книги из ГПНТБ / Применения лазеров

400 Монт Росс

Хотя говорить об установлении связи с объектами, на­ ходящимися за пределами солнечной системы, пока еще преждевременно, однако можно отметить, что короткоим­ пульсные системы с УИ-значным кодированием (например, системы типа МДИИ) и прямым детектированием в наиболь­ шей степени удовлетворяют требованиям эффективной свя­ зи на межзвездных дистанциях.

Трудности осуществления связи на таких расстояниях чрезвычайно велики, но острая направленность лазерных источников излучения, высокая пиковая мощность лазер­ ного излучения, намного превышающая шумовой вклад фонового излучения любой звезды, и огромные оптические рефлекторы, устанавливаемые на земле, позволяют при использовании короткоимпульсных систем с прямым детек­ тированием собрать достаточное количество фотонов, чтобы зарегистрировать сигнал.

Расчеты показывают, что излучение лазерного источ­ ника в виде импульсов с энергией 104 Дж и длительностью 1 нс при расхождении 1 мкрад может быть зарегистрировано на Земле с расстояния 10 световых лет, если использовать оптический рефлектор диаметром 30 м. При любом рассмот­ рении возможностей и вероятности осуществления меж­ звездной связи лазерным средствам, обсуждавшимся выше, должно быть уделено серьезное внимание.

28.Lachs G.— “ Phys. Rev.” , 1965, v. 138, p. B1012.

29.Lachs G.— “ J . Appl. Phys.” , 1967, v. 38, p. 3439.

30.Lachs G.— “ J . Appl. Phys.” , 1968, v. 39, p. 4192.

p. 1487.

33.McAvoy N., Richard H. L., McElroy J . H., Richards, W. E. NASA

41.Osterink L. М., Foster J. D.— “ Int. Quantum Electron. Conf.” , Miami, 1968, Paper 17Q-8.

42.Ostermaier F.— “ International Electron Device Meet.” , Wa­ shington, 1970.

43.Pratt W. Laser Communications, New York, Wiley, 1969.

52.Sorokin P. A., Luzzi J. J., Lombard J. R., Pettit G. D.— “ IBM J. Res. Develop.” , 1964, v. 8, p. 182.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ЛАЗЕРЫ В ГЕОДЕЗИИ

А. С. Федоров

ВСССР разработаны и выпускаются такие геодезичес­ кие приборы, как лазерные дальномеры, теодолиты, визи­ ры. Эти приборы, как показала практика, очень эффектив­ ны для проведения изыскательных работ при строительстве тоннелей, мостов, дорог, аэродромов, для измерения де­

формаций и расстояний, нивелирования, ориентирования и т. п. При использовании лазеров увеличивается точность измерений и дальность действия приборов, повышается производительность труда геодезистов, открывается воз­ можность автоматизации геодезического контроля в ряде процессов.

Наиболее точные измерения расстояний осуществляются интерферометрическими методами. Точность и дальность действия интерферометра определяется в первую очередь степенью когерентности и стабильностью частоты излу­ чения лазера. Вопросам стабилизации частоты излучения лазера уделяется большое внимание [1].

С помощью отечественного серийного лазера ОКТ-11 была получена контрастная интерференционная картина при разности хода до 300 м [2]. Новосибирским институтом автоматики и электрометрии выпущена опытная партия циф­ ровых лазерных измерителей перемещения (ИПЛ-1) [3]. Прибор предназначен для измерения длин до 1000 мм с точностью 0,0001 мм путем сравнения с длиной световой волны.

В геодезической практике широко применяются светодальномеры, в которых в качестве источников света ис­ пользуются лампы накаливания. Применение лазерного ис­ точника излучения позволяет значительно повысить точ­ ность измерения и дальность действия дальномеров.

