Московский государственный технический университет

Им. Н.Э.Баумана

Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы»

Утверждаю. Зав. Каф. Рл-2

д.т.н. проф. Козинцев В.И.

Лабораторная работа № 15

По курсу: «Оптико-электронные квантовые приборы»

ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРОВ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Москва 2000г.

Цель работы. Ознакомиться с принципом действия и конструкцией фазового светодальномера 2СМ2, овладеть методикой измерения дальности и провести практические измерения расстояния до уголкового световозвращателя.

В В Е Д Е Н И Е

Успехи, достигнутые квантовой электроникой и современным приборостроением, позволили существенно усовершенствовать средства измерения расстояний, основанные на использовании электромагнитных колебаний оптического диапазона. Современные светодальномеры являются активными оптико-электронными приборами, работа, конструктивные и технические параметры которых зависят не только от оптических, но и от радиотехнических, электронных и автоматических блоков и элементов. Применение лазеров в качестве источника излучения позволило создать более экономичные, портативные, надежные и простые в эксплуатации приборы, а также существенно увеличить дальность действия и снизить потребляемую прибором электрическую мощность. Современные лазерные дальномеры способны измерять расстояние от Земли до Луны с погрешностью не более нескольких метров. С помощью спутниковых лазерных светодальномерных систем можно вести изучение движения земных полюсов с погрешностью 2 см/сут., определять координаты точек земной поверхности и топографию морской поверхности с погрешностью 10 см, измерять резонансные гармоники приливов и отливов. Широко используются лазерные дальномеры в геодезических измерениях расстояний до нескольких километров с погрешностью 1-2 см и углов.

1. Теоретическая часть

1. Классификация современных светодальномеров

Расстояние S измеряют при помощи светодальномера, определяя время t затраченное световым потоком на прохождение двойного измеряемого расстояния между прямо-передатчиком и отражателем, т.е.

2S = v t (1)

где v – скорость распространения светового потока.

Проходящий с постоянной и известной скоростью вдоль измеряемого расстояния световой поток позволяет свести измерение

Пер ОС

Пр ОС

Рис. 1

1

2

3

расстояния к измерению времени. По принципу работы светодальномеры делятся на интерференционные и модуляционные.

Интерференционные дальномеры позволяют непосредственно в длинах волн несущих колебаний измерять расстояния до нескольких десятков метров с погрешностью несколько долей микрометра. Их целесообразно использовать при изготовлении и компарировании высокоточных рабочих мер и шкал, а также при высокоточном измерении линейных деформаций инженерных сооружений и установок. Измерение обычно выполняется по схеме ассиметричного двухлучевого интерферометра Майкельсона (рис. 1). Лазерное излучение, выходящее из передающей оптической системы, делится полупрозрачным зеркалом 2 на два: один из них проходит дважды вдоль измеряемого расстояния S (до отражателя 3 и обратно), а другой – до опорного зеркала 1 и обратно. Затем оба потока поступают в приемную оптическую систему, где по результатам их интерференции определяют величину измеряемого расстояния