Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. - Геодезия

Для измерения величины Δτì с необходимой точностью в схеме

предусмотрено гетеродинирование, т. е. понижение частоты следования импульсов. Задачу решают за счет использования схем˝ совпадения 4 è 8 и генератора вспомогательной частоты (гетеродина) 6, выполняющих роль смесителей в сочетании с гетеродином в˝

ранее рассмотренном низкочастотном фазовом методе. Пери˝од повторения гетеродинных импульсов Òã отличается от периода по-

вторения масштабных импульсов Òì на небольшое значение. Импульсные сигналы на выходах схем совпадения возникают˝

только в случае совпадения во времени импульсов, поступаю˝щих

от масштабного генератора и гетеродина. При этом, как и в ни˝зко- частотном фазовом методе, частота повторения F импульсных сигналов на выходах схем совпадения F = fì – fã.

Òàê êàê

F = 1/TΩ; fì = 1/Òì; fã = 1/Òã,

òî

TΩ = ÒìÒã/(Òã – Òì),

ãäå TΩ — период повторения импульсов на выходах схем повторен˝ия.

Информационный импульсный сигнал на выходе схемы совпадения 8 (см. рис. 13.4) запаздывает относительно опорного сигнала на величину ΔτΩ, которую измеряют электронным цифровым фазометром 5. Для установления взаимосвязи между величиной ΔτΩ с измеряемым расстоянием D используем свойственное низкочастотному способу соотношение (см. рис. 13.3)

ãäå Δϕì è ΔϕΩ — разность фаз между информационным и опорным сигналам˝и соответственно на входах и выходах смесителей.

Сущность соотношения (13.17) состоит в том, что при преобра-

зовании с помощью гетеродина частоты информационного и

опорного сигналов разность фаз низкочастотных сигналов на выходах смесителей равна разности фаз высокочастотных сигна˝лов на входах смесителей.

Учитывая, что эквивалентные разности фаз в рассматриваем˝ой схеме

Δϕì = 2πfìΔτì; ΔϕΩ = 2πFΔτΩ,

величина запаздывания ΔτΩ будет связана со значением Δτì соотношением

381

Из формулы (13.18) следует, что измеряемое фазометром запаз-

дывание (временной сдвиг) DtΩ при преобразовании частот увели- чивается пропорционально отношению fì/F, называемому коэффициентом преобразования, значение которого в современн˝ых светодальномерах равно 1 · 104. Это приводит к тому, что величина

Dtì становится как бы растянутой в 1 · 104 раз, в результате чего во столько же раз может быть уменьшена частота повторения сч˝ет-

ных импульсов в электронном цифровом фазометре при сохра˝нении разрешающей способности дальномера на прежнем уровн˝е,

соответствующем отсутствию преобразования частоты повт˝орения

импульсных сигналов.

Из соотношения (13.18) имеем

Подставив в формулу (13.1) выражения (13.16) и (13.19), полу- чим формулу измерения расстояния D импульсно-фазовым гетеродинным способом

В современных светодальномерах масштабная частота fì чаще всего равна 15 МГц, а разностная частота F, на которой выполня-

ют измерения, 1,5 кГц, т. е. F/fì = 1 · 10–4.

Формулу (13.20) можно записать в более наглядном виде

Импульсно-фазовый гетеродинный способ измерения рассто˝я- ния реализован в топографических светодальномерах СТ5, СТ˝10, СП2 и электронном тахеометре 3Та5.

13.7. ОБОБЩЕННАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА СВЕТОДАЛЬНОМЕРА

Основными элементами схемы светодальномера являются пе˝- редающее и приемное устройства.

Назначение передающего устройства состоит в обеспечени˝и излучения модулированного сигнала в виде узкого светово˝го луча в направлении на отражатель. Основные элементы устройств˝а: ис-

382

Рис. 13.5. Обобщенная функциональная схема фазового светодал˝ьномера:

1 — передающая часть; 2 — источник излучения; 3 — модулятор оптического излучения; 4 — передающая оптическая система; 5 — вспомогательный генератор (гетеродин); 6 — смесители I и II; 7 — генератор масштабной частоты; 8 — линия оптического короткого замыкания; 9 — отражатель; 10 — фотоэлектронный приемник; 11 — приемная оптическая система; 12 è

13 — опорный и информационный сигналы; 14 — фазоизмерительное устройство

точник излучения, модулятор света, генератор масштабной ч˝асто-

ты и передающая оптическая система (рис. 13.5). В современных˝ светодальномерах в качестве источников излучения приме˝няют

лазеры, обеспечивающие высокую интенсивность излучаемо˝й энергии в узком спектральном диапазоне, что особенно важн˝о для обеспечения измерений в дневное время. В связи с тем что дл˝я

обеспечения фазовых измерений необходимы модулированные колебания, излучаемый источником 2 световой луч подвергается периодическим изменениям с помощью модулятора света 3, работой которого управляет генератор масштабной частоты 7.