Первый лазерный фазовый дальномер ГД-314 [4] в

404 Приложение 1

СССР был разработан в 1964 г. В нем использован полу­ проводниковый излучатель на арсениде галлия, работающий в некогерентном режиме на длине волны 0,84 мкм. Позд­ нее появились усовершенствованные модификации дально­ мера КДГ-2 и КДГ-3 [5]. Дальномер КДГ-3 предназначен для измерения расстояний от 200 до 2000 м со средней квадратичной ошибкой ±20 мм. В качестве излучателя используется полупроводниковый диод на арсениде галлия, генерирующий на волне 0,9 мкм. Спектр излучения имеет ширину около 300 Â. Модуляция осуществляется по току накачки. В дальномере имеются три фиксированные час­ тоты модуляции, обеспечивающие устранение многознач­ ности отсчета, если измеряемое расстояние предваритель­ но известно с точностью до 1,5 км. В дальномере применен метод фазового детектирования в околокатодном простран­ стве фотоумножителя [6, 7] с использованием гетеродини­ рования принимаемого сигнала.

Применение малогабаритного лазера ОКХ-13 в качестве источника излучения в фазовом светодальномере СВВ-1М позволило увеличить предел измерения расстояний днем от 5 до 12 км, ночью от 12 до 22 км при точности, соизме­ римой с точностью, обеспечиваемой лампой ДАЦ-50 [8].

Светодальномер Кварц, разработанный в ЦНИИГАиК в 1966 г., предназначен для измерения расстояний от 1 до 30 км днем и до 50 км ночью с ошибкой (1 см + 2-10_6Е>) [9, 10]. В качестве источника излучения используется га­ зовый лазер ЛГ-56. Модулятором излучения служит ячей­ ка Керра с нитробензолом. Частота модуляции f равна 30 МГц, а разностная частота А/ = 15 кГц. Для разрешения многозначности имеются еще три фиксированные частоты

(29,996250; 29,925000 и 28,500000 МГц). На каждой из частот расстояние вычисляется по формуле

D = ± N + a9K,

где X—длина волны модуляции для стандартных метеоро­ логических условий, известная для каждой частоты; N — целое число; а — цена деления шкалы фазовращателя на данной частоте (дается в паспорте прибора); <р — среднее значение дробной части фазового цикла, выраженное в де­ лениях шкалы фазовращателя.

ным детектированием светового потока в оптическом фазо­ вом детекторе, аналогичном модулятору, и последующей фотоэлектрической регистрации продетектированного сиг­ нала. В приборе использован лазер ЛГ-55. Частота моду­ ляции может плавно изменяться в диапазоне от 6,6 до 10 МГц. В дальномере частота основного генератора моду­ лируется прямоугольными сигналами. Предусмотрена воз­ можность автоматической установки сдвига фазы сигнала с помощью цепи обратной связи с выхода фотоэлектричес­ кого приемника на генератор модулирующего напряже­ ния. Напряжение частоты модуляции вводится в счетно­ решающее устройство, которое выдает результаты изме­ рений на цифровое табло.

Дальномер МСД-1 (маркшейдерский светодальномер, модель 1) разработан во ВНИМИ (Ленинград) в 1967 г.

В дальномере применен полупроводниковый диод на ар­ сениде галлия (X = 0,84 мкм), работающий в режиме неко­ герентного излучения. Генератор работает на двух пере­ ключаемых фиксированных частотах Д = 149,825 МГц и /2= 146,854 МГц, стабилизированный кварцевыми гене­ раторами. Выполненные на дальномере МСД-2 измерения показали весьма высокую точность прибора. Среднеквад­ ратичная ошибка, вычисленная по отклонениям от эталон­ ных значений, для линии до 250 м не превышает в среднем

± 2 мм.

Аппаратурная точность ряда современных фазовых светодальномеров достигла столь высокой степени, что основ­ ным препятствием к дальнейшему увеличению точности измерения расстояний становится уже влияние внешних условий и в первую очередь неточное определение средне­ интегрального значения группового показателя прелом­ ления в момент измерений.

