книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

между атомами энергетический спектр газов отличается чисто­ той генерации, соответствующей энергетическим уровням отдель­ ных атомов и молекул. Другая особенность газов — их высокая оптическая однородность и малая плотность, что уменьшает рас-' сеивание света и его рефракцию при прохождении активной сре­ ды. Это позволяет применить значительные по продольному габа­ риту оптические резонаторы и, как следствие, получить высокую направленность и монохроматичность излучения.

молекул при соударениях их в электрическом поле, возбужде­ ние атомов электронным ударом и светом и т. д. В подавляющем числе случаев инверсия населенностей в газовых лазерах дости­ гается в процессе электрического разряда, поэтому такие лазеры называются газоразрядными.

Среди газоразрядных лазеров для целей инженерной геодезии наибольшее применение находит гелий-неоновый лазер. В таком лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы неона (Ne). В электрическом разряде часть атомов неона переходит с основного уровня Ei на возбужденные £ 4 и Е$ (рис 1.15). Инвер­ сии населенностей в чистом неоне мешает метастабильный уро­ вень Е2 . Эта трудность преодолевается введением в неон примеси

отдают им свою энергию, и часть атомов неона дополнительно переходит на уровни Ei и Е5. Таким образом, здесь имеет место

30

резонансная передача возбуждения и создается дополнительная населенность верхних уровней неона.

Если правильно подобрать процентный состав смеси гелийнеон, то можно добиться того, что заселенность уровней Е± и Еь

необходимую для процесса генерации света. Опустошение ниж­ него Е3 уровня неона, необходимое для условия генерации, про­ исходит под влиянием соударений атомов со стенками газораз­ рядной трубки. Соударения со стенками опустошают и метастабильный уровень Е2. Для того, чтобы соударения со стенками газоразрядной трубки эффективно опустошали уровень Е3, газо­ вая смесь гелий-неон берется в пропорции 5:1 при общем давле­ нии около 1,1 мм рт. ст. и диаметре трубки около 7 мм.

стотный спектр гелий-неонового лазера может содержать до 30— 40 спектральных линий в диапазоне видимого и инфракрасного излучения.

Длина гелий-неоновых лазеров колеблется от 0,17 до 1 м, что позволяет получать высокую направленность лазерного излуче­ ния. Расходимость 9 луча в минутах дуги приближенно может быть определена по следующему соотношению

б « 3438]А7Г,

где Я — длина волны излучения; L — длина оптического резона­ тора.

Например, при L = 300 мм и Я,=0,63 мкм

6 = 3438 V 0,63/(3-105) = 5 ' .

Гелий-неоновые лазеры излучают в красной области видимо­ го спектра (А, = 0,6328 мкм). Подавляющие большинство лазеров, применяемых для геодезических работ в СССР и за рубежом, генерирует именно в этой областиКоэффициент полезного дейст­ вия лазеров невысок — около 0,1—0,01%', а выходящая мощность лежит в пределах от 0,1 до 0,001 Вт.

На рис. 1.16 дан общий вид лазера и блока питания, а на рнс. 1.17 разрез газового лазера. Основными элементами лазера явля­ ются газоразрядная трубка 5 (см. рис. 1.17) и оптический резо­ натор, состоящий из двух сферических зеркал 1, прижатых к инварному корпусу 6, определяющему расстояние между зер­ калами.

Газоразрядная трубка представляет собою герметическую стеклянную или кварцевую трубку диаметра около 7 мм, напол­ ненную смесью газов. Возбуждение активной среды производится посредством электростатического поля, создаваемого подогревае­ мым катодом К и анодом А трубки. На концах трубки имеются

31

Т а б л и ц а 1,1

Гелий-неоновые лазеры непрерывного действия, выпускаемые промышленностью (А. = 0,63 мкм)

лодиым» катодом; срок службы таких лазеров возрастает в не­

даны сравнительно недавно, когда газовые и рубиновые лазеры уже успешно работали, хотя «лазерные свойства» полупроводни­ ков известны давно. Такое запоздание связано с технологически­ ми трудностями изготовления нужных полупроводниковых мате­ риалов.

