книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

В качестве примера на рис. 116 приведен график зависимости дальности светодальномера СВВ-1 от прозрачности атмосферы в ноч-

оптическую систему приемо-передатчика проходит всего треть све­ товой энергии. Если же учесть потери в системе «модулятор — детектор» светодальномера и в отражателе, то принимаемый фото­ приемником сигнал окажется равным нескольким процентам энер­ гии излучения источника света.

Из уравнения (262) и предыдущего видно, что дальность действия существенным образом зависит от скорости изменения светового потока / ' (ер) в точке фиксации разности фаз. При прочих равных

220

условиях необходимо выбирать для фиксации такое значение раз­ ности фаз, при котором / ' (ф) имеет максимальное значение.

Дальность действия тесно связана с точностью определения раз­

больше измеряемое расстояние, так как, вообще говоря, с увеличе­ нием длины линии закон изменения светового потока с изменением разности фаз остается прежним, но уровень сигнала понижается. При заданной предельной ошибке фиксации разности фаз, изме­ рение фазы возможно только до тех пор, пока уровень сигнала не меньше того, который наблюдается при максимальном расстоянии. С повышением требований к точности фиксации разности фаз без

шении ошибки фиксации разности фаз от Дф2 до Афг (см. рис. 117, а),

определяющей наряду с другими факторами предельную дальность светодальномеров, зависит от многих причин, из которых главными являются тип фотоприемника, его рабочий режим и условия наблю­ дений.

При визуальной регистрации светового потока под А Ф т ; п сле­ дует понимать то минимальное изменение его, которое в данных условиях ощущается глазом наблюдателя. Численное значение этой величины зависит от способа и условий наблюдений.

Рассмотрим сначала методы определения этой величины для способа, при котором фиксируется минимальное значение светового потока, как это имеет место, например, при компенсационном способе

рис. 117, а). Наблюдения при постоянном, точнее, медленно изменя­ ющемся, фоне возможны только тогда, когда яркость фоновой засвет­ ки ниже яркости изображения отражателя хотя бы при тех значениях разностей фаз, которые регистрируются (см. рис. 117, б). В этом случае глаз наблюдателя адаптируется на яркость фона и фикси­ рует равенство яркости изображения отражателя и яркости фона. При этом погрешность в оценке полезного светового потока про­ порциональна интенсивности фоновой засветки Фф

ДФтіп = »гФф,

что вытекает из закона Вебера — Фехнера, согласно которому в широких пределах значений световых потоков Ф отношениеДФ : Ф, где ДФ — ошибка фиксации светового потока, остается постоянным и равным т. Коэффициент пропорциональности m различен у раз­ ных наблюдателей и меняется у одного и того же наблюдателя при

221

изменении условий наблюдений. Численное значение его колеблется в пределах от 0,01 до 0,05. Часто измерения линий производятся при неустойчивом состоянии атмосферы, что проявляется в видеслучайных изменений принимаемого светового потока с течением времени (см. рис. 117, в). Тогда, очевидно, ошибка фиксации уровня светового потока Ф 0 будет осуществляться с погрешностью ДФтѴп = =: о"ф, где 0"ф — среднее квадратическое значение отклонений свето­ вого потока от его среднего значения. Представляя этот результат следствием флуктуации пропускания атмосферы, найдем

А Ф т 1 п = о > а Ф 0 ,

где ара — среднее квадратическое значение отклонений коэффи­ циента пропускания от его среднего значения в момент измерений. При одновременном воздействии обеих причин и вследствие незави­ симости их ошибка фиксации светового потока определится формулой

А-Фтіп = Ѵ Д Ф ^ т + ДФтіп ,

из которой две предыдущие получаются как соответствующие част­ ные случаи. Так как при наблюдениях в условиях фоновой засветки, яркости изображения отражателя и фона равны между собой, то окон­ чательно получим

не минимальное, а более высокое значение светового потока, как, например, при наблюдениях по нулевому методу (см. § 35). Тогда

Такая замена обусловлена тем, что в этом случае глаз наблюдателя адаптируется не на уровень фоновой засветки, а на более высокий уровень регистрируемого сигнала. Следует подчеркнуть, что наблюде­ ния по такому способу возможны только тогда, когда уровень реги­ стрируемого сигнала выше уровня фоновой засветки. В противном случае измерение расстояний невозможно.

