

сохранение высокой добротности при перестройке резонансной частоты;

отсутствие разности фаз модуляции по сечению пучка;

малые габарит­ ные размеры и масса;

устойчивость работы в сложных экспедиционных условиях.

Указанные пути осуществления модуляции светового потока позво­ ляют создать модуляторы двух типов, что определяет принцип работы дальномера:

1. Модуляторы с плавным изменением частоты модуляции.

2. Модуляторы, работающие на фиксированных частотах.

М е х а н и ч е с к и й способ модуляции светового потока, получивший самое первое практическое применение, основан на прерывании свето­ вого потока с помощью механических устройств, например вращающе­ гося стеклянного диска с радиальными прозрачными и непрозрачными штрихами. Недостатки механического модулятора — недостаточная стабильность частоты модуляции, громоздкость, значительная потребля­ емая мощность - обусловили необходимость создания других, более со­ вершенных модуляторов.

Интерференционный способ модуляции впервые осуществлен А.А. Лебедевым в светодальномере ГОИ еще в 1935 г. Принципиально основу этого модулятора составляет интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого пьезоэлектрическое. Под действием синусоидально­ го напряжения частоты с о, приложенного к пьезоэлектрическому зер­ м калу, разность хода 7 между интерферирующими лучами изменяется по закону синусоиды + sin w r У = ?о M 7™ Установкой оптимальных величин у и у добиваются максималь­ 0 т ной амплитуды при основной частоте, тогда уравнение амплитудно моду­ лированного светового потока примет вид ф * = о + ф sin w r м M Интерференционный модулятор в таком виде не нашел применения из-за сложности юстировки и недостаточной прочности при работе в поле­ вых условиях. Известны работы по замене пьезоэлектрического зерка­ ла на кристалл, обладающий достаточно сильным электрооптическим эффектом двойного лучепреломления. Это, возможно, обеспечит более высокие эксплуатационные качества.

Д и ф р а к ц и о н н ы е у л ь т р а з в у к о в ы е м о д у л я т о р ы основаны на использовании колебаний ультразвуковой частоты, которые создаются элементом, обладающим пьезоэффектом (кварц, турмалин и др.).

Под влиянием ультразвуковых колебаний периодически меняются плотность и показатель преломления прозрачной среды, в которой эти колебания распространяются.

Возникает своеобразная дифракционная решетка, созданная ультра­ з в у к о м в прозрачной среде (акустико-оптический эффект). В качестве прозрачной среды в акустико-оптических модуляторах используют кварц, некоторые марки стекол, раствор спирта в воде и т.п.

В модуляторах с одним плоским излучателем дифракционная ре­ шетка создается бегущей ультразвуковой волной, поэтому частота моду­ ляции света равна частоте излучателя ультразвука. Такая частота моду­ ляции для геодезических светодальномеров является недостаточной.

Поэтому в прозрачной среде путем установки отражателя или встречного излучателя создают систему стоячих ультразвуковых волн, увеличивая в два раза по сравнению с частотой излучения ультразвука частоту моду­ лирования света.

Поскольку кристаллические акустико-оптические модуляторы явля­ ются более предпочтительными по сравнению с жидкостными, рассмот­ рим принцип модуляции светового потока на основе кристаллического модулятора на кварце (рис. 127,а). При наличии переменного модули­ рующего напряжения, приложенного к противоположным граням кварца и совпадающего с одной из его резонансных частот, в кристалле под влиянием обратного пьезоэлектрического эффекта возникают механиче­ ские колебания по толщине, которые проявляются к а к стоячие ультра­ звуковые волны.

Известно, что резонансные колебания в кварцевой пластинке возни­ кают при условии, когда по толщине пластинки укладывается целое число стоячих полуволн упругих (ультразвуковых) колебаний где / - одна из резонансных частот;

N - целое число (N = 1, 2,... ) ;

р v — скорость распространения ультразвуковых колебаний;

/ — толщи­ на пластинки.

= Отсюда следует, что / = - y ^ N, где h$ v /f.

