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

в противофазный, то при произвольной разности фаз ф величина светового потока будет поочередно принимать то одно, то другое значение и наблюдатель будет видеть мерцания изображения отра­ жателя, наблюдаемое в окуляр приемной системы дальномера. Из­ меняя частоту модуляции, можно достигнуть равенства соответству­ ющих световых потоков, т. е. исчезновения мерцания. Это наступит

Нулевой метод можно реализовать, если в приемной оптической системы разделить принимаемый световой поток на два, а затем каж­ дый из них подать на отдельный демодулятор. Демодуляторы при этом должны работать один в синфазном, а другой — в противофаз­ ном режимах. Тогда наблюдатель будет одновременно видеть два изображения отражателя. Изменяя частоту модуляции так же, как и при способе мерцаний, можно добиться одинаковой яркости изобра­ жений ^при ф = 2я (N • Частоту, соответствующую экстре­ муму, можно найти по формуле (300).

К числу нулевых методов относится также способ, реализуемый с помощью предложенного Ф. П. Носковым двойного анализатора. Анализатор (рис. 142), изготовленный в виде окулярной насадки, со­ стоит из тонкой пластины исландского шпата, разделяющей пада­ ющий на нее после приемного конденсатора Керра световой поток на два плоско-поляризованных пучка. Так как плоскости поляриза­ ции пучков отличаются на 90°, то одно изображение отражателя соот­ ветствует изображению при скрещенных поляроидах, а другое — изображению при параллельных поляроидах. В связи с этим яр ­ кости изображений отражателя меняются в противофазе так, как и в рассмотренных вариантах нулевого метода. При помощи поворота анализатора, установленного между пластинкой и глазом, можно

260

менять уровень яркости сравниваемых изображений отражателя; при этом изменяются частоты модуляции, соответствующие равенству яркостей изображений. По экспериментальным данным точность фик­ сации разности фаз в этом способе в 2—3 раза выше, чем в компенса­ ционном способе экстремума.

Рассмотрим особенности измерения разности фаз в светодально­ мерах с фотоэлектрической регистрацией, схема которых изобра­ жена на рис. 138, в. (Измерение разности фаз для схемы на рис. 138, б при фотоэлектрической регистрации аналогично рассмотренной ви­ зуальной регистрации.) В схемах такого типа на фотокатод ФЭУ непрерывно поступает отраженный световой поток, а на его первый каскад, т. е. на промежуток фотокатод —первый эмиттер, подается опорное напряжение с ГМК. Величина фототока, протекающего

При синфазном режиме работы ФЭУ относительно напряжения на модуляторе га — 0, а при противофазном режиме га = 1. Как и в ви­ зуальных светодальномерах, вследствие инерционности индикатор­ ного устройства показание индикатора будет пропорционально среднему интегральному за период Г значению фототока

о

В выражении (304) интервал интегрирования берется равным - , так как чувствительность ФЭУ отличается от нуля пропорцио­ нально опорному напряжению только в течение положительного полу­ периода, тогда как в отрицательный полупериод чувствительность

261

нус — противофазному (п — 1) режимам работы ФЭУ и модулятора. Формула (305) отличается от формулы (297) — для визуального способа только значениями параметров В и С. Поэтому характер изменения среднего фототока Іо будет соответствовать показанному на рис'142, а формулы (296) и (297) будут одинаковыми как для визуальной, так и для фотоэлектрической регистрации фазы. Таким образом, при фотоэлектрической регистрации можно применять по

В качестве индикатора при способе экстремумов достаточно исполь­ зовать микроамперметр, включенный в цепь фотоумножителя. При нулевом способе стрелочный индикатор реагирует на разность сред­ них токов, соответствующих синфазному и противофазному режимам.

Так как время пролета электронов в ФЭУ сравнимо с периодом модулирующих колебаний и подвержено значительным изменениям, прямое фазовое детектирование высокочастотных колебаний с по­ мощью ФЭУ сопровождается значительными ошибками и на прак­ тике применяется редко. Обычно стремятся перейти от детектирова­ ния на высокой частоте модуляции к детектированию на низкой вспо­ могательной частоте, период колебаний которой значительно больше времени пролета электронов.