В светодальномерах свет модулируют с частотой в десятки м˝е- гагерц, что необходимо для обеспечения высокой точности и˝змерений, поэтому к модулятору предъявляется требование мал˝ой

инерционности работы. Кроме того, требуется, чтобы модуля˝тор

имел минимальные потери светового потока и максимальную˝ глу-

бину модуляции.

Так как масштабная частота определяет длину «жезла», кото˝-

рым измеряют расстояние, то ее стабильность непосредстве˝нно

влияет на точность линейных измерений. Поэтому основное требование, предъявляемое к генератору масштабной часто˝ты, состоит в обеспечении генерирования стабильных колебан˝ий в заданном частотном диапазоне. Стабилизация частоты достигается за счет использования в радиоэлектронных схемах кварц˝евых резонаторов.

383

Передающая оптическая система, расположенная на выходе

модулятора, служит для концентрации излучаемого светово˝го потока в узкий пучок и направления его на отражатель. Для пов˝ышения стабильности приборной поправки в схему светодально˝мера вводят оптическую линию короткого замыкания (ОКЗ). По этой˝

причине дополнительное назначение передающей системы с˝остоит в обеспечении коммутации (переключения) излучаемого с˝игна-

ла на удаленный отражатель и на линию ОКЗ.

В соответствии с методом фазовых измерений передающая

часть светодальномера связана с приемной каналом для про˝хожде-

ния опорного сигнала (см. рис. 13.5). В современных светодальн˝о- мерах опорный сигнал, как правило, передается от генерато˝ра масштабной частоты в фазометр по электрическим цепям. При˝

этом для реализации низкочастотного метода фазовых изме˝рений

в указанном тракте частота с fì преобразуется на F = fì – fã, для чего в рассматриваемой схеме предусмотрены такие узлы, ка˝к ге-

теродин (вспомогательный генератор), генерирующий колеб˝ания с частотой fã, и смеситель I.

Приемная часть светодальномера предназначена для того, ч˝тобы принять поступающий с дистанции или по линии ОКЗ опти-

ческий информационный сигнал, преобразовать его в электр˝ический и выполнить фазовое сравнение с опорным сигналом. Это˝ ре-

шают с помощью приемной оптической системы, фотоэлектрон˝- ного приемника и фазометрического устройства (см. рис. 13.5).˝

Приемная оптическая система концентрирует оптическое и˝злуче-

ние, поступающее от отражателя или по линии ОКЗ на входе фо˝- топриемника. В современных светодальномерах передающая˝ и приемная оптические системы, как правило, совмещены, что п˝о-

зволяет сделать конструкцию прибора более компактной и у˝стра-

нить трудности в приеме отраженного сигнала на коротких л˝ини-

ях из-за несовмещения траектории распространения излуча˝емого и принимаемого сигналов.

Фотоэлектронный приемник предназначен для преобразова-˝ ния отраженного модулированного оптического сигнала в э˝лектрический с последующим выделением информационного сигн˝ала. Фотоприемник должен иметь высокую чувствительность к сл˝абым световым сигналам используемого спектра излучения и спо˝соб-

ность выделить информационный сигнал на фоне различных ш˝у-

мов и других побочных компонент спектра излучения. Кроме

того, он выполняет и функцию смесителя (смеситель II, см.

рис. 13.5) в низкочастотном методе фазовых измерений. С помо-

щью такого смесителя информационный сигнал преобразует˝ся в низкочастотный сигнал с частотой F, которую имеет и опорный сигнал, поступающий в фазометр.

Фазометрическое устройство, в которое поступают как опор˝- ный, так и информационный сигналы, служит не только для из-

мерения разности фаз между этими сигналами, но и для предв˝ари-

384

тельной обработки результатов измерений. В частности, при˝меня-

емые в светодальномерах цифровые фазометры в сочетании с˝ встроенными в дальномер микропроцессорами позволяют ав˝томатически на цифровом табло получать полное значение расст˝ояния с коррекцией за метеоусловия и др.

