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

когерентностью и направленностью. Как видно из схемы, изо­ браженной на рис. 123, ОКГ состоит из активного вещества, источника энергии накачки и открытого резонатора, образованного зеркалами 1 и 2. В обычных условиях в активном веществе на верх­ них энергетических уровнях находится меньше атомов, чем на ниж­ них. Под действием энергии, получаемой от источника накачки, возникнет инверсия населенности * уровней, при которой хотя бы на одном из верхних уровней будет находиться больше атомов, чем на нижнем. Так как атомы с верхнего энергетического уровня будут постоянно переходить на нижний, то инверсное состояние активного вещества может поддерживаться только за счет притока внешней

целое число, а / — длина резонатора, в пространстве между зеркалами возникнет стоячая волна той же длины волны %. Эта волна, отдавая энергию среде, будет возбуждать атомы и одновременно стимулировать переход воз­ бужденных атомов на нижний уровень, причем стимулированное излучение будет совпадать по фазе, частоте и ориентировке плоскости поляризации с вынуждающим его колебанием, т. е. будет когерент­ ным с ним. Если инверсия населенности будет непрерывно поддер­ живаться, а поглощение энергии стоячей волной будет меньше, чем излучение среды, то излучение активного вещества будет увеличивать энергию стоячей волны. Если одно из зеркал (например, зеркало 2 на рис.123) сделать полупрозрачным, то часть энергии. световых колебаний будет излучаться во внешнее пространство.

Разработанные к настоящему времени ОКГ весьма разнообразны и различаются по многим признакам. В частности, по виду активного вещества различают ОКГ твердотельные (на рубине, на стеклах с примесью редкоземельных элементов и т. д.), полупроводниковые, жидкостные и газовые. В зависимости от вида энергии, с помощью которой осуществляется инверсия населенности уровней в активном веществе, различают ОКГ с оптической (световая энергия) или элек­ трической (энергия переменного или постоянного электрического поля) накачкой, а также накачкой электрическим током, которая

* Населенность уровней — число атомов, находящихся на данном уровне в единице объема.

получила преимущественное применение в полупроводниковых ОКГ. В ажнейшими характеристиками ОКГ являются выходная мощность излучения, длина волны, направленность и диаметр пучка, срок службы, потребляемая мощность и др. В светодальномерах в настоя­ щее время наибольшее распространение получили маломощные га­ зовые ОКГ на смеси гелия с неоном. Некоторые характеристики двух

Для применения в светодальномерах особенно перспективными являются полупроводниковые ОКГ, характеризующиеся малыми размерами, высоким значением коэффициента полезного действия и простотой осуществления амплитудной модуляции — путем изме­ нения тока накачки. Правда, пока полупроводниковые ОКГ требуют охлаждения, что затрудняет применение их в светодальномерах, однако успехи в разработке приборов этого типа позволяют наде­ яться на удачное решение данной проблемы.

Наряду с источниками света приемники световой энергии яв­ ляются непременными элементами светодальномеров. Из известных в настоящее время способов регистрации света в светодальномерах нашли применение только визуальные и фотоэлектрические методы, что объясняется малой величиной принимаемого светового потока. Преимуществом фотоэлектрической регистрации является возмож­ ность объективной оценки величины принимаемого светового потока и автоматизации процесса измерения расстояний. Поэтому в высоко­ точных приборах предпочтение отдается фотоэлектрической реги­ страции. Но вместе с тем приборы с фотоэлектрической регистрацией относительно сложны. Достоинством дальномеров с визуальной ре­ гистрацией является простота устройства, сравнительно малый вес аппаратуры и надежность в эксплуатации. Однако при выполнении измерений такими светодальномерами к наблюдателю предъ­ являются высокие требования в отношении остроты зрения и трени­ рованности, а процесс измерения более утомителен, чем при фото­ электрической регистрации.

231

Глаз человека — весьма совершенный приемник света, способ­ ный воспринимать световую энергию в большом диапазоне освещенностей (от Ю - 9 до 101 3 люкс) и обладающий высокой чувствитель­ ностью. Наименьшее (пороговое) изменение яркости, различаемое

тивность (избирательность). Поэтому измерения расстояний светодальномерами с визуальной регистрацией светового потока могут

бражений до 0,25 с при малых яркостях. В силу сказанного глаз всегда интегрирует быстропеременный световой поток, принимаемый с дистанции. Глазу присуще свойство адаптации — приспособле­ ния к изменениям условий освещенности в течение некоторого вре­ мени, называемого временем адаптации. Поэтому при регистрации светового потока, особенно малого, наблюдатель должен некоторое время пробыть при пониженной освещенности (а ночью — в темноте) и избегать рассматривания ярких предметов во время наблюдений. Чувствительность глаза зависит от длины волны света. Эту зави­ симость, т. е. спектральную характеристику глаза, называют функ­ цией видности. Графическое изображение функции видности «сред­ него» глаза для ночных 1 и дневных 2 условий дано на рис. 124, а. Наибольшей чувствительностью глаз обладает в центральной части видимого участка спектра при длинах волн 0,51—0,56 мкм.

