книги из ГПНТБ / Фрум К. Скорость света и радиоволн

Теллурометр

163

чительно

увеличена

б л а г о д а р я дополнительной

частотной

модуляции

ч а с т о т о й

7 5

МГц.

У к а з ы в а е т с я ,

ч т о э т о р а з р е ш е н и е

с о с т а в л я е т

3 м м .

Несущая ч а с т о т а в

м и л л и м е т р о в о м д и а п а з о н е

о б е с п е ч и в а е т

получение

у з к о г о п е р е д а в а е м о г о

луча, что

з н а ч и т е л ь н о

у м е н ь ш а е т

вредное

в л и я ­

ние р а с с е я н и я

с и г н а л а

от З е м л и .

При разрешении в

несколько с а н т и ­

м е т р о в обычно нет

необходимости в усреднении у к а з а н н о г о

эффекта

р а с с е я н и я

с помощью

небольших

изменений несущей

ч а с т о т ы .

Р е з у л ь т а т ы , полученные

п о с л е 1 9 4 1

г . ,

приведены в т а б л .

1 .

Т о ч н о с т ь большинства у к а з а н н ы х измерений

д о с т и г л а величины,

с р а в ­

нимой

с т о ч н о с т ь ю

и з м е р е н и я

длины базовой

линии.

Например,

р е ­

з у л ь т а т Каролюса

и Х е л м б е р г е р а был

исправлен на

1 • 1 0 - 6

и з - з а

ошибки, обнаруженной в последующем

при измерении

базовой

линии,

Т а б л и ц а I

Д а т а

А в т о р

М е т о д

С к о р о с т ь

Р а з ­

П р е д е ­

с в е т а ,

брос

лы оши­

к м / с

р е з у л ь ­

бок,

т а т о в ,

к м / с

к м / с

1 9 4 7

Э с с е н и

Объемный

р е з о н а т о р

2 9 9

7 9 2

6

+ 3

1 9 4 7 С м и т ,

Р а д и о л о к а т о р

2 9 9

6 9 5 *

+ 5 0

Франклин

и У а й т и н г

1 9 4 7

Джонс

II

V

2 9 9

6 8 7 *

І 2 5

1 9 4 9 А с ла к с о н

Il

11

2 9 9

7 9 2 , 4

1 1

1 2 , 4

1 9 4 9 Б е р г ш т р а н д

Геодиметр

2 9 9

7 9 6

4,8+

± 2

1 9 4 9 Д ж о н с и

Р а д и о л о к а т о р

2 9 9

7 0 1 *

1 2 5

Корнфорд

1 9 5 0

Э с с е н

Объемный

р е з о н а т о р

2 9 9 7 9 2 , 5

2

1 1

1 9 5 0

Б е р г ш т р а н д

Геодиметр

2 9 9

7 9 3 , 1

2+

1 0 , 2 6

1 9 5 0

М а к - К и н л и

Кварцевый

модулятор

2 9 9

7 8 0

5 0 0

17 0

1 9 5 0

Хаустон

Кварцевый

м о д у л я т о р

2 9 9

7 7 5

180+- +

± 9

1 9 5 0

Ганзен и

Объемный

р е з о н а т о р

2 9 9

7 8 9 , 3

± 0 , 8

Б о л

± 0 , 4

1 9 5 1

Б е р г ш т р а н д

Геодиметр

2 9 9 7 9 3 , 1

5 +

1 9 5 1 Аслаксон

Р а д и о л о к а т о р

2 9 9

7 9 4 , 2

1 3 , 5

± 1 , 4

Продолже н ие т а б л . 1 .