2 p Уравнение стоячих волн упругих колебаний, возникающих в квар­ цевой пластинке, имеет вид 2Лх а = 2 A cos—— sinco r, (10.82) M где х - расстояние по оси стоячей волны от грани, к которой приложено переменное напряжение;

А - амплитуда колебания в пучности стоячей волны;

с о — частота возбуждающего пластинку напряжения (модули­ м рующая частота).

Под влиянием стоячих волн упругих колебаний оптическая плот­ ность р кварцевой пластинки по отношению к пропускаемому через нее параллельному световому пучку изменяется закономерно:

р = —— ;

— sin — — sin с о Л (10.83) м ах л Л 3 Примерно по этому же закону изменяется и показатель преломления кварцевой пластинки, мгновенное значение которого на расстоянии х будет п — п + An sin sin с о Г, (10.84) 0 м где п - величина показателя преломления при отсутствии упругих ко­ лебаний;

An - амплитуда изменения показателя преломления в пучности стоячей волны плотности.

Очевидно, что показатель преломления остается неизменным в узлах стоячих волн плотности. Возбужденная пластинка кварца воздействует на проходящий через нее параллельный пучок как дифракционная ре­ шетка с переменными оптическими свойствами. В течение одного пери­ ода возбуждающего кварц напряжения такая решетка дважды возни­ кает и дважды исчезает, а световой поток имеет амплитудную модуля­ цию Ф = Ф + Ф sin со Г, причем частота модуляции / получается 0 м м м в два раза больше частоты возбуждающего напряжения, т.е. / = 2 с о.

м м Ультразвуковой модулятор потребляет не более 1 —2 Вт электричес­ кой мощности, имеет коэффициент пропускания около 70%, работает на фиксированных частотах. Ультразвуковой модулятор впервые был предложен в 1934 г. советскими учеными Л.И. Мандельштамом, Н.Д. Па пал екси, Г.Е. Ландсбергом. Дифракционный модулятор был использован в светодальномерах ГД-300 и ГДМ, созданных в ГОИ им. С И. Вавилова.

Этот дифракционный модулятор состоял из кюветы с прозрачными стен­ ками, заполненной жидкостью, в которой на определенном расстоянии (кратном Х /2) помещались пьезопластинка и отражатель или две плас­ тинки из титаната бария (ВаТЮ ). Кювета заполнялась 17-процентным раствором этилового спирта в воде, что не требовало термостатирования.

Однако дифракционные модуляторы с жидкостным исполнением в со­ временных светодальномерах не применяются.

Описанный выше дифракционный модулятор из кристалла кварца использован в светодальномере EOS, созданном в ГДР народным пред­ приятием "Карл Цейсе".

В Ереванском политехническом институте им. К. Маркса в высоко­ точном светодальномере был применен ультразвуковой дифракционный модулятор на кристалле ниобата лития. Он обеспечивал стабильную модуляцию светового потока на частоте 150 МГц при изменении темпе­ ратуры окружающей среды от —10 до +40 °С.

Модуляция света на основе электрооптического эффекта двойного лучепреломления. При этом виде модуляции используется сильно выра­ женный эффект двойного лучепреломления, свойственный ряду веществ при помещении их в электрическое силовое поле. Модуляция обеспечи­ вается пропусканием света через электрооптическую ячейку. Ячейка состоит из трех элементов: поляризатора, двоякопреломляющего элект­ рооптического элемента и анализатора. При использовании в светодаль­ номерах линейно поляризованного лазерного излучения надобность в поляризаторе отпадает. Физической основой для модуляции света явля­ ется управляемый электрическим путем фазовый сдвиг ф между дву­ v мя световыми лучами в электрооптической среде. В электрооптических модуляторах в качестве двоякопреломляющего элемента используют вещества, в которых фазовый сдвиг ф находится или в квадратичной Х) зависимости от напряженности электрического поля — квадратичный элсктрооптический эффект (эффект Керра), или зависимость эта выра­ жается линейным законом - линейный эффект (эффект Покксльса).

До недавнего времени в геодезических светодальномерах особенно ши­ роко использовался модулятор, работающий на квадратичном электро­ оптическом эффекте — ячейка Керра.



Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.