При определении спектрального максимума принимаемого излу­ чения должны учитываться функция видности, спектральные ха­ рактеристики модулятора и фазового детектора и коэффициент спект­ ральной прозрачности атмосферы. При этом спектральная характе­ ристика реакции глаза, т. е. субъективное ощущение яркости изображения, получится как произведение всех перечисленных харак­ теристик для каждого значения длины волны. На рис. 124, а тон­ кими линиями показаны: спектральная прозрачность атмосферы при слабом помутнении и расстояниях порядка 1 км (кривая 3), а также спектральная характеристика лампы ДАЦ-50 (кривая 4) и спектраль­ ная прозрачность ячейки Керра (кривая 5), используемой в качестве

которых получены перемножением ординат соответствующих кри­ вых, изображенных на рис. 124, а. При практических расчетах максимум спектральной чувствительности глаза иногда принимают равным среднему из максимумов для ночных и дневных условий.

Визуально с высокой степенью точности можно установить ра­ венство яркости двух или более объектов, но очень грубо можно установить количественные отношения между разными яркостями.

232

Поэтому в визуальных светодальномерах производится регистрация либо экстремальных значений световых потоков, когда яркость фактически оценивается по сравнению с яркостью того же предмета в предшествующий момент времени с участием зрительной памяти, либо одновременно наблюдают два близко расположенных объекта, добиваясь равенства их яркостей в один и тот же момент времени.

Фотоэлектрическая регистрация осуществляется с помощью уст­ ройств, электрические свойства которых меняются под воздействием света, что приводит к изменению тока и используется для измере­ ний. По принципу действия фотоэлектронные преобразователи под­

Ри с . 124

ифотоэлектронные умножители (ФЭУ), чаще называемые фотоумно­ жителями. Фотоэлементы обладают сравнительно низкой чувстви­ тельностью и поэтому в светодальномерах не применяются. К при­ борам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, вен­ тильные фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы. Во всех этих приборах используют свойство полупроводниковых материалов из­ менять электрическую проводимость под воздействием света. Полу­ проводниковые приборы миниатюрны, питаются током низкого напряжения, но, как и фотоэлементы, обладают низкой чувствитель­ ностью, вследствие чего они также пока не нашли применения в све­ тодальномерах.

Фотоэлектронный умножитель представляет собой комбинацию фотоэлемента с внешним фотоэффектом и электронного усилителя фототока, основанного на использовании вторичной электронной эмис­ сии. Устройство фотоумножителя с электростатической фокусиров­ кой схематически показано на рис. 125, а. В стеклянном баллоне между фотокатодом ФК и анодом А помещается несколько дополни­ тельных электродов Эг, Э2, . . ., называемых эмиттерами, на кото­ рые подаются напряжения так, что величина их возрастает от катода к аноду. Электроны, покидающие фотокатод под воздействием света,

233

точную для того, чтобы при соударении с первым эмиттером Эх возбудить несколько электронов, которые оказываются в состоянии его покинуть. Эмигрировавшие с поверхности Эх вторичные элек­ троны, в свою очередь, будут ускорены электрическим полем между эмиттерами Эг и Э2 и выбьют из эмиттера Э2 еще большее число вторичных электронов и т. д. Для количественной оценки вторичной эмиссии пользуются коэффициентом вторичной эмиссии er, под кото­ рым понимают отношение числа эмиттирующих с электрода вторич­ ных электронов к числу соударяющихся с его поверхностью первич­ ных электронов. Величина коэффициента а зависит от приложенной

\,мкм

Рис . 125

кдвум смежным электродам разности потенциалов. Величина фото­

тока /ф, протекающего в анодной цепи ФЭУ, выражается уравнением

в котором Д — ток фотокатода, а п—число каскадов умножения фототока, равное числу эмиттеров. Важнейшими эксплуатационными характеристиками фотоумножителя являются вольт-амперные (анод­ ные), световые и спектральные характеристики.

Вольт-амперной характеристикой называют зависимость фото­ тока от напряжения питания анода ФЭУ при неизменном световом потоке постоянного спектрального состава. В общем случае эта ха­ рактеристика имеет вид кривой с протяженным горизонтальным участком.

Световая характеристика (см. рис. 125, б) отражает зависимость фототока от величины светового потока при неизменном напряжении питания фотоумножителя и постоянном спектральном составе излу­ чения. При рабочих значениях напряжений питания ФЭУ световые характеристики обычно близки к прямым.