Д а т а

Автор

М е т о д

С к о р о с т ь

Р а з ­

П р е д е ­

с в е т а ,

брос

лы оши

к м / с

р е з у л ь ­

бок,

т а т о в ,

к м / с

к м / с

1 9 5 1

Фрум

Р а д и о и н т е р ф е р о м е т р

2 9 9 7 9 2 , 6

2 , 5 й

± 0 , 7

1 9 5 2

Р э н к , Р у т и

С п е к т р а л ь н ы е

линии

2 9 9

7 7 6

І 6

В а н д е р

Слуис

1 9 5 4

Фрум

Р а д и о и н т е р ф е р о м е т р

2 9 9

7 9 3 , 0

0,1»

± 0 , 3

(исправлено

2 9 9 7 9 2 , 7 5

0,7*

± 0 , 3

в 1 9 5 8 г . )

1 Э 5 4

Р э н к , Ш и -

С п е к т р а л ь н ы е

линии

2 9 9 7 8 9 , 8

± 3

р е р и

Уигинс

1 9 5 4 Флорман

Р а д и о и н т е р ф е р о м е т р

2 9 9 7 9 5 , 1

± 3 , 1

1 9 5 5 Шолдстрём

Геодиметр

2 9 9 7 9 2 , 4

± 0 , 4

1 9 5 5 Плилер,

С п е к т р а л ь н ы е

линии

2 9 9

7 9 2

± 6 -

Б л е й н и

Коннор

1 9 5 6 У э д л и

Т е п л у р о м е т р

2 9 9 7 9 2 , 9

± 2 , 0

2 9 9 7 9 2 , 7

± 2 , 0

1 9 5 6

Р э н к , Б е н -

С п е к т р а л ь н ы е

линии

2 9 9 7 9 1 , 9

± 2

нет и Б е н -

н е т

1 9 5 6

Эдж

Гео д и м е т р

2 9 9 7 9 2 , 4

± 0 , 1 1

2 9 9 7 9 2 , 2

± 0 , 1 3

1 9 5 7

Уэдли

Т е л л у р о м е т р

2 9 9 7 9 2 , 6

± 1 , 2

1 9 5 8

Фрум

Р а д и о и н т е р ф е р о м е т р

2 9 9 7 9 2 , 5

0 , 1 7 #

± 0 , 1

1 9 6 6 Каролюс

Модулированный

с в е ­ 2 9 9

7 9 2 , 1

2 + +

t o , 2

товой

луч

(исправлено в

2 9 9 7 9 2 , 4 4

2 + +

+ 0 , 2

1 9 6 7

г . )

1 9 6 7 Симкин,

2 9 9 7 9 2 , 5 6

± 0 , 1 1

Лукин, С и -

кора и

С т р е л е н -

ский

*

Значение

в в о з д у х е .

+

Р а з б р о с

средних

значений

ночных

наблюдений.

+ + Р а з б р о с

средних

значений

и з

2 0

наблюдений.

ff

Р а з б р о с

п о с л е усреднения

1 0

наблюдений для исключения влия ­

ния о т р а ж е н и я

в

помещении .

** С т а н д а р т н о е

отклонение с р е д н е г о

б е з у ч е т а с и с т е м а т и ч е с к и х

ошибок.

К . З а к . И І

166

Глава

11

н е с м о т р я

на т о , что ее длина о п р е

д е л я л а с ь по м е т о д у Вяисяля с п р е д ­

полнительная

ошибка и з - з а

неопределенности п о к а з а т е л я п р е л о м л е ­

ния в о з д у х а

вдоль

базовой

линии. П о - в и д и м о м у ,

э т а неопределенность

б о л е е з н а ч и т е л ь н а

для

радиоволн

по сравнению

с оптическими . Если

р е з у л ь т а т з а в и с и т

от

усреднения

большого к о л и ч е с т в а и з м е р е н и й ,

ошибки з а

с ч е т

п о к а з а т е л я

преломления

и с ч е з а ю т .

Однако

ошибки

з а с ч е т

и з м е р е н и я

длины

о с т а ю т с я

как

с и с т е м а т и ч е с к и е .

С о в р е м е н н ы е

м е т о д ы ,

т о ч н о с т ь

которых о п р е д е л я е т с я

и з м е р е н и я ­

ми

базовой

линии,

р а з р а б о т а н ы

т а к и м

о б р а з о м ,

чтобы обеспечить

и з ­

мерения

как

скорости

с в е т а ,

т а к

и р а с с т о я н и й ,

в ы р а ж е н н ы х

в

е д и н и ­

цах

скорости

с в е т а . Не с л е д у е т

с ч и т а т ь

критикой

этих

м е т о д о в

т о ,

что

у к а з ы в а е т

на

ограничения

их точности

при

и з м е р е н и и

скорости с .