Широкое распространение получил парафазно-балансный метод, в котором фаза промодулированного с высокой частотой светового по­ тока периодически переключается на 180°. Для этого на модулятор (обычно ячейку Керра) с модуляционной характеристикой, изобра­ женной на рис. 143, а, подается сумма высокочастотного гармони­ ческого и низкочастотного прямоугольного (или трапецеидального) напряжений (см. рис. 143, б). Вследствие этого для модуляции ис­

262

Так как опорное напряжение высокой частоты подается на пер­ вый эмиттер ФЭУ без переключения фазы, интегральное значение фодотока, согласно формулы (305), в один полупериод низкой ча­ стоты (частоты переключения фазы) будет

/0 = 5 + Ccos( - ^ - (o) .

ав другой полупериод —

І'о ~В — С cos (^~- со^ ,

t

Рис . 143

как это показано на рис. 143, г. Если путем изменения частоты моду­ ляции или с помощью фазовращателя изменить фазу высокочастот­ ного колебания так, чтобы

cos(~-co)---:0,

то значения фототоков в оба полупериода низкой частоты будут равны между собой. При этом

т. е. для установления равенства фототоков в оба полупериода низ­ кой частоты необходимо дополнить фазовый сдвиг высокочастотных колебаний до 90°. Для повышения точности измерений сравнение фототоков производится с помощью синхронного детектора, на кото­ рый одновременно с фототоком подается низкое (переключающее) напряжение.

263

В новых советских светодальномерах широкое распространение получил способ модуляции электронного пучка в ФЭУ с полупро­ зрачным катодом с помощью внешнего управляющего электрода, на который (вместо первого эмиттера) подается опорное напряжение. В таком ФЭУ фотокатод 1 (рис. 144), представляющий собой полу­ проводниковую пленку толщиной 0,02—0,03 мкм, нанесен на вну­ треннюю поверхность плоского торца стеклянного баллона и через

между электродами 2 и 3. Описанный способ подачи опорного напря­ жения позволяет осуществлять фазовое детектирование в ФЭУ на

В светодальномерах с переменной частотой модуляции экстре­ мальное значение средней величины светового потока или равенство двух потоков устанавливают плавным изменением частоты модуля­ ции. В момент наибольшей или наименьшей яркости света от отра­ жателя или в момент одинаковой яркости двух изображений отсчитывают соответствующую частоту. В светодальномерах с фикси­ рованными частотами соответствие между фазами прямого и отражен­ ного световых потоков при избранной частоте модуляции устанавли­ вают, сдвигая фазу опорного напряжения при помощи фазовраща­ теля. В некоторых образцах дальномеров с плавным изменением частоты имеется, кроме того, фазовращатель, которым можно сдви­ гать фазу опорного напряжения в небольших пределах. Если Дф — фазовый сдвиг опорного напряжения, то

264

В этом случае при получении расстояния D вместо (296) или (297) можно применить одну из следующих формул:

Приведенные формулы можно представить в общем виде

циклов, равное числу волн, укладывающихся в двойном измеряемом расстоянии при способе экстремума, или числу полуволн при нуле­ вом способе; d—изменение фазы опорного напряжения, выражен­ ное в единицах расстояния. Формула (308) идентична формуле (156), полученной при рассмотрении общей теории фазового метода измере­ ния расстояний. Однако величины g и d могут иметь различный смысл и быть или постоянными или переменными в зависимости от кон­ струкции дальномера.

При измерении расстояний вертикальную ось вращения светодальномера или отражателя устанавливают над концами измеряе­ мой линии. По формуле же (298) получают половину длины пути светового луча от модулятора до отражающей поверхности и обратно до демодулятора, плоскости которых, как правило, не проходят че­ рез оси вращения. Это обусловливает некоторую постоянную по­

оптике путь луча удлиняется за счет отражения в передающей и при­ емной оптических системах. На величину поправки прибора влияет также неравенство времени возбуждения модулятора и демодуля­ тора после соответствующего сигнала генератора, зависящего от различия параметров электрических цепей в приемном и переда­ ющем устройствах и от различия параметров модулятора и демодуля­ тора. Наконец, различные отклонения в расположении и парамет­ рах отдельных конструктивных элементов дальномера также влияют на величину поправки. Общая величина, выражающая влияние всех перечисленных факторов, составляет постоянную I светодальномера. С учетом постоянной, вместо (308) будем иметь следующую формулу:

D=jr(N^g) + d+l = ±(N ;-q)i-d + l. (309)