Основное достоинство полупроводниковых лазеров — миниа­ тюрность и простота «накачки» (возбуждения), осуществляемая пропусканием электрического тока через полупроводник. Полу­ проводниковые лазеры имеют высокий коэффициент полезного действия. Считается, что можно достичь к. п. д. почти 100%'. В действующих лазерах в самых благоприятных условиях-^к. п. д.

проводника, образуют области проводимости, одна из которых яв­ ляется электронной (n-областью), а другая — дырочной проводи­ мостью (р-областью). Часть кристалла между р- и п-областями называется р- n-переходом. Электрическое поле, приложенное к полупроводнику, вызывает движение электронов и дырок навстре­ чу друг другу, при этом происходит рекомбинация пары элек­ трон— дырка, сопровождающаяся излучением фотона.

Для получения индуцированного излучения необходимо соз­ дать на р- «-переходе очень большую плотность тока, порядка нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. С повышени­ ем плотности тока накачки увеличивается интенсивность выход­ ного сигнала. Для получения генерации необходима обратная связь, т. е. р- п-переход нужно поместить в оптический резона­ тор, роль которого в данном случае выполняют зеркально отпо­ лированные грани полупроводникового кристалла. Размеры кри­ сталла не превышают I X ЬХ1 мм.

Имеется ряд полупроводниковых материалов, из которых из­ готовляются лазеры. Лучшие результаты получены на лазерном

'4 0,8** 0,8*6 0,8*8

р- n-переходе в арсениде галлия; на этом переходе можно полу­ чить излучение мощностью до 10 Вт при температуре жидкого азота примерно —77° по шкале Цельсия с рабочего тела очень малых размеров. Толщина р-гс-перехода около 2 мкм; длина из­ лучающей части не более 1 мм; направленность излучения не­ сколько градусов. При комнатной температуре мощность излуче­ ния составляет десятые или сотые доли ватта. На рис. 1.18 схе­ матично показана конструкция полупроводникового лазера на основе арсенида галлия и спектр его излучения.

Полупроводниковый лазер находит широкое применение в светодальномерах с небольшой дальностью действия, в том чис­ ле и в светодальномерах, предназначенных для инженерно-геоде­ зических целей.

34

Г Л А В А II

ЛИНЕЙНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ДАЛЬНОМЕРОВ

§ II. 1. Элементы теории радиофизических дальномеров

Радиофизические дальномеры — это устройства для измере­ ния расстояний по времени распространения электромагнитных колебаний между конечными точками линии. При этом скорость электромагнитных колебаний в момент измерений предполагает­ ся постоянной и известной. В зависимости от вида используемых электромагнитных колебаний радиофизические дальномеры де­ лятся на светодальномеры и радиодальномеры. Свето- и радио­ дальномеры в зависимости от характера излучения разделяются • на импульсные и фазовые.

Во всех радиофизических дальномерах принята одна и та же принципиальная блок-схема: дальномер состоит из двух основ­ ных узлов — приемо-передатчика, устанавливаемого на началь­ ной точке и отражателя, устанавливаемого на конечной точке линии. Назначение приемо-передатчика — посылка электромаг­ нитной энергии в направлении отражателя, прием отраженных электромагнитных волн и измерение времени распространения электромагнитных колебаний на двойном измеряемом расстоя­ нии. Отражатель выполняет функцию отражения посланных на него электромагнитных волн в обратном направлении. В этом случае искомое расстояние может быть вычислено по формуле

т — время, потребное электромагнитным волнам на прохож­ дение расстояния 2Д.

Точность измерения расстояний зависит главным образом от точности измерения времени распространения волн и определе­ ния их скорости на момент измерений. При ошибке измерения времени порядка Ы О - 1 0 с в длине линии возникает погрешность около 1—2 см, что в относительном значении составляет, напри­

36

Измерить время с указанной точностью можно косвенно—фа­ зовым способом. Непосредственное измерение времени импульс­ ным способом дает пока точность на один-два порядка грубее.

Для определения величины v в формуле ( I I . 1) пользуются соотношением

v = с/п, (II.2)

где с — скорость электромагнитных волн (скорость света) в ваку­ уме, принятая в настоящее время равной 299 792,5±0,4 км/сек;

его плотности и частоты используемых при измерениях электро­ магнитных колебаний. В наземных условияхпри изменении тем­

ных волн изменяется на несколько сотен километров в секунду, достигая в наиболее неблагоприятном случае относительного зна­

воздуха, как функцию его температуры, давления и влажности. При надлежащем учете метеорологических факторов остаточная, погрешность в расстоянии может быть сведена к величинам меньшим 1:500 000.