13.8. СВЕТОДАЛЬНОМЕР СТ5

Светодальномер СТ5 (рис. 13.6) предназначен для измерения

базисов в триангуляции, сторон в полигонометрии и трилате˝рации, а также для различных инженерных работ в прикладной г˝ео-

дезии. Светодальномер может быть установлен на теодолиты˝ серии 3Т для одновременного измерения углов и расстояний при та-

хеометрической съемке.

В светодальномере использован импульсно-фазовый гетеро˝ид-

ный способ измерения расстояния с преобразованием време˝ннó го интервала и способ формирования опорного сигнала, основа˝нный

на делении масштабной частоты и синхронизации фазы гетер˝одина при помощи системы фазовой автоподстройки. В качестве ˝из-

Рис. 13.6. Светодальномер СТ5:

à — â è ä ñ î ñ ò î ð î í û î á ú å ê ò è â à: 1, 5 — крышки; 2 — зрительная труба; 3 — ручка; 4 — головка; 6 — разъем; 7, 14 — стойки; 8 — âèíò; 9 — подставка; 10 — закрепительный винт; 11 — подъемный винт; 12 — основание; 13 — разъем для подключения регистрирующего устройства; á — â è ä ñ î ñ ò î ð î í û ë è ö å â î é ï à í å ë è: 1 — стрелочный прибор; 2 — лицевая панель; 3 — цифровое табло; 4 — переключатель ВЫКЛ—НАВЕД—СЧЕТ; 5, 10 — головки винтов наводящих устройств; 6, 9 — рукоятки закрепительных устройств; 7 — переключа- тель ТОЧНО—КОНТР—ГРУБО; 8 — ручка СИГНАЛ; 11 — окуляр оптического центрира; 12 — цилиндрический уровень; 13 — юстировочные гайки уровня; 14 — микротелефон; 15 — êðûø-

êà; 16 — ручка установки контрольного отсчета

385

лучателя применен полупроводниковый лазерный диод «Кру˝из»,

позволивший существенно повысить мощность и спектральн˝ую плотность светового излучения. В результате значительно˝ увели- чена дальность действия прибора и уменьшены погрешности˝ изза фазовой неоднородности светового пучка. Приемником си˝г-

нала служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), в котором одновременно осуществляется преобразование принимаемы˝х

световых сигналов в электрические сигналы промежуточно˝й частоты, на которых ведется измерение временны′х интервалов.

Длительность излучения импульсов составляет 10 нс в режим˝е

ТОЧНО и 50 нс в режиме ГРУБО. Частоты следования излучаемых импульсов в режиме ТОЧНО f1 = 14 985,5 кГц, в режиме ГРУБО f2 = 149,855 êÃö.

Средняя квадратическая погрешность измерения расстояни˝я в

режиме ТОЧНО òs = (10 + 5 · 10–6D) мм, в режиме ГРУБО — 20 см. Средняя потребляемая мощность 5 Вт. Время однократно˝го

измерения в режиме ТОЧНО 8 с, в режиме ГРУБО 15 с. Масса приемопередатчика 4 кг.

Для подключения регистрирующего устройства в приборе им˝е- ется выход. Результаты измерения индицируются на шестира˝зряд-

ном электронно-цифровом табло. Моменты приема отраженног˝о сигнала и окончания счета сопровождаются звуковыми сигн˝алами

микротелефона. Блок контрольного отсчета позволяет след˝ить за работой прибора в полевых условиях. Прибор снабжен систем˝ой

блокировки, автоматически отключающей приемодатчик от б˝ата-

реи при напряжении больше допустимого, а также после ее ра˝з- рядки. Светодальномер однозначно измеряет расстояние до˝ 1 км; разрешение неоднозначности производится автоматически. В про-

цесс измерений автоматически включается измерение этал˝онного

расстояния (режим ОКЗ). Для экономии энергии аккумулятора˝

счетный узел и цифровое табло включаются только на время ˝счета и индикации результата. Процесс счета индицируется высве˝чиванием запятой крайнего справа индикатора табло. Постоянну˝ю поправку светодальномера устанавливают равной нулю с помо˝щью резистора установки контрольного отсчета, значение кото˝рого указывают в паспорте прибора.