265

З н а я длину электрических цепей дальномера и параметры моду­ лятора и демодулятора, длину пути света в различных средах и рас­ положение узлов и осей прибора, можно вычислить величину по­ стоянной. Однако вычисленная величина может оказаться неточной из-за неполного учета всех факторов. Поэтому постоянную дально­ мера чаще определяют путем сравнения линии известной длины с ее значением, полученным путем.многократных измерений дальномером, и вычисленной по формуле (308). В некоторых светодальномерах сравнение производят на коротком базисе (длиной несколько метров) с использованием специального устройства (юстировочной скамьи или калибровочной насадки). Порядок и способ определения по­

исключаются в среднем из измерений при замене функций модуля­

мерах имеется специальная «оптическая линия задержки», известная длина которой определяется светодальномером непосредственно перед определением измеряемого расстояния или сразу после него. Длину оптической линии do подбирают такой, чтобы при любой рабочей частоте дальномера число N при измерении длины этой линии было бы равно нулю, а сдвиг фазы опорного напряжения Дг|) был бы одинаковым как для оптической линии, так и'для измеряемого рас­ стояния D.

В написанных выражениях через Іг обозначена слагающая по­ стоянной за счет неравенства времени возбуждения модулятора и демо­ дулятора, а через 12 — слагающая за счет разности оптической длины пути света и длины, измеряемой линии. Оптическая линия может состоять из металлических трубок, образующих ряд секций, в кото­ рые направляется свет из передающей части дальномера при по­ мощи призм, расстояние между которыми известно. Длина пути света может изменяться как изменением числа секций, так и при помощи передвижных призм в одной из секций.

266

§ 36. ТОЧНОСТЬ И З М Е Р Е Н И Я РАССТОЯНИЙ СВЕТОДАЛЬНОМЕРАМИ

В зависимости от назначения дальномеров ошибка измерения - расстояний колеблется в весьма широких пределах — от нескольких сантиметров до десятых долей миллиметра. Ошибка эта слагается из инструментальных, внешних и личных погрешностей.

Инструментальные ошибки возникают из-за несовершенства кон­ струкции аппаратуры, нестабильности работы ее элементов и огра­ ниченной конструктивной точности. Сюда относятся погрешности, возникающие за счет задержек сигналов в электрических цепях, нестабильности источников питания, изменения во взаимном рас­ положении узлов прибора, фазовые ошибки модулированного свето­ вого потока, ошибки за непостоянство времени пролета электронов в фотоумножителе и т. д. Некоторые из этих ошибок являются систе­ матическими и могут быть ослаблены путем исправления измерен­ ной величины соответствующими поправками, устранены посредством калибровки или соответствующей методикой измерений. Для умень­ шения влияния ошибок используют симметричную или совмещенную схему дальномера, оптические линии. Инструментальные ошибки сказываются главным образом на определении частоты, фазы и по­ стоянной дальномера.

Основной причиной внешних ошибок светодальномерных измере­ ний является неточное знание пути распространения электромаг­ нитной волны и ее скорости. Систематические влияния внешних условий в значительной мере устраняются введением соответству­ ющих поправок. Однако ряд погрешностей трудно поддается коли­ чественному учету, как это имеет место в отношении резких колеба­ ний метеорологических условий. Случайные погрешности и остаточ­ ные систематические ошибки искажают главным образом величину рабочей скорости распространения волны. Для уменьшения этих ошибок обращают особое внимание на выбор надлежащих условий для измерений и на удлинение времени измерений с целью частичной компенсации ошибок.

Личные ошибки возникают из-за неточности совмещения и отсчитывания по шкалам, неточности регистрации экстремума или равенства сигналов и от других субъективных причин. В визуальных дальномерах ошибки этого рода больше, чем в дальномерах с фото­ электрической регистрацией светового потока. Уменьшение личных ошибок достигается путем приобретения наблюдателем опыта, тща­ тельными измерениями с критической оценкой полученных резуль­ татов, а также выбором соответствующей методики измерений.-

Неучтенные влияния систематических ошибок, а также неизбеж­ ные влияния случайного характера определяют общую ошибку измеренной величины для данной системы. Из специальных экспери­ ментальных исследований устанавливают среднюю квадратическую ошибку, характеризующую точность измерений при заданном методе и числе приемов. Одновременно даются необходимые критерии

267

и приемы контроля для суждения о величине ошибки по данным измерении. Установленная средняя квадратическая ошибка соответ­ ствует значениям расстояний, заключенных в пределах наибольшей и наименьшей дальностей, которые и могут быть измерены с устано­ вленной точностью.