Радикальным решением задачи дальнейшего повышения точности измерения расстояний дальномерами в любых условиях является разработка системы светодальномер — рефрактометр, которая позволит одновременно опреде­ лять время распространения сигнала и его скорость (или среднеинтегральный показатель преломления). Одним из

возможных путей реализации такой системы является ис­ пользование дисперсионного способа определения средне­ интегрального значения группового показателя прелом­ ления [14, 15]. В дисперсионном способе используется раз­ ность оптических путей двух составляющих спектра от среднеинтегрального показателя преломления воздуха вдоль луча. Зная разность оптических путей, молено оп­ ределить среднеинтегральный групповой показатель пре­

ломления п по формуле

где AS — измеренная разность оптических путей для двух длин волн света %і и Х2; Щ— групповой показатель прелом­ ления в стандартных условиях для_ %— длины волн, для

которой предполагается вычислять п\ Ап0— разность груп­ повых показателей преломления в стандартных условиях для Кі и Х2, (ѵ0—1) — преломляющая способность водяного пара, равная (17,044—0,557/Х2)-10_6, Аѵ0— разность вели­ чин ѵ0 для }.і и ?-2; Т, I — соответственно температура воздуха (К) и давление водяных паров (мм рт. ст.) в точке установки прибора.

Для измерения разности оптических путей AS разра­ ботаны устройства (рефрактометры), основанные на пре­ образовании разности оптических путей в разность фаз двух радиочастотных колебаний с последующим ее изме­ рением радиотехническими методами [16].

Большинство применений лазеров в инженерной гео­ дезии связано с тем, что лазерный луч представляет собой физически реализованную опорную линию в пространстве, относительно которой можно производить измерение от­ дельных частей сооружения. Малая расходимость и высо­ кая интенсивность лазерного луча позволяют регистри­ ровать световое пятно на значительном расстоянии от прибора, причем регистрация может быть как визуальной, так и фотоэлектрической.

Сущность визуального лазерного метода контроля про­ тяженных объектов состоит в том, что луч лазера направ­ ляется вдоль оси объекта на небольшом расстоянии от него, а по поверхности объекта перемещается экран-мар­

ка с нанесенной на него координатной сеткой. Отсчет по экрану позволяет судить о положении соответствующей точки поверхности относительно опорной линии, задан­ ной лучом. Таким образом, можно контролировать поло­ жение объекта как в горизонтальной плоскости, так и по высоте для сильно протяженных сооружений [18].

В плоскости сечения луча образуется световое пятно с интенсивностью, убывающей к краям пятна. Размером пятна обычно считают расстояние между осью пучка и точкой в плоскости сечения, в которой интенсивность из­ лучения основной моды уменьшается в е2 раз [18]. Размер пятна зависит от расстояния и конфигурации резонатора. В первом приближении размер пятна можно определить, если известен угол расходимости луча Ѳ. Размер пятна dn на расстоянии L от лазера определяется выражением

dn ^ 2 L t g ~ .

Если используется коллимирующая оптика, уменьшаю­ щая угловую расходимость луча, то вместо Ѳ в формуле необходимо брать Ѳг— угол расходимости луча после оп­ тической системы. Следует отметить, что телескопическая система примерно во столько раз уменьшает угол рас­ хождения луча, во сколько раз увеличивает его диаметр.

Кроме визуальной регистрации, используются фотоэлек­ трические системы отсчета [19]. В общем случае система фотоэлектрического контроля, кроме лазера и светочув­ ствительных элементов, содержит также передающую и приемную оптику.

В литературе описано много различных вариантов сис­ тем с фотоэлектрической индикацией [20—23].

Применяются также методы фотоэлектрической реги­ страции с использованием формирования излучений (мо­ дуляция, развертка, сканирование) [24—26].

Отечественной промышленностью выпускаются так на­ зываемые лазерные визиры (ЛВ), представляющие собой сочетание лазерного излучателя и приемного устройства, устанавливаемого на исследуемом объекте [27, 28].

Прибор ЛВ-5 состоит из датчика направления и блока питания. Датчик направления содержит лазер ОКГ-13, коллимирующую оптику и подставку для наведения и кон­

408 Приложение 1

троля положения луча [29]. В качестве коллимирующей оптики использован обратный телескоп, имеющий диаметр объектива 34 мм и увеличение 25. Расходимость луча, вы­ ходящего из коллиматора, составляет 20". Прибор снаб­ жен уровнем с ценой деления 15". Вес прибора 5,8 кгс.

