книги из ГПНТБ / Применения лазеров

где индексы R и В соответствуют красному и синему свету. Откорректированное расстояние находят по уравнению

нением (64), находится по измерению давления, темпера­ туры и влажности на одном конце пути.

При разработке прибора было проведено несколько полевых испытаний. В августе 1966 г. измерения были выполнены на трассе длиной 1,6 км через озеро Хефнер вблизи Оклахома-Сити. Точность прибора при определе­ нии изменений длины оптического пути оказалась около 3- ІО-8 за время усреднения 10 с. Это было обнаружено при случайном движении отражателя: удавалось фикси­ ровать смещение около 5 -10“3 см. Для 177 измерений от­ корректированной длины в течение 4 дней среднее квадра­ тичное отклонение составляло 1,55 мм, т. е. несколько лучше чем ІО“8. При выполнении этой работы необходимо было проводить измерения для красного и синего света

водились летом 1967 г. на трассе длиной 5,3 км между двумя холмами севернее Болдера (шт. Колорадо). Точность прибора в среднеквадратичных отклонениях за время усреднения 1 с по отношению к изменяющемуся среднему за 30 с составляла 3- ІО“9 в относительно спокойный пе­ риод ночью и примерно в 10 раз хуже сразу после бури. Воспроизводимость значений откорректированной длины составляла 3 -ІО“7. Так как значение Ар равно примерно 10, можно ожидать, что воспроизводимость значений от­ корректированной длины будет примерно в 10 раз хуже точности прибора. Обнаруженный в ходе испытаний допол­ нительный порядок величины погрешности указывает на существование других источников ошибок. Основным ис­ точником систематической ошибки, вероятно, было неточ­ ное значение средней длины волны синего света, которое вызывало ошибку в значении откорректированной длины около 3- 10“6/нм.

Ртутная дуговая лампа в 1968 г. была заменена импульс­ ным аргоновым лазером, излучающим на длине волны

152 Джеймс Оуэнс

351,1 нм, который уменьшил эту погрешность и обеспечил более высокую спектральную яркость. Кроме этого, ока­ залось, что трудно поддерживать юстировку при изменении дополнительного пути, поэтому регулируемую линию за­ держки пришлось усовершенствовать. В конце 1968 г. прибор был испытан на участке длиной 1,6 км опорной тру­ бы Стенфордского линейного ускорителя. Такой способ измерения воспроизводимости значений откорректированной длины в трубе при изменении давления и по возможности влажности в широких пределах является наиболее прямым путем испытания дисперсионного метода. При. изменении давления от 20 до 256 мм рт. ст. воспроизводимость со­ ставляла 1-10-7, что совпадало с прежними измерениями на открытом воздухе. Наличие рефракции препятствовало проведению работы при более высоком давлении. Можно полагать, что будут получены значительно лучшие резуль­ таты, если удастся устранить некоторые остающиеся ис­ точники систематических ошибок.

Этот прибор продолжают усовершенствовать [29]. Пе­ рестраиваемый напряжением магнетрон, использовавшийся в качестве СВЧ-генератора, был заменен кварцевым генера­ тором с мощным умножителем частоты. Вызывающая затруд­ нения в работе линия задержки была исключена; длины путей красного и синего света измерялись попеременно с частотой 500 Гц. Импульсный аргоновый ионный лазер был заменен более надежным Не—Cd-лазером, излучающим на длине волны 441,6 нм. И наконец, была улучшена меха­ ническая конструкция прибора. Современный вариант этого прибора показан на фиг. 30.

Хотя автору известен только один двухчастотный даль­ номер, недавно была принята программа создания по мень­ шей мере двух других двухчастотных фазометров. Кроме того, уже были созданы или находятся в стадии проекти­ рования несколько приборов для измерения средней плот­ ности водяного пара на трассе, основанных на использо­ вании явления дисперсии в СВЧили в СВЧ- и оптическом диапазонах. Информация об этих достижениях содержится в ссылках, приведенных в работе [46], а более последние данные по использованию дисперсии в СВЧ- и оптическом диапазонах имеются в работе [66].

Ф и г . 30. Современный вариант двухчастотного дальномера.

мальное отражение для обеих используемых длин волн. Предполагая, что излучение лазера линейно поляризовано в вертикальной плоскости и что модулятор обеспечивает после двух прохождений сдвиг фазы в я рад, так что приз­ ма Волластона не оказывает никакого влияния, получим типичную величину пропускания света оптикой от лазера к фотоумножителю 12% для красного и 4% для синего света.

4.5.3. Эффективность модулятора

Отношение средней интенсивности на фотодетекторе к интенсивности света на входе модулятора дано уравнением (56). Максимальная величина этого отношения, которую назовем эффективностью модулятора, равна Г72. В этом приборе используется модулятор на кристалле KDP, работающий в непрерывном режиме и дающий максимальный фазовый сдвиг Г =0,106 рад для красного света и 0,15 рад— для синего. Отсюда получаем эффективность модулятора 0,56% для красного света и 1,12% — для синего.

Использование метатанталата или метаниобата лития, хорошие кристаллы которых уже можно вырастить, позво­ лит значительно повысить эффективность модулятора1*.