Спектральная характеристика, показывающая зависимость фото­ тока от длины волны монохроматического света при сохранении интенсивности светового потока и напряжения питания ФЭУ, в ос­

спектра, часто применяют сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Спект­ ральная характеристика ФЭУ-38 с сурьмяно-цериевым катодом показана на рис. 125, в пунктирной линией. В фотоумножителях, предназначенных для приема световой энергии инфракрасного диа­ пазона, применяют серебряно-кислородно-пезиевые фотокатоды. Спектральная характеристика ФЭУ-28, относящегося к приборам второго типа, показана на рис. 125, в сплошной линией.

Важнейшими параметрами ФЭУ являются коэффициент усиления

ичувствительность, а также уровень собственных шумов. Коэффициент усиления к фотоумножителя характеризует от­

ношение анодного тока к току фотокатода и связан с коэффициентом вторичной эмиссии о формулой

к = оп,

где п — число эмиттеров ФЭУ.

Под чувствительностью ФЭУ понимают отношение приращения

ная чувствительность) и немонохроматическому (интегральная чув­ ствительность) излучениям.

Собственные шумы ФЭУ обусловлены протекающими в нем стохастическими процессами. Их уровень можно полагать пропор­ циональным анодному току фотоумножителя. В анодной цепи фото­ умножителя протекает ток и без освещения фотокатода. Этот ток называют темновым током.

§ 34. М О Д У Л Я Т О Р Ы СВЕТА

Как указывалось ранее, источником информации о пройденном световыми колебаниями расстоянии служит параметр световых волн, периодически изменяющийся во времени. В связи с этим воз­ никает необходимость модуляции светового потока. В светодально­ мерах модуляция света осуществляется путем воздействия управля­ ющего (модулирующего) электрического напряжения или непосред­ ственно на источник света, вследствие чего периодически изменяется мощность излучения, ( или на специальное устройство (модулятор),

о внешней. В современных светодальномерах и при внутренней, и при внешней модуляции чаще всего осуществляется управление интен­ сивностью света, т. е. происходит амплитудная модуляция.

Для обеспечения необходимой точности измерения расстояний модуляции света в дальномерах должна быть малоинерционной, вы­ сокостабильной и обеспечивать плавное или дискретное изменение

235

частоты в заданном диапазоне при максимальной глубине модуля­ ции светового потока. Модулирующее устройство должно быть эко­ номичным, простым в регулировке и эксплуатации, а потери света в нем должны быть минимальными.

Внутренняя модуляция возможна в газоразрядных источниках света, оптических квантовых генераторах и электролюминесцент­ ных диодах. В первом случае модуляция, осуществляемая за счет

Внутреннюю модуляцию ОКГ можно осуществлять за счет из­ менения геометрической или оптической длины резонатора. Перио­ дическое изменение геометрической длины достигается колебаниями пьезоэлектрической пластинки, из которой изготовлено одно из зеркал под воздействием приложенного к ней электрического напряжения. Оптическую длину резонатора можно изменять периодическим из­ менением показателя преломления рабочего тела, если оно изгото­ влено из вещества, обладающего искусственной анизотропией. Эти и другие способы модуляции находятся в стадии разработок и в се­ рийных светодальномерах пока не используются.

Всуществующих светодальномерах внутренняя модуляция осу­ ществляется только в светодиодах. В последних, как это говорилось

впредыдущем параграфе, амплитудная модуляция происходит за счет изменения тока, управляющего интенсивностью процесса ре­ комбинации электронов и дырок в р — п-переходе.

Вбольшинстве светодальномеров осуществляется внешняя моду­ ляция светового потока при помощи специальных модуляторов, которые по принципу действия подразделяются на механические, интерференционные, дифракционные, электрооптические и др.

Наиболее проста по идее механическая модуляция, осуще­ ствленная впервые Физо для определения скорости света (см. § 4). Позднее, в светодальномере Элленбергера, механическая модуляция осуществлялась при помощи прозрачного диска с нанесенными не­ прозрачными штрихами прямоугольной формы, в промежутках ме­ жду которыми проходил свет. Диск вращался мотором, число обо­ ротов которого можно было плавно изменять в заданном диапазоне.

Очевидно, частота модуляции светового потока в этом случае будет

F = nf,

где п — число делений на диске, а / — число оборотов диска. Для получения частоты модуляции F = 107 Гц при / = 250 об/с (15 ООО

оборотов в мин) необходимо нанести на диск 107 : 250 = 40 000 штри­ хов. При диаметре диска 150 мм расстояние между штрихами должно быть 150-10 3 jt : 40 000 = 12 мкм. Если потребовать, чтобы ста­ бильность частоты была в пределах 10"3 , то необходимо штрихи наносить с ошибкой не грубее 0,01 мкм. Приведенные расчеты пока­ зывают исключительную трудность изготовления такого модулятора. Механические модуляторы применения в светодальномерах не нашли.