М е т о д ы ,

основанные на использовании

м а л ы х расстояний

( р е з о н а т о р -

ный

м е т о д

и

радиоинтерферометр

Ф р у м а ) ,

выгодно

отличаются

с этой

точки з р е н и я .

В

этих

м е т о д а х

концевые

м е р ы , п р и м е н я е м ы е

для

о п ­

ределения и з м е н е н и я длины,

и з м е р я ю т с я

непосредственно

в

длинах

волн с т а н д а р т а

длины.

Эти

м е т о д ы

можно

у с о в е р ш е н с т в о в а т ь

с

целью

и з м е р е н и я

и з м е н е н и я

длины

непосредственно в

единицах

длин

волн

с т а н д а р т а .

Р е з о н а т о р н ы й

м е т о д

и м е е т

то

дополнительное

п р е и м у щ е с т ­

во,

что

и з м е р е н и я

м о г у т

б ы т ь

проведены

в в а к у у м е .

Однако

влияние

п о в е р х н о с т н о г о

сопротивления

р е з о н а т о р а

н у ж д а е т с я

в изучении

и

б о ­

л е е т щ а т е л ь н о м

исключении, ч е м

э т о

было

сделано

в п е р в о м

э к с п е ­

р и м е н т е

Э с с е н а ,

если

т р е б у е т с я

получение

б о л е е точных

р е з у л ь т а т о в .

В о з м о ж н о ,

что

с

помощью

у к а з а н н ы х

м е т о д о в можно

получить

т о ч ­

ность измерений,

достаточно

близкую

к

точности

с т а н д а р т а

длины.

С у щ е с т в у е т

довольно

м а л о

измерений

длины,

в

которых

м о ж е т

быть получена

т о ч н о с т ь , совпадающая

с

т о ч н о с т ь ю

с т а н д а р т а

длины.

В н а с т о я щ е е

в р е м я более

п р о с т ы м

и

т о ч н ы м способом

определения

длины я в л я е т с я

е е и з м е р е н и е

по

времени

прохождения

э л е к т р о м а г н и т ­

ных

волн вдоль

э т о г о р а с с т о я н и я .

Имеющиеся

для

этой

цели

у с т р о й ­

с т в а перечислены

в т а б л .

П.

Дальнейший

п р о г р е с с ,

в е р о я т н о ,

с д е л а ­

ет э т и м е т о д ы

применимыми

на

меньших

длинах;

и,

в о з м о ж н о ,

б у д е т

в р е м я , к о г д а б о л е е в ы г о д н ы м о к а ж е т с я и с п о л ь з о в а т ь cQ

в к а ч е с т в е

основной единицы и з м е р е н и й , а единицу длины

с ч и т а т ь

вторичной

единицей.

Р е з у л ь т а т ы ,

приведенные

в

та б л .

I

,

у ж е обсуждались

в

т е к с т е ,

и м ы не

п р е д п о л а г а е м

в ы в о д и т ь

и з них

" л у ч ш е е "

значение

^ . М е ж ­

дународный

научный радиосоюз

( У Р С И )

и

Международный

с о ю з

г е о ­

дезии и

геофизики

(МГГС)

рекомендуют

начиная

с

1 9 5 8

г .

принять

в к а ч е с т в е

м е ж д у н а р о д н о г о

с т а н д а р т а

з н а ч е н и е

скорости

с в е т а

в

ва­

кууме,

равное

с 0 =

299

792,5 ± 0,4

к м / с .

168

Глава

Г1

Во

в р е м я написания

настоящей

книги

э т о з н а ч е н и е в с е

еще

о с т а в а ­

лось общепринятым .

М ы хотели

бы з д е с ь еще р а з в ы р а з и т ь

нашу

точку

з р е н и я

на э к с ­

п е р и м е н т а л ь н ы е

и з м е р е н и я .