В зависимости от длины измеряемой линии при благоприят-

ных атмосферных условиях (четком изображении места устан˝овки

отражателя и слабой солнечной засветки трассы измерений˝) при-

меняют отражатели со следующим числом призм:

Большой шестипризменный отражатель показан на рисунке 13.7, а структурная схема светодальномера — на рисунке 13˝.8.

Задающий генератор 1 генерирует сигнал масштабной частоты f1, который через коммутатор 3 подается в усилитель-формирова-

386

тель импульсов 4 и в виде импульсов

заданной частоты вызывает излучение лазерного диода 6. Стабилизатор 5 регулирует мощность лазерного излуче- ния. Излученный импульс света про-

ходит через отверстия узла переключа- теля ДИСТАНЦИЯ—ОКЗ 7, отража-

ется от грани разделительной призмы 8, формируется линзовым объективом

9 в параллельный пучок и направляет-

ся на отражатель, установленный на другом конце измеряемой линии. Отраженный световой сигнал принима-

ется тем же объективом, отражается от

другой грани разделительной призмы и фокусируется в плоскости фотоум-

ножителя ФЭУ 11.

благодаря подаваемым на модулирующий электрод ФЭУ импульсам частоты вспомогательного ген˝ера-

тора преобразуется в сигнальные импульсы низкой (разност˝ной) частоты fñèã. С выхода ФЭУ эти импульсы проходят фильтр низких частот (ФНЧ) 13, подаются на усилитель 14, в схему коррек-

ции постоянной поправки 15, а затем вводятся в счетный узел 17.

Одновременно с сигнальными импульсами в счетный узел пос˝ту-

пают опорные импульсы fîï, сформированные из напряжений

масштабной частоты задающего генератора 1 и вспомогательной

частоты гетеродина 24, а также импульсы заполнения fçàï. Интер-

вал времени между каждым опорным и следующим за ним сигнальным импульсом пропорционален измеряемому расстояни˝ю.

Длительность интервалов измеряется путем подсчета коли˝чества укладывающихся в этих интервалах импульсов заполнения (с˝м.

ðèñ. 13.8).

При масштабной частоте следования импульсов излучения в˝ режиме ТОЧНО f1 = 14 985,5 кГц (полудлина волны λ1/2 = 10 ì) ÷à-

387

Рис. 13.8. Структурная схема светодальномера СТ5:

1 — задающий генератор; 2 — делитель масштабной частоты К = 106; 3, 16, 22, 27, 28 — коммутаторы; 4 — усилитель-формирователь; 5 — стабилизатор мощности излучения; 6 — лазерный диод; 7 — узел переключателя ДИСТАНЦИЯ—ОКЗ; 8 — разделительная призма; 9 — объектив; 10 — отражатель; 11 — фотоумножитель (ФЭУ); 12 — источник питания; 13 — фильтр низких частот (ФНЧ); 14 — усилитель; 15 — схема коррекции постоянной поправки; 17 — счетный узел; 18 — микротелефон; 19 — цифровое табло; 20 — схема управления; 21 — усилитель-

f1 = 14 985 êÃö; f2 = 149,855 êÃö; f3 = 7492,75 êÃö; f4 = 149,855 êÃö; f5 = 1,5 êÃö; f6 = 15 Ãö; f7 = 14 984,0 êÃö; f8 = 149,84 êÃö

стота следования импульсов вспомогательного генератора˝ f7 = 14 984,0 кГц, т. е. ниже частоты f1 íà f5 = 1,5 кГц. Масштабная

частота следования импульсов заполнения для счетного уз˝ла со-

ставляет f3 = 7492,75 êÃö.

При частоте следования импульсов излучения в режиме ГРУБ˝О f2 = 149,855 кГц (полудлина волны λ2/2 = 1000 м) частота следова-

ния импульсов вспомогательного генератора f8 = 149,840 êÃö, ò. å.

ниже частоты f2 íà f6 = 15 Гц. Частота следования импульсов заполнения для счетного узла f4 = 149,855 кГц (цена импульса заполнения 10 см).

Напряжение частоты f1 вырабатывается задающим генератором с кварцевой стабилизацией частоты. Резистором f, расположен-

ным конструктивно в стойке светодальномера, устанавлива˝ется

номинальное значение частоты при настройке и эксплуатац˝ии светодальномера. Частоты f2, ..., f6 получаются дальнейшим делением частоты f1 декадными делителями частоты. Напряжение частоты f7 вырабатывается вспомогательным генератором 24, точное

388

значение частоты поддерживается с помощью фазовой автом˝ати-

ческой подстройки частоты (ФАПЧ), к которой относят узлы: смеситель, фазовый детектор и вспомогательный генератор˝. Частота f8 получается делением частоты f7 делителем гетеродинной ча- стоты 23 с коэффициентом деления 100.

