3.2. Світловіддалеміри

О свете и радіовіддалеміри. В світловіддалемірів радіовіддалемірів длина волны модуляции может лежать в диапазоне от 0,6 м до 20 м, что отвечает частоте F от 500 Мгц до 15 Мгц. Чем больше F, тем точнее віддалемір. Несущая же частота f намного выше, чем F, и, соответственно, длина волны несущей v/f намного меньше длину волны модуляции v/F.

Несущая волна большинства радіовіддалемірів составляет 3см (f=10000МГц=1010Гц), а в світловіддалемірах длина волны несущей - это длина волны света, которая, например, при использовании неоновый^-неонового-гелий-неонового ( Не-Nе) лазера равняется 0,63 мкм. Это красный свет с частотой f  5·1014 Гц.

Таким образом, с принципиальной точки зрения світловіддалеміри и радіовіддалеміри отличаются лишь длиной волны несущих колебаний - в радіовіддалемірах она на 4-5 порядков больше, чем в світловіддалемірах. Но такое отличие всего лишь в одном параметре приводит к резкому отличию этих приборов в схемных и конструктивных отношениях, поскольку для оптических волн и радиоволн применяются абсолютно разные методы передачи, модуляции и приема.

В данное время геодезические радіовіддалеміри не выпускаются и представляют лишь исторический интерес (см. Введение).

Фазовые світловіддалеміри. На рис.3.5 показанная обобщенная блок-схема фазового світловіддалеміра. Излучаемое источником свет пропускается через модулятор, управляемый генератором модулюючої частоты F. Как модулятор в последнее время чаще всего применяется электрооптический модулятор Поккельса, работа которого основана на линейном электрооптическом эффекте (эффекте Поккельса).

Рис.3.5. Обобщенная блок-схема фазового світловіддалеміра

Теория эффекта связана с кристалооптикою и довольно сложная; здесь следует отметить лишь, что модулятор является кристаллом в форме параллелепипеда, к верхней и нижней граням которого приложенное напряжение от генератора. Поляризованный свет, который входит в торец кристалла линейно превращается в выходе из кристалла в свет с эллиптической поляризацией, у которого вид эллипса под действием сменной модулюючої напряжения от генератора периодически меняется (см. таблицу 2.1) с частотой F, то есть свет модулируется за поляризацией. Такую поляризационную модуляцию потом превратят в амплитудную, то есть модуляцию света по интенсивности, поставивши на пути светового пучка поляризатор (который в этом случае называют анализатором), ось пропуска которого перпендикулярная направлению поляризации, которая входит в кристалл излучения.

С помощью передаючої оптической системы модулированный свет направляется на отражатель, установленный в конечной точке линии, которая измерится. Как отражатель обычно используются угловые призмы (одна или несколько в едином блоке), которые владеют тем замечательным свойством, что свет отображается в том же направлении даже при развороте призмы до 30^о. Часть отображенного света поступает в приемочную оптическую систему и направляется на приймально-фазометричний устройство, основными компонентами которого является фотоприемник (приемник света) и фазометр.

Как фотоприемник используется фотодиод или фотоэлектронный помножувач (ФЕП), преобразующий свет в электрический сигнал, который поступает на один вход фазометра. На второй вход фазометра подается сигнал от генератора масштабной частоты, который служит опорным сигналом. Фазометр измерит различие фаз между опорным сигналом и тем, что пришел из дистанции. В современных світловіддалемірах используется цифровой фазометр.

Идея цифровых (дискретных) фазовых измерений заключается в том, что искомое различие фаз превратится в соответствующий интервал времени, которое потом измеряется путем подсчета числа импульсов ( с известным периодом повторения) за этот интервал.

Рис.3.6. Принцип построения гетеродинной схемы світловіддалеміра

По сути дела, здесь используется тот же принцип, который и во временном (импульсному) методе віддалеметрії (см. рис.3.3), но с некоторыми существенными отличиями. Во-первых, опорный сигнал и сигнал из дистанции синусоидальные, и с них формируются прямоугольные импульсы; электронный ключ приоткрывается передним фронтом импульса опорного сигнала и закрывается передним фронтом импульса дистанционного сигнала. Во-вторых, поскольку различие фаз двух синусоидальных сигналов может быть найденная только в пределах от 0 до 2 (величина  в формуле (3.5)), интервал времени между старт - и стоп-импульсом равняется не полному времени распространения , а дробовой части  периода колебаний той частоты, на которой работает фазометр. Другими словами, электронный ключ окажется открытым на некоторое время , связанный с измеренным различием фаз , соотношением  = 2F_ф, где F_ф - частота сигналов, которые поступают на фазометр. Эта частота обычно намного ниже за частоту модуляции F, что производится генератором масштабных частот, и образовывается в результате гетеродинування, для чего в схему вводится гетеродин (см. рис.2.3, где низкая частота обозначена через f). Такую схему называют гетеродинной схемой. Принцип ее построения показан на рис.3.6.