Следует отметить, что при измерении небольших расстояний (до 1—2 км), что имеет место, в инженерной геодезии, точность измерений зависит, главным образом, от ошибок определения времени распространения колебаний. При измерениях расстоя­ ний в десятки километров точность измерений зависит, в основ­ ном, рт ошибок определения скорости распространения электро­ магнитных колебаний в воздухе.

§ II. 2. Импульсный способ измерения расстояний

Принципиальная блок-схема импульсного дальномера изобра­ жена на рис. II . 1 . Приемо-передатчик устанавливается йа на­ чальной, а отражатель на конечной точках линии и взаимно ори­ ентируются.

Импульсные дальномеры обладают невысокой точностью, с точки зрения инженерной геодезии, но имеют большую оператив­ ность, что делает их очень удобными при измерениях расстояний

37

до движущихся объектов. Обычно импульсными дальномерами пользуются как локаторами, т. е. определяют не только расстоя­ ние, но и направление на объект. В зависимости от вида исполь­ зуемых колебаний импульсные дальномеры носят название ра­ диолокаторов или оптических локаторов.

Приемо-передатчик представляет собой источник электромаг­ нитных колебаний (генератор) с устройством для формирования

правлении. Приемник —это чувствительный элемент с устройст­ вом для приема электромагнитных колебаний и преобразования их в вид, удобный для измерений.

Отражатель может быть пассивным (зеркально-линзовый, трипель-призменный и т. д.) или активным (ретранслятор-усили­ тель). При использовании мощных источников излучения (лазе­ ров) возможна работа дальномера без установки специального отражателя на точке, если отражающая способность объекта со­

ставляет 15—20% (стена побелен­ ного здания, металлическая об­ шивка самолета и т. д.).

В качестве измерителя време­ ни часто используется электрон­ нолучевая трубка, на электроды которой подается напряжение опорного генератора с частотой f. В результате на экране трубки со­ здается круговая или линейная развертка электронного луча с заданной частотой опорного гене­ ратора (рис. II.2).

Дальномер работает следую­ щим образом. С помощью пере­ датчика излучается импульс энергии. Часть энергии импульса

кратчайшим путем (опорный сигнал) направляется в приемник и после соответствующей переработки поступает в виде дополни­ тельного напряжения на пару электродов электроннолучевой трубки. В результате на развертке образуется так называемый опорный выброс 1 (см. рис. I I . 2). Остальная энергия импульса,

38

достигнув отражателя и возвратившись к приемнику (т. е. прой­ дя расстояние 2Д), через время х создает на развертке отражен­ ный выброс 2. Излучение импульсов производится через равные промежутки времени и со скважностью (промежутком времени между двумя импульсами) большей, чем период развертки, но меньшей, чем время послесвечения экрана. Вследствие этого изображения опорного и отраженного выбросов остаются на эк­ ране видимыми в течение всего времени работы дальномера.

Опорный выброс всегда неподвижен, а отраженный неподви­ жен при неизменном расстоянии и перемещается, если объект двигается. Зная направление развертки электронного луча и из­ мерив угол ср (или длину дуги окружности) между опорным и от­ раженным выбросами (см. рис. II-2), найдем

постоянную для данных условий внешней среды. Поэтому изме­ рение расстояния сводится к определению величины ср.

Обычно на экран электроннолучевой трубки накладывают про­ зрачную шкалу, разделенную для некоторого среднего значения скорости v электромагнитных волн и частоты f. Центр шкалы совмещают с центром круговой развертки. Если Т>х, то элект­ ронный луч за время х успевает пробежать только часть окруж­ ности, и отсчет по шкале даст значение расстояния в линейной мере. При Т<х электронный луч за время х успевает сделать не­ сколько полных оборотов N и какую-то долю оборота ср, в резуль­ тате искомое расстояние определится из соотношения

достигается применением нескольких частот развертки. При раз­ работке дальномера задаются наибольшим измеряемым рассто­ янием. Тогда для выполнения условия Т > т нужно, чтобы

T>2M/v,

откуда

Одним из факторов, влияющих на точность измерений, явля­ ется частота развертки. Практически найдено, что отсчет угла ср

39