Наиболее

важно

было

бы

у в е л и ч и т ь т о ч ­

ность

измерений

т а к , ч т о б ы

с и с т е м а т и ч е с к и е

ошибки

можно

было

и з ­

м е р и т ь и исключить .

Опыт

п о к а з ы в а е т ,

что

широко и с п о л ь з у е м ы е

п р о ­

ц е с с ы

усреднения неизменно

о с т а в л я ю т

в р е з у л ь т а т а х

измерений

н е ­

и з в е с т н ы е с и с т е м а т и ч е с к и е

ошибки. М ы

не

видим

п р е и м у щ е с т в а

в

проведении большого числа и з м е р е н и й , как

э т о д е л а л о с ь

в

к л а с с и ч е с ­

ких

оптических

м е т о д а х и

в

некоторых

недавних

и з м е р е н и я х .

М ы

т а к

ж е с ч и т а е м

необоснованным

и с п о л ь з о в а т ь

с т а н д а р т н о е

о т к л о н е ­

ние

о т

среднего

из ряда измерений

в з а м е н

с р е д н е г о

отклонения

для

единичного

и з м е р е н и я ,

т а к

к а к

о с т а т о ч н ы е

с и с т е м а т и ч е с к и е

ошибки

не

у м е н ь ш а ю т с я

при

увеличении

числа и з м е р е н и й .

С точки

зрения

точности и з м е р е н и е

Фрума,

проведенное

в 1 9 5 8

г . , я в л я е т с я

е д и н ­

с т в е н н ы м и з м е р е н и е м ,

превышающим

по

точности

и з м е р е н и е

Э с с е н а

/ 3 2 /

и Ганзена

и Б о л а

( 1 9 5 0

г . ) .

Ч а с т о т ы использованных

волн

п е р е к р ы в а ю т

очень

широкий

д и а ­

п а з о н

от 1 0 9

до 1 0 5

Гц,

и п о э т о м у можно

у т в е р ж д а т ь ,

что

с к о ­

р о с т ь распространения

э л е к т р о м а г н и т н ы х волн

в

у к а з а н н о м

д и а п а з о н е

постоянна с

т о ч н о с т ь ю

до

1

. 1 0 - 6 .

с

н а м н о г о меньшей

точностью,

равной

примерно

1%, э т о т

диапазон

м о ж е т

б ы т ь

продолжен

до

4 • 1 0 2 2 Г ц .

Клеланд

и

Д ж а с т р а м / 2 2 /

и Дакки

и В э й л

/ 5 9 /

п о л у ч и ­

ли

значения

для

скорости

р а с п р о с т р а н е н и я

г а м м а - л у ч е й

и з

и з м е р е н и й ,

предназначенных

для

контроля с х е м

совпадения

в ы с о к о г о

р а з р е ш е н и я .

Полученное р а з р е ш е н и е имело величину

Ю -

9

с .

И з л у ч а е м ы е

о д н о в р е ­

менно

г а м м а - л у ч и проходили по

р а з л и ч н ы м

п у т я м

к двум

с ч е т ч и к а м ,

к о т о р ы е были присоединены

к с х е м е

совпадения . М е ж д у

одним

из

счетчиков и

схемой

совпадения

и м е л а с ь

к о а к с и а л ь н а я

линия

з а д е р ж ­

ки. И з м е н е н и е

пути

распространения

г а м м а - л у ч е й

(около

3 0 0

м )

к о м ­

пенсировалось

с

помощью

коаксиальной

линии

Задержки,

передающие

с в о й с т в а которой н е з а в и с и м о контролировались

микроволновым

с п о ­

с о б о м .

Г л а в а

1 2

1 .