В опорном канале частоты генератора и гетеродина смешиваются в радиотехническом смесителе См, а в сигнальном канале функцию смесителя выполняет фотоприемник, на который поступает частота от гетеродина и свет, модулированный с частотой генератора. Напомним, что при гетеродинуванні фазовые соотношения не меняются, и потому значения  на низкой разностной частоте F_ф остается таким же, как и на частоте модуляции F.

Чтобы результат измерений был получен в виде расстояния, частота счетных импульсов, как и при временном методе, выбирается численно равной половине скорости света при определенных условиях ( с дальнейшим введением поправки на реальные условия измерений). Для обеспечения десятичной системы отсчета частота счетных импульсов f_сч должна быть связана с частотой F_ф, что поступают на фазометр сигналов соотношениям

f_сч = 10^k F_ф, (3.12)

где k – целое число. Обычно k = 3, что обеспечивает точность результата до 0,001 от масштабной единицы длины, то есть от половины длины волны модуляции. При типичной частоте модуляции близко 15 Мгц (/2 = 10 м) это дает 1 см. Для повышения точности проводится не однократное, а многократное измерение различия фаз (например, 1000 отдельных измерений, которые наступают один за одним на протяжении приблизительно 10с), и результаты измерений усереднюються. Усредненный по многих измерениях результат выдается на электронное цифровое табло на один разряд точнее, то есть окончательная точность выходит 0,0001 от /2 ( в приведенном выше примере – 1 мм).

Через нестабильность электронных компонентов фазовый сдвиг сигналов за время измерений может меняться на значительную величину. Влияние этого фазового дрейфа может компенсироваться введением в схему линии «оптического короткого замыкания» (ОКЗ), показанной на рис.3.6 пунктиром. По линии ОКЗ свет направляется сразу на приемник, прошедши дистанцию. Линия ОКЗ есть своего рода «внутренней дистанцией», встроенной в прибор, и потому может быть измеренная таким же чином, как и «внешняя дистанция». В приборе предусмотренная возможность переключения света на отражатель и на линию ОКЗ. Поскольку измерение «внешней и «внутренней» дистанций» проводится одной и той же аппаратурой, различие измерений на отражатель и на линию ОКЗ будет свободной от влияния фазового дрейфа при условии, что эти измерения следуют достаточно быстро один за одним. В современных автоматизированных приборах быстрое дежурство измерений часто осуществляется с помощью того, что оборачивается обтюратор – заслонка с отверстием, которое открывает путь светлую попеременно на отражатель и на линию ОКЗ.

Как источник излучения применяется, за редчайшим исключением, или газовый лазер на смеси гелий-неон (Не-Ne), излучаемый в видимой области спектру (красный свет с длиной волны 0,63 мкм), или полупроводниковый лазер (а раньше – и світлодіод) на арсениде галлия (Gaas), излучаемый в ближний инфракрасной области (длина волны лежит в диапазоне 0,8 –

1,2 мкм). При использовании полупроводниковых излучателей не требуется внешнего модулятора (осуществляется внутренняя модуляция, см. подраздел «Лазеры» в разделе 2).

Чем больше частота модуляции света, тем выше точность віддалеміра. Поэтому в прецизионных світловіддалемірах модуляция осуществляется на НВЧ (сверхвысоких частотах) – частотах больше 300 Мгц. В віддалемірах щонайвищої точности применяется Не-Ne лазер и внешний модулятор, но главное заключается в том, что используется другой тип схемы, в которой свет, прежде чем попасть на фотоприемник, проходит через демодулятор – устройство, аналогичное модулятору, и фазовые измерения проводятся на высокой частоте модуляции ( без гетеродинування). На модулятор и демодулятор подается один и тот же сигнал от генератора, и такая схема называется схемой с синхронной демодуляцией. При этом найдосконалішим вариантом есть такой, когда модуляция и демодуляция осуществляется в одном и потому же устройства, которая служит модулятором при передачи и демодулятором при приеме (модем – модулятор-демодулятор).