При вычислении предельной дальности светодальномеров с фото­ электрической регистрацией светового потока ошибку фиксации

M

Y — д ф »

222

(величиной тока в отсутствие засветки фотоприемника) и уровнем шумов / ш , который определяется формулой

/ ш = п ѵ і / 7 д 7\

где п — коэффициент пропорциональности; / — фототок на выходе фютоприемника при регистрации светового потока и А/ — полоса частот, пропускаемых фазоизмерительным устройством. При ре­ гистрации светового потока Ф 0 в условиях фоновой засветки Фф величина фототока будет

/ = Ѵ(Ф„ + ФФ ),

так как фотоэлектронные приемники в отличие от глаза не обладают избирательными свойствами и реагируют на полный световой поток, а не на его составляющие. Таким образом, для уровня шумов фото­ приемника можно записать

/ш = « Ѵ Ѵ ( Ф о + Фф)А/.

Так как темновой ток фотоприемника и шумы независимы, для ошибки фиксации тока найдем

а минимальный уровень светового потока (без учета флуктуации) будет

В зависимости от условий наблюдений некоторые величины в фор­ муле (265) могут быть опущены. Так, при ночных наблюдениях Фф = == 0, а при дневных наблюдениях при наличии фоновой засветки можно по малости пренебречь темновым фототоком / т .

Оценим величину светового потока, поступающего на фотоприем­ ник от фона и играющего важную роль при светодальномерных измерениях. Пусть на приемный объектив (рис. 118) кроме отражен­ ного светового сигнала поступает также рассеянный свет. Обозначим через /п р фокусное расстояние приемной оптической системы, а через

223

Сила света іф, излучаемого участком 5ф, будет

где 5ф — яркость фона. Освещенность в плоскости входного зрачка приемной системы определится выражением

Т а б л и ц а 10

пускания приемной оптической системы, то световой поток, обусло­ вленный фоном, будет

/пР Таким образом, при заданной площади приемного объектива све­

товой поток, вызываемый рассеянным светом, уменьшается пропор­ ционально квадрату фокусного расстояния. Поэтому в приемных ча­ стях светодальномеров отдают предпочтение длиннофокусным опти­ ческим системам. Отношение полезного светового потока к уровню фоновой засветки на фотоприемнике можно повысить диафрагмиро­ ванием приемного объектива, применением светофильтров, если используется монохроматичное излучение. При визуальной регист­ рации светового потока хороший результат дает установка темного экрана за отражателем. Ориентировочные величины яркости для некоторых фонов приведены в табл. 10.

§ 33. И С Т О Ч Н И К И И П Р И Е М Н И К И СВЕТОВОЙ Э Н Е Р Г И И

Источниками света в светодальномерах являются лампы накали­ вания, дуговые лампы, оптические квантовые генераторы (лазеры) и люминесцентные полупроводниковые светодиоды. При всем много-

224

образин типов источников света механизм возбуждения электро­ магнитного излучения в них имеет много общего.

Как известно, электроны в атомах, не взаимодействующих с дру­ гими атомами, находятся в некоторых строго определенных (раз­ решенных) энергетических состояниях, т. е. могут обладать только определенными значениями энергии. Набор разрешенных энерге­ тических состояний электронов в атомах данного элемента называют его энергетическим спектром и изображают в виде диаграммы

£

!

а

Е>Еп.

На каждом из разрешенных уровней в атоме одновременно может находиться только строго ограниченное число электронов, причем электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией. Состоя­ ние, при котором заняты все нижние уровни и нет ни одного элек­ трона на верхних уровнях, соответствует наименьшей энергии атома и называется основным состоянием. Для атома, находящегося в основ­ ном состоянии, переход внешнего электрона с одного разрешенного уровня на более высокий может произойти только при сообщении извне энергии АЕ, равной разности энергий этих уровней. При этом атом (и электрон) перейдет в возбужденное состояние, продолжитель­ ность которого будет равна в среднем 10~8 с. Для некоторых уровней, называемых метастабильными, это время на несколько порядков больше.

Обратный переход атома в основное (у электрона — на низший из разрешенных для него уровней) может произойти спонтанно (са­ мопроизвольно) или же вынужденно — под воздействием электро­ магнитного излучения частоты ѵ, определяемой из выражения (25) АЕ = hv. Переходы могут быть безызлучательными, когда энергия АЕ отдается или приобретается за счет взаимодействия атомов (на­ пример, при соударениях), и излучательными, сопровождающимися

Таким образом, в одноатомных газах и парах металлов, нахо­ дящихся под небольшим давлением (для них характерен энер­ гетический спектр вида 119, а), под воздействием источника энер­ гии часть атомов переходит в возбужденное состояние и некоторые электроны окажутся на уровнях, с которых разрешен излучательный переход. Атомы с такими электронами будут возвращаться в основное состояние, излучая кванты энергии. При постоянных условиях таких атомов в среднем будет столько же, сколько и воз­ бужденных, т. е. установится динамическое равновесие. Некоторые атомы переходят сначала на более низкий возбужденный уровень, а затем происходит переход в основное состояние. При этом излу­ чается два кванта энергии. Характер спектра излучения в общем будет линейчатым, так как в атоме имеется конечный набор уровней и ча­ стота излучения строго определена соотношением (25).

