откуда

где Т – период колебаний.

Современные фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния с точностью от 1,5 до 15 мм, т.е. в пределах нескольких миллиметров.

§ 59. Светодальномеры

Достоинство светодальномеров заключается в возможности сведения светового потока с помощью сравнительно простых и небольших по размерам оптических систем (антенн) в узконаправленный луч с высокой плотностью энергии в его поперечном сечении (использование лазерных источников излучения). Для светодальномеров характерна практическая прямолинейность светового луча. При использовании лазерных источников излучения практическая дальность действия в чистой атмосфере составляет 40-60 км. На рис. 6.4 приведена более полная схема фазового свето-дальномера. Он состоит из передатчика, включающего в себя источник излучения 6, оптическое устройство формирования светового потока 1, модулятор колебаний 2 и оптическую передающую систему 3, отражателя 4, установленного в конечной точке линии, приемника, включающего приемную оптическую систему 8 с приемником излучения 9. В состав прибора входит генератор частоты 5, фазовращатель 7, который определяет значение τ , а

также регистрирующее устройство, выдающее значение измеренного расстояния.

Модуляторы изменяют излучение по амплитуде, частоте, фазе или плоскости поляризации излучения. Модуляторы должны обеспечивать изменение параметров излучения на высоких частотах

Рис. 6.4. Схема фазового светодальномера (до 100 – 150 МГц) с возможным плавным изменением указанной

частоты в широком диапазоне. Модуляторы должны обладать малыми потерями света с целью обеспечения необходимой энергии выходного пучка, определяющей дальность действия прибора.

Часто оптические передающая и приемная системы конструктивно объединены в одну (приемопередатчик).

Оптические системы подразделяют на двухтрубные, однотрубные коаксиальные или разделенные, однотрубные совмещенные. По конструкции они бывают линзовыми и зеркально-линзовыми (рис. 6.5).

Оптическая схема рис. 6.5 а применяется в отечественных светодальномерах СВВ-1, СТ, СГ-3 и др. Система рис. 6.5 б используется в шведских

150

светодальномерах «Геодиметр». Система рис. 6.5 в применяется в светодальномерах «Кристалл».

При измерениях используют пассивные зеркально-линзовые и трипельпризменные отражатели (рис. 6.5 г, д, е). Конструкция отражателя позволяет возвращать световой пучок по тому же направлению, по которому он пришел на отражатель, т.е. точно в направлении на приемное устройство. При измерении больших расстояний, с целью увеличения отраженного сигнала, применяют уголковые отражатели, которые представляют собой блок из нескольких трипельпризм.

Рис. 6.5. Оптические системы, применяемые в светодальномерах:

а - линзовая двухтрубная; б - совмещенная зеркально-линзовая коаксиальная; в – зеркально-линзовая совмещенная; отражатели: г - зеркально-линзовый; д – двухзеркальный со сферическим зеркалом; е – трипельпризма; 1 – источник излучения; 2 – модулятор; 3 – светоразделительная призма-куб; 4 – сферическое зеркало передатчика; 5 – оптическая система приемника; 6 – четвертьволновая пластина; 7 - биполяризатор

Если коэффициент отражения объекта составляет 15-20%, то при использовании лазерного источника излучения можно работать без отражателя (по стене дома белого цвета и др.). В настоящее время применяют пленочные отражатели, приклеиваемые на конструкции сооружений, в том числе и в недоступных местах. Пленочный отражатель имеют широкую диаграмму

151

отражения светового сигнала, что позволяет производить измерения и при боковых на него направлениях светового пучка от передатчика.

В табл. 6.1 приведены характеристики некоторых светодальномеров, используемых геодезическими и маркшейдерскими службами.

§ 60. Интерферометры

Эта группа приборов предназначена для высокоточного измерения весьма малых расстояний. Такие приборы используются для компарирования мерных приборов, создания эталонов, высокоточного и точного смещений объектов и весьма малых скоростей перемещений.

Интерферометр – это прибор, в котором производится пространственное разделение двух световых лучей и создание между ними разности хода с целью получения интерференционной картины, по которой и определяют измеряемую величину.

В 1960 г. в качестве эталона единицы длины приняли длину волны излучения оранжевой линии изотопа криптона с массовым числом 86 (86Kr), равную 6067,8021 ∙ 10-10 м. Погрешность ее воспроизведения составляет 5 ∙ 10-15 м или в относительной форме – 10-8. В вакууме в 1 м укладывается 1650763,73 длин волн этого излучения.

Существуют различные схемы интерферометров (рис. 6.6).

В интерферометре Майкельсона (рис. 6.6 а) пучок лучей от источника излучения (лазера) делится полупрозрачной пластиной А на два одинаковых (1 и 2), которые под прямыми углами падают на зеркала З1 и З2, отражаются от них в обратном направлении и после прохождения через пластину А (пластина В используется для компенсации разности хода лучей 1 и 2) попадают на экран. Если между пучками лучей 1 и 2 существует разность хода, то они интерферируют между собой, образуя на экране Э систему колец или полос. Перемещение полос интерференционной картины вызывается смещением одного из зеркал. При смещении зеркала на половину длины волны интерференционная картина сдвигается на одну полосу. Зная длину

152

волны излучения и число переместившихся полос, можно определить общее смещение зеркала.

Рис. 6.6. Схемы интерферометров.

Предположим, что в качестве источника излучения используется He-Ne лазер с длиной волны 0,6328 мкм. Считаем, что точность регистрации смещения полосы равна 0,1 от расстояния между полосами. Смещение на половину длины волны, т.е. на 0,3164 мкм (0,0003164 мм) вызовет смещение на 1 полосу с точностью регистрации 0,03164 мкм = 0,00003164 мм. Пусть такое перемещение совершается за 1 с, тогда за 1 час общее смещение составит примерно 0,114 мм, за сутки – 2,7 мм. Следует отметить, что такая скорость перемещения зарегистрируется прибором весьма быстро. Т.е. оперативно можно получить информацию о состоянии объекта. Обычными методами такую информацию получить проблематично.

Интерферометр Фабри-Перо (рис. 6.6 б) содержит непрозрачное (З3) и полупрозрачное (ППЗ) зеркала. Интерференционная картина в нем создается за счет многократных переотражений входящего светового пучка. В качестве источника излучения использется He-Ne лазер.

В лазерном интерферометре (рис. 6.6 в) одно из отражающих зеркал располагается на точке или подвижном объекте вне прибора и представляет собой трипельпризму ТП (для возвращения светового пучка) в комплекте с отражающим зеркалом З5, жестко закрепленном в приборе. Световой поток от источника Л формируется телескопической оптической системой ЗТ и расщепляется элементом А на два. Первая часть излучения зеркалом З4 направляется на фотоприемное ФП и регистрирующее РП устройства по

153