Такая модификация иллюстрируется на рис.3.7. Свет от лазера проходит через полупрозрачное зеркало ПО, модулируется и направляется на дистанцию. Свет, который вернулся от отражателя проходит через ту же оптическую систему, модем, и, частично отобразившись от полупрозрачного зеркала, поступает в приемо-индикаторную часть віддалеміра. В теории показывается, что среднее чем период модуляции значения интенсивности света, который дважды прошел через модем (туда и назад) и что поступает на приемник, становится равным нулю, если подлежащий измерению фазовый сдвиг  = 2N +  привести к значению =2N ( при которому, в измеренной дистанции, составляется целое число напівхвиль модуляции). Это приведения можно осуществить или изменением частоты модуляции F, или изменением расстояния D, вводя в схему оптическую линию задержки (ОЛЗ) сменной длины.

Рис.3.7. Принцип построения схемы с синхронной демодуляцией и совмещенными приемочным и передаючим трактами

Зафиксировав условие  = 2N (ее называют цілочисельною условием) по моменту нулевой интенсивности света и измеривши в этот момент частоту F или изменение расстояния (величину d, отсчитываемую по ОЛЗ), можно вычислить длину дистанции, которая измерится, за соотношениями:

в первом случае ( при частоте F, что измерится)

D = (v/2F)N = (/2)N (3.13)

во второму случая ( при фиксированной частоте F)

D = (v/2F)N – d = (/2)N – d (3.14)

В рассмотренной схеме не требуется линии оптического короткого замыкания (ОКЗ).

Импульсно-фазовые світловіддалеміри. Чисто импульсный (временной) метод измерения расстояний (его можно назвать моноімпульсним, поскольку для определения расстояния достаточно одного импульса излучения), как уже подчеркивалось выше, не получил распространения в наземной геодезії через него недостаточно высокую точность, и применяется в лазерных віддалемірах, предназначенных для измерения очень больших расстояний (к ШСЗ, к Луне). Эти віддалеміри являются импульсными за энергетическими соображениями; в них используются могущественные импульсные лазеры, а относительная ошибка измерений небольшая через значительное расстояние.

Однако импульсный режим работы имеет преимущество в том отношении, которое при одинаковой средней мощности излучения импульсные віддалеміри для наземных измерений имеют большую дальность действия, чем фазовые віддалеміри с беспрерывным излучением. Поэтому определенное внимание предоставлено разработке світловіддалемірів, объединяя импульсный режим излучения, которое дает повышенную дальность действия, с фазовым методом измерений, который дает высокую точность. Такие віддалеміри получили название импульсно-фазовых.

В импульсно-фазовом віддалемірі, кроме оптимизации по дальности и точности, появляется также возможность решение проблемы неоднозначности, що присущий фазовому методу, не применением нескольких частот модуляции, а шляхом приближенного измерения расстояний чисто импульсным методом.

Не удаваясь в детальное рассмотрение импульсно-фазовой віддалеметрії, укажем лишь, що возможные два основных образа осуществление импульсно-фазовых світловіддалемірів. Первый образ состоит в модуляции импульсов излучения высокочастотным сигналом и измерении сдвига фазы модуляции, как в фазовых віддалемірах. Второй образ – использование гармонических составляющих импульсного сигнала, который позволяет обойтись без дополнительной модуляции. Сжато объясним, что здесь имеется в виду. Импульсный сигнал, который имеет достаточно стабильную частоту повторения, можно по теореме Фурье представить в виде суммы гармонических составляющих – спектру гармоник, кратных частоте повторения импульсов (см. раздел 2, подраздел «Электромагнитные колебания и волны», п. 4). Спектр периодической последовательности импульсов дается выражением

^(3.15)

где Аn – амплитуда _n – начальная фаза n-ой гармоники. При прохождении расстояния, которое измерится, каждая гармоника приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный n(2D/v), где n – номер гармоники. Таким образом, выделивши определенную гармонику из спектру импульсного сигнала в приемочном устройстве віддалеміра, можно осуществить на ней фазовые измерения. Расстояние будет получено тем точнее, чем выше номер гармоники, то есть больше измерительная частота, однако необходимо учитывать, что с увеличением номера гармоники уменьшается ее амплитуда.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. На чем основанная работа электрооптического модулятора Паккельса?

2. Где используют цифровой фазометр? Какая главная его идея?

3. Что называют гетеродинной схемой?

4. От чего зависит появление «оптического короткого замыкания»?

5. Что используется в качестве источника излучения?

6. Которые существуют образа реализации импульсно-фазовых світлодальномерів?