236

Интерференционный модулятор, основанный на принципе интер­ ферометра Майкельсона, был предложен академиком А. А. Лебеде­ вым для первого в мире светодальномера, созданного в Государ­ ственном оптическом институте в 1936 г. Модулятор состоит из двух стеклянных трехгранных призм (рис. 126), двух зеркал и фокуси­ рующей системы. Общая грань призм ПП, ориентированная под углом 45° к направлению лучей, является полупрозрачным зеркалом. Одно из зеркал наносится на пластину, вырезанную из кристалла кварца или другого материала с заметным обратным пьезоэлектриче­ ским эффектом * в направлении ее толщины. К пластине подводится переменное напряжение, близ­ кое к ее резонансной частоте, вследствие чего она возбужда­ ется и испытывает механиче­ ские колебания по толщине.

влению к неподвижному зеркалу, возвратившись от которого, прой­ дет поверхность ПП и также направится в передающий объектив. Таким образом, по одному направлению через объектив будут про­ ходить два когерентных пучка, один из которых отразился от зер­ кальной поверхности колеблющейся пластины, а другой — от не­ подвижного зеркала. Оба пучка будут интерферировать между собой. А так как разность хода вследствие изменения длины пути одного пучка периодически меняется, то возникнет амплитудная модуляция светового потока.

Частота модуляции светового потока в интерференционном мо­ дуляторе равна собственной частоте пьезоэлектрической пластины. Поэтому для разрешения неоднозначности необходимо иметь не­ сколько пластин с разными частотами. Потери света в модуляторе составляют около 45%, а потребляемая мощность — 1—2 Вт. В этом отношении интерференционный модулятор является наибо­ лее выгодным. Однако трудность юстировки, а также неоднородность

* Обратный пьезоэффект — изменение размеров тела под воздействием электрического поля.

237

колебаний пластины по толщине в разных ее участках заставили от­ казаться от его применения в серийных приборах.

В дифракционном модуляторе используется явление дифракции света на ультразвуковых волнах в жидкости или твердом теле. В пер­ вом случае модулятор (рис. 127) представляет собой стеклянный сосуд, заполненный жидкостью с высокой прозрачностью и малой вязкостью. -На дне сосуда помещается пластина из пьезоэлектриче­ ского материала, на которую подается электрическое напряжение высокой частоты, равной собственной частоте пластинки или одной из ее гармоник. Возбуждаемые механические колебания пластинки порождают в жидкости-наполнителе волны ультразвуковой частоты.

ных стенок сосуда. Модуляция на стоячих ультразвуковых волнах возможна до частот в несколько десятков мегагерц. Впервые дифрак­ ционный модулятор был применен в светодальномере ГД-300, раз­ работанном в ГОИ. В качестве излучателей в нем применялись пла­

При синусоидальном напряжении, подаваемом на пластинку, смещение частиц жидкости в стоячей ультразвуковой волне, согласно (20), можно выразить уравнением

S = 2 A cos ~ X sin Щ-1,

где X — расстояние от источника ультразвука; Л —длина звуковой волны и Г — период ее колебания. Из этой формулы следует, что при

cos -^- X = cos (2т - f 1) -— = 0

образуются узлы стоячей волны, а при

возникают максимальные, смещения частиц жидкости (пучности). Периодические колебания жидкости вызовут изменение плотности

238

в ней. Так как плотность р пропорциональна производной от смеще­ ния S по направлению распространения звука

то распределение плотности в жидкости также будет иметь характер стоячих волн. Однако узлы и пучности плотностей, как это видно из сравнения выражений (20) и (267), будут сдвинуты относительно

где no — показатель преломления жидкости при отсутствии ультразву­ ковой волны, a Are—амплитуда из­ менения показателя преломления. Следовательно, показатель прелом­ ления будет постоянным и равным

и о в узлах, на расстояниях х = Im —.

величины Ara для тех же моментов времени. При отсутствии напряжения световой поток проходит через модулятор параллельным пучком и направляется через отверстие в диафрагме к передающему объективу (см. рис. 127). При возбуждении в среде стоячей ультра­ звуковой волны в ней создается регулярная дифракционная решетка с переменными оптическими свойствами, приводящая к периодиче­ скому возникновению и исчезновению дифракционной картины за модулятором. Для получения модулированного светового потока при помощи диафрагмы выделяют только свет нулевого дифракци­ онного максимума. Как видно из рис. 128, частота модуляции будет в два раза выше частоты приложенного напряжения.