Спектр излучения молекулярного газа состоит из относительно широких полос (полосатый спектр) вследствие того, что энергети­ ческий спектр молекулы (см. рис. 119, б) состоит из нескольких атомарных спектров и, кроме того, имеет дополнительные энерге­ тические уровни, характеризующие колебание и вращение моле­ кулы (на рис. 119, б показаны укороченными линиями). Энергети­ ческие уровни в молекулах расположены близко и местами слива­ ются, образуя полосы.

В твердых телах в результате сильного взаимодействия атомов энергетические уровни отдельных атомов «расщепляются» на близ­ кие подуровни, образующие энергетические зоны (на рис. 119, в заштрихованы). Практически расщепление наблюдается только у

ный уровень (уровень с валентными электронами в невозбужден­ ном состоянии) при расщеплении перекрывается с ближайшим воз­ бужденным уровнем, у диэлектриков и полупроводников между этими уровнями имеется запрещенная зона (см. рис. 119, в), более широкая у диэлектриков, чем у полупроводников. В твердых телах электроны в невозбужденном состоянии могут занимать любые сво­ бодные подуровни в пределах валентной зоны, а в возбужденном состоянии —любые свободные подуровни первой возбужденной зоны, у полупроводников называемой зоной проводимости. Так как элек­ трону разрешены те же обратные переходы, в процессе которых из-

226

накаливания в дневных условиях во много раз меньше дальности действия ночью.

Внутри колбы имеются два молибденовых электрода, зазор между заостренными концами которых составляет —0,5 мм. Во внутреннюю полость колбы при изготовлении лампы вносится небольшое количе­

в

ражен на рис. 121 (кривая 2). Появление сплошного фона в спектре ртутной лампы объясняется расщеплением энергетических уровней молекул вследствие довольно сильного взаимодействия между ними при давлении, которое устанавливается в колбе. Недо­ статком лампы являются большая потребляемая мощность при относительно низком коэффициенте полезного действия и малый срок службы (—100 ч).

В светодальномере СВВ-1 в качестве источника света приме­

зажигания лампы на ее электроды на короткое время подается вы­

228

ратуры, при которой окись циркония излучает характерный для металлов непрерывный спектр, показанный на рис. 121 (кривая 3). Яркость лампы ДАЦ-50 достигает 30—50 меганит. Срок службы ее несколько больше, чем у лампы ДРШ 100-2.

тонкий (толщиной в единицы или десятки микрометров) слой, назы­ ваемый р — «-переходом, р — «-переход отличается очень высокой концентрацией связанных с узлами кристаллической решетки элек­ тронов е~ со стороны /^-области и дырок е + со стороны гг-области. Если к светодиоду приложить «прямое» напряжение (плюс к р-обла- сти и минус к «-области), то через р — «-переход начнет протекать «прямой» ток, обусловленный перемещением электронов из «-области в р-область и дырок в обратно*! направлении. Электроны и дырки проводимости в р — «-переходе будут рекомбинировать. А так как электроны проводимости являются возбужденными электронами, а дырки по существу, являются вакантными местами в невозбужден­

этот переход является излучательным и потому процесс рекомбинации электронов и дырок в р — «-переходе светодиода сопровождается излучением электромагнитной энергии; при этом частота электро­ магнитных колебаний определяется выражением (25). Телом свече­ ния в светодиоде является р — «-переход (рис. 122, б).

При изменении тока через р — « переход светодиода изменяется интенсивность процесса рекомбинации, а следовательно, и интен­ сивность свечения. Таким способом в светодиодах осуществляется амплитудная модуляция, частота которой может достигать сотен мегагерц.

В большинстве случаев светодиоды изготавливаются из арсенида галлия, для которого средняя длина волны излучения в зависимости от состава примеси лежит в пределах 0,8—0,9 мкм, т. е. в ближней

(см. рис. 122, в) и зависит от внешних факторов, в том числе от темпе­ ратуры и проходящего через него тока. Светодиоды отличаются ма­

поэтому в настоящее время светодиоды находят применение исклю­ чительно в малых светодальномерах. Применение криогенных (охла­ ждающих) устройств улучшает энергетические характеристики све­ тодиодов, но одновременно4 увеличивает габариты и вес прибора.

Лампы накаливания, дуговые источники света и электролюмине­ сцентные диоды дают излучения неполяризованяых колебаний широ­ кого спектра. В противоположность этому излучение оптических кван­ товых генераторов (ОКГ) отличается высокой монохроматичностью,

229