4.5.4. Ослабление за счет рассеяния

Было найдено, что для высот до 3 км над уровнем моря аэрозольное рассеяние обычно преобладает над рэлеевским рассеянием [19]. Полный коэффициент затухания К для уровня моря равен 0,62 дб/км для 633 нм и 1,1 дб/км для 350 нм. Это уменьшение интенсивности для двойного прохода луча может быть записано в виде

где L — расстояние в сантиметрах для одного прохода.

!) Не следует забывать, что в синей области спектра эти крис­ таллы (особенно метаниобат лития) менее прозрачны, чем KDP, так что возможность замены этими кристаллами кристалла KDP не является бесспорной.— Прим, перев.

4.5.5. Ослабление при поглощении в атмосферных газах

Поглощение спектральными линиями в видимой об­ ласти обычно не имеет места, хотя совпадение одной из длин волн со слабой линией может вызвать существенное изменение дисперсионного параметра Ав . Обстоятельное изучение поглощения в области длин волн от 0,6 до 20 мкм выполнено в работе [38], а в работе [15] обсуждена воз­ можность поглощения на более коротких длинах волн.

4.5.6. Отношение сигнала к шуму

При фиксированной частоте модуляции число длин волн модуляции пропорционально длине пути. Поэтому для данной относительной точности измерения расстояния абсолютная точность (в длинах волн) уменьшается с уве­ личением расстояния и, следовательно, может быть допу­ щено более низкое отношение сигнал/шум. На языке фазометрии это эквивалентно уменьшению абсолютной точ­ ности (в радианах) с увеличением расстояния. Это явление может быть учтено фактором «отрицательного затухания»:

где расстояние L выражено в сантиметрах. Для расстоя­ ния 500 км, если требуется точность ІО“7 для получения откорректированного значения расстояния с точностью 10“6, из выражения (72) следует, что двойная длина пути должна быть определена всего лишь с точностью 10 см (одна длина волны модуляции), а отношение сигнал/шум может быть равным 1. Для более коротких дистанций тре­ буется лучшая абсолютная точность определения расстоя­ ний и, следовательно, большее значение отношения сиг­ нал/шум.

Если измерения проводятся при дневном свете, то уровень шумов значительно выше из-за увеличения турбулентнос­ ти, приводящей к мерцанию, а также из-за рассеянного сол­ нечного света, попадающего на фотодетектор даже при использовании узкополосных фильтров. Эксперименты пока­ зывают, что для обеспечения той же самой точности сред­ няя мощность на приемнике в дневное время должна быть

Для синего света получаем аналогичное выражение, в котором вместо R стоит В и числовой коэффициент равен

7,0-ІО9.

Минимум принимаемой мощности, обеспечивающий окон­ чательную точность ІО-6 в полосе шириной 1 Гц, для этого прибора найден равным 1 • 10~13 Вт для красного света и 6,6-ІО-15 Вт для синего. Графики зависимости требуемой

Ф и г . 32. Зависимость требуемой мощности источника света от расстояния для меньших потерь на рассеяние [(0,2 дб/км для крас­ ного света (пунктирная линия) и 0,4 дб/км для синего (сплошная линия)].

мощности лазера от расстояния для красного и синего света при проведении измерений в дневное и ночное время приведены на фиг. 31. Для более прозрачной атмосферы, как, например, в горах Колорадо, потери на рассеяние уменьшаются до 0,2 дб/км для красного света и 0,4 дб/км для синего, и соответствующие результаты приведены на фиг. 32. Видно, что расстояния до 10 км и более могут

быть измерены в дневное время только при использовании высокомощных лазеров, тогда как ночью возможно про­ ведение измерений на дистанциях в десятки километров.

4.5.8. Использование импульсных лазеров

По некоторым причинам иногда требуется модулятор, работающий в импульсном режиме. Если коэффициент заполнения в режиме работы модулятора равен D и СВЧмощность возрастает в 1/D раз относительно используемой

внепрерывном режиме, то требования к мощности лазера остаются неизменными. Однако характеристики импульс­ ного дальномера можно значительно улучшить при сохра­ нении средней мощности лазера, если лазер также работает

вимпульсном режиме. Так, например, если модулятор работает со скважностью 10%, то лазеры могут работать

со скважностью от 5 до 10% в зависимости от длины пути и длительности импульса (модулятор должен быть открыт как для излучаемого, так и принимаемого оптического им­ пульса). При той же средней мощности лазера это дает десятикратное увеличение эффективности использования оптической мощности, поскольку в этом случае исполь­ зуется весь свет (а не его 10%). Более того, если оптичес­ кий импульс достаточно короток, так что излучаемый и при­ нимаемый импульсы не перекрываются, то проблема устранения рассеянного света от оптических элементов при­ бора значительно упрощается.

4.5.9. Системы с использованием ретрансляторов

Диапазон измеряемых расстояний может быть увели­ чен в несколько раз при сохранении данного уровня мощ­ ности лазера, если отражатель заменить ретранслятором, хотя это и связано с некоторым усложнением устройства [651. В этом случае свет излучается только в одном направлении трассы, модулированный свет детектируется на дальнем конце трассы и этот сигнал используется для модуляции света другого лазера на дальнем конце трассы. Излучение этого лазера посылается назад к исходной точке трассы. Реализуемый диапазон измерений зависит, конечно, от метода детектирования сигнала, но если используемые моду-