Исследование стабильности диаграммы направленности приборов ЛВ-2 и ЛВ-5 [32] показало, что при наблюдении луча прибора ЛВ-5 на расстоянии 9 км отклонения луча при постоянных метеорологических условиях не были за­ мечены. Это объясняется тем, что в приборе ЛВ-5, создан­ ном на базе ОКГ-13, газоразрядная трубка и зеркала резо­ натора укреплены непосредственно в цилиндрическом кор­ пусе, изготовленном из инвара.

Для проецирования в вертикальном направлении и контроля высотных сооружений разработан лазерный зе- нит-центрир ЛЗЦ-1 [27, 30, 31]. Лазер с коллимирующей оптикой установлен в специальной юстировочно-центри- ровочной конструкции, снабженной уровнем с ценой де­ ления 8". Приемником служит экран с координатной сет­ кой. Точность прибора определяется ошибкой передачи координат (не более ±10 мм на расстоянии 500 м). Прибор позволяет регистрировать колебания и вибрации соору­ жений. Лазерный зенит-центрир ЛЗЦ-1 был применен для контроля вертикальности при строительстве Останкинской телевизионной башни [30].

Лазерные приборы находят широкое применение при ориентировании осей сооружений в строительстве [33]. Для задания направления и визуального контроля поло­ жения горнопроходческого щита на базе малогабаритного лазера ОКГ-13 создан лазерный визир ЛВ-1 [27, 34]. Раз­ работана система автоматического контроля и управления проходческим щитом [35], испытанная при строительстве бакинского метро. Испытания показали, что эта система может найти широкое применение в строительстве метро.

Лазеры находят применение также для геодезического контроля подкрановых путей и различных конструкций промышленных предприятий [36—39]. При помощи лазер­ ного визира ЛВ-1 была осуществлена геодезическая съемка подкрановых путей котельного цеха ГРЭС и цехов метал­ лургического завода. Точность лазерной съемки характе­ ризуется средней квадратичной ошибкой, равной в плане

среднедопустимых ошибок определения положения подкра­ новых путей.

Лазеры находят применение для ориентирования зем­ снарядов при прокладке подводных трубопроводов [40— 42]. Заслуживают внимания работы по ориентированию земснаряда с помощью лазерной системы, проводимые на реке Кама при ширине водной поверхности около 6 км. Излучателем и датчиком направления служит разработан­ ный на основе ОКГ-11 лазерный визир ЛВ-4І29] с оптико­ механическим сканером. Приемное устройство содержит 2 идентичных фотоприемника и блок сигнализации. Систе­ ма обеспечивает круглосуточную работу земснаряда с точностью ± 20 см на расстояниях до 5 км [40].

Интересен опыт применения лазеров для разбивочных работ, в частности для установки ленточных конвейеров [43, 44]. В качестве датчика направления использован ла­ зерный визир ЛВ-2 [29].

Колебания лазерного луча на расстоянии до 700 м состав­ ляют 2—3 мм. Среднеквадратичная ошибка нивелирования, вычисленная из сравнения с геометрическим нивелирова­ нием (нивелир НВ-1), оказалась равной ± 9 мм.

Во время геодезических работ при разбивке оси строя­ щегося у Рижского вокзала (г. Москва) участка эстакады длиной 360 м был использован новый визир ЛВ-5 [45]. Необходимость применения лазерного визира была вызва­ на тем, что разбивка оси эстакады обычными геодезичес­ кими инструментами была затруднена, поскольку эстакада пересекает около 50 железнодорожных путей, постоянно занятых составами. Кроме того, конвекция токов воздуха над нагретыми крышами вагонов, а также дымка отрабо­ танных газов от маневренных тепловозов и печного отоп­ ления вагонов сильно ухудшали видимость. Лазерный ви­ зир был установлен на специальной вышке, что обеспечивало прохождение лазерного луча выше крыш вагонов, на 1 — 1,5 м. Ось эстакады была разбита со среднеквадратичной ошибкой ± 6—8 мм бригадой из двух человек за 7 ч. Столь­ ко же времени затратила бы бригада из четырех человек, работая обычным геодезическим инструментом.

Лазеры используются также для нивелировки гори­ зонтальным и наклонным лучом [44, 46—49]. Система