Каждый высвечиваемый на табло отсчет представляет собой˝ разность результатов измерений в режимах ДИСТАНЦИЯ и ОКЗ˝.

Переключаются эти режимы автоматически по командам программного устройства счетного узла: Ò (точное измерение на час-

тотах f1 è f2); Ã (грубое измерение только на частоте f2); Ê (êîíò-

роль). Начало высвечивания отсчета (Ääèñò — ÄÎÊÇ) сопровождается звуковым сигналом микротелефона.

В режимах измерения расстояния стрелочный индикатор под˝-

ключается к амплитудному детектору и позволяет контроли˝ровать

уровень сигнала в тракте приемника. Устанавливают и регул˝ируют уровень сигнала изменением напряжения питания ФЭУ, что, в˝

свою очередь, обеспечивается изменением напряжения пита˝ния высоковольтного преобразователя. Напряжение питания в р˝ежиме

ДИСТАНЦИЯ регулируется ручкой СИГНАЛ, в режиме ОКЗ устанавливается с помощью потенциометра Î. Потенциометром Ä

ограничивают максимальное напряжение питания в режиме Д˝ИСТАНЦИЯ.

Измерение расстояния в режимах ТОЧНО и ГРУБО. В режиме ТОЧНО измеряют

=λ

ãäå à — разность двух отсчетов (на ДИСТАНЦИЮ и ОКЗ).

Òàê êàê fì = f1 = 15 ÌÃö; F = f5 = 1,5 êÃö; F/fì = 1 · 10–4; λì/2 = = 10 м, то точное значение расстояния в пределах 10-метрового

интервала

D = 1 · 10–4 · 10 ì à = 1 · 10–4 · 10 000 ìì à = à (ìì),

что соответствует цене младшего разряда, равной 1 мм.

В режиме ГРУБО измеряют расстояние

389

то грубое значение расстояния в пределах 1000-метрового инте˝р-

âàëà

Dãð = 1 · 10–4 · 1000 ìì à = 0,1à (ì) = à (äì).

Результат измерений в режиме ТОЧНО в пределах 1000-метро- вого интервала получают путем измерений на частотах f1 è f2.

Ï ð è ì å ð.

||

П о д г о т о в к у к и з м е р е н и я м в ы п о л н я ю т в с л е д у ю щ е м п о р я д к е. В конечной точке устанавливают

штатив с подставкой и центрируют ее с помощью нитяного от˝веса. В подставку вставляют оптический центрир и уточняют цент˝ри-

ровку. Вынув оптический центрир, в подставку вставляют от˝ражатель, наводят его визиром на установленный в начальной ˝точ-

ке измеряемой линии светодальномер и закрепляют винтом п˝од-

ставки.

В это же время в начальной точке устанавливают штатив с по˝д- ставкой и центрируют ее с помощью нитяного отвеса, затем в˝ под-

ставку вставляют светодальномер. Уточняют его центриров˝ание с помощью встроенного оптического центрира.

Проверяют источник питания и установку контрольного отс˝че- та. Для этого устанавливают переключатель ВЫКЛ—НАВЕД— СЧЕТ в положение ВЫКЛ, подключают источник питания, вклю- чают светодальномер в режим СЧЕТ, КОНТРОЛЬ (переключател˝ь

ТОЧНО—КОНТР—ГРУБО устанавливают в положение КОНТР,

переключатель ВЫКЛ—НАВЕД—СЧЕТ в положение СЧЕТ)1. Оценивают показания стрелочного прибора. При показаниях˝

менее 60 мкА следует заменить источник питания (показания˝ 60 мкА соответствуют напряжению источника питания 6,0 В).

Переводят переключатель I в положение ТОЧНО, снимают с объектива аттенюатор, надевают на объектив блок контроль˝ного отсчета, устанавливают уровень сигнала в середине рабоче˝й зоны и берут несколько отсчетов по табло. Если показания табло˝ отли- чаются от значения контрольного отсчета, указанного в пас˝порте

1В дальнейшем тексте переключатели ТОЧНО—КОНТР—ГРУБО и В˝ЫКЛ— НАВЕД—СЧЕТ обозначены как переключатели I и II соответстве˝нно.

390