М е к о м е т р III

НФЛ

Хотя

последний вариант

м е к о м е т р а

/ 4 6 /

был

спроектирован

как

прибор с высокой разрешающей способностью для

и з м е р е н и я

р а с с т о я ­

ний, предназначенный

для

использования

в г р а ж д а н с к о м

с т р о и т е л ь с т ­

в е

и к а д а с т р о в о й

с ъ е м к е ,

г д е важны р а с с т о я н и я

м е н е е

3

к м , м е к о ­

м е т р потенциально

п р е д с т а в л я е т

собой

наиболее

точный

и з

к о г д а - л и б о

производимых

прибор

для

определения

скорости

с в е т а ,

основанный

на

модуляции

с в е т о в о г о луча . Д л я

т а к о г о у т в е р ж д е н и я

и м е ю т с я

два

основания:

в о - п е р в ы х , и с п о л ь з о в а н и е модуляции

эллиптической

п о л я ­

ризации, к о т о р а я ,

как

было

п о к а з а н о ,

приводит

к

н е з а в и с и м о с т и

и з ­

мерений фазы от интенсивности сигнала

и

к исключению

ф а з о в ы х

ошибок

з а с ч е т

э л е к т р о н н ы х у с т р о й с т в ;

в о - в т о р ы х ,

и с п о л ь з о в а н и е

в ы ­

сокой ч а с т о т ы

модуляции

( 4 9 2

МГц)

д е л а е т э т о т

прибор

ч р е з в ы ч а й ­

но ч у в с т в и т е л ь н ы м .

У с т р о й с т в о

м е к о м е т р а

III с х е м а т и ч е с к и

иллюстрируется

р и с .

1 2 . 1 .

Прибор

р а б о т а е т следующим

о б р а з о м .

В к а ч е с т в е

источника

с в е т а

и с п о л ь з у е т с я

ксеноновая

л а м п а - в с п ы ш к а

в ы с о к о г о

давления,

дающая

мощные

с в е т о в ы е

импульсы

д л и т е л ь н о с т ь ю

1

м к с

при ч а с т о т е

п о в т о ­

рения 1 0 0

Гц.

Э т о т

с в е т

плоско п о л я р и з у е т с я

с

помощью

поляроида .

В к а ч е с т в е

м о д у л я т о р а и с п о л ь з у е т с я к р и с т а л л

дигидрофосфата

к а ­

лия

( KDP ) ;

"демодуляция"

о б е с п е ч и в а е т с я

в т о р ы м

идентичным

к р и с ­

т а л л о м .

Оба

к р и с т а л л а помешены в

о б л а с т ь

в ы с о к о г о и м п е д а н с а

п е р е ­

с т р а и в а е м о г о ч е т в е р т ь в о л н о в о г о

р е з о н а т о р а

с

резонансной

ч а с т о т о й

в области

4 9 2

МГц.

Р е з о н а т о р

в о з б у ж д а е т с я

и м п у л ь с а м и

д л и т е л ь ­

ностью

4 0

м к с . К р и с т а л л ы

KDP ориентируют т а к ,

ч т о б ы

их

о п т и ч е с ­

кие

оси

(оси

г

)

были п а р а л л е л ь н ы направлению

э л е к т р и ч е с к о г о

п о ­

ля

в концевой

части

р е з о н а т о р а .

С в е т ,

проходящий

ч е р е з

м о д у л я т о р ,

эллиптически

п о л я р и з у е т с я

с ч а с т о т о й

колебания

р е з о н а т о р а . С

п о ­

мощью

изображенной

на рисунке

оптической

с и с т е м ы э т о т

с в е т

п е р е ­

д а е т с я

к о т р а ж а т е л ю

у г о л к о в о г о

типа,

расположенному

в

д а л ь н е м

конце и з м е р я е м о й

дистанции . С в е т ,

возвращающийся от

о т р а ж а т е л я ,

проходит

ч е р е з

внутреннюю

линию

регулируемой

с в е т о в о й

з а д е р ж к и

(которая

п р е д н а з н а ч е н а для

и з м е р е н и я

ф а з ы ) ,

з а т е м проходит

ч е р е з

второй

к р и с т а л л

KDP на

фотоумножитель . М е ж д у

э т и м к р и с т а л л о м

и фотоумножителем расположен

второй

поляроид,

скрещенный с

п е р в ы м .