Для обеспечения установленной точности измерений, а также для контроля за параметрами аппаратуры проводят регулярные исследования и поверки отдельных узлов и системы в целом. Такие исследования выполняют как в лабораторных, так и в полевых усло­ виях. В процессе измерений и камеральных работ производят про­ межуточный и заключительный контроли и оценку точности измерен­ ных величин.

. Рассмотрим влияние различных источников ошибок на величину измеряемого расстояния. В формуле (309) выражение N 4- g по существу является разностью фаз прямого и отраженного сигналов, выраженной в фазовых циклах. Поэтому вместо (309) можно напи­ сать

Путем дифференцирования (310) с последующим переходом к сред­ ним квадратическим ошибкам найдем

фаз; она складывается из ошибки отсчитывания фазы по шкале или ошибки установления разности фаз, от величины принимаемого све­ тового потока и разрешающей способности приемного устройства. При расстояниях, существенно меньших предельной дальности светодальномера, ошибка фиксации практически не зависит от расстоя­ ния. С приближением расстояния к предельному интенсивность све­ тового потока снижается, одновременно возрастают его относитель­ ные флуктуации. Поэтому точность регистрации фазы понижается и приближается к предельно допустимому значению. Величина ошибки одного измерения при различных способах регистрации фазы в современных светодальномерах колеблется от 0,5° (парафазнобалансный способ при фотоэлектрической регистрации светового потока) до 5-—6° (компенсационный способ экстремума в визуальных дальномерах). Так как эта ошибка преимущественно случайного характера, то величина ее при многократных измерениях умень­ шается пропорционально квадратному корню из числа измерений.

Средняя квадратическая ошибка фазы опорного напряжения md также не зависит от расстояния и имеет случайный характер. Вели­ чина этой ошибки для точных светодальномеров при многократных измерениях не превосходит 1 см.

268

В среднюю квадратическую ошибку mL входит ошибка постоянной поправки, которая зависит от конструкции и точности дальномера и спо­ соба определения постоянной и не зависит от длины линии, а также ошибка за приведение длины измеряемой линии к центрам знаков. При систематическом определении I, надлежащей точности измере­ ний элементов приведения и соблюдении мер по уменьшению влия­ ния непостоянства электрических параметров аппаратуры величина Ш/ для точных дальномеров меньше 1 см. Эта ошибка не зависит от расстояния и для данного прибора имеет систематический характер.

Все три рассмотренные ошибки относятся в основном к инстру­ ментальным и личным ошибкам. Для большинства фазовых дально­ меров совместное влияние этих ошибок определяет составляющую погрешность, не зависящую от длины измеряемой линии. Для точ­ ных светодальномеров суммарная величина этих ошибок меньше 1 — 2 см.

Вторая группа, к которой относятся ошибка определения рабо­ чей скорости тпѵ и ошибка масштабной частоты mf, определяет со­ ставляющую общей ошибки, пропорциональную длине измеряемой линии. *

Средняя квадратическая ошибка рабочей скорости распростране­ ния электромагнитной волны, как было указано в первой части книги,

для оптического диапазона составляет œ2-Ю-6. Ошибка рас­ стояния за счет неточного знания рабочей скорости имеет значитель­ ную систематическую составляющую, которая не уменьшается с уве­ личением числа приемов. Однако-заметную часть этой ошибки можно уменьшить методическими приемами: более точным учетом метеоро­ логических элементов, выбором наиболее благоприятных условий для измерений и повторением измерений в различных метеорологи­ ческих условиях. К систематическим ошибкам этого рода относятся погрешность, обусловленная неточным учетом кривизны пути рас­ пространения волны, и ошибка, вызванная зависимостью метеороло­ гических условий от подстилающей поверхности.

Как было указано ранее, относительная .ошибка масштабной ча­ стоты в электронных дальномерах составляет 10" 6 . В светодальномерах с фиксированными частотами эта ошибка слагается из погреш­ ности эталонирования частоты и ее нестабильности во времени вследствие старения кварца, изменения внешних условий и других причин. В дальномерах с плавным изменением частоты эта ошибка складывается из ошибки эталонирования опорного кварцевого гене­ ратора (или калибратора) и его нестабильности и ошибки сравнения масштабной частоты с частотой опорного генератора. Ошибки этало­ нирования и нестабильности кварцевых генераторов относительно невелики: в сумме они составляют у точных дальномеров величину менее 1-Ю"6 . Ошибка измерения частоты гораздо больше и может достигать величины 10"5 . Ошибка эта имеет случайный характер. Таким образом, главная часть ошибки масштабной частоты носит случайный характер и компенсируется при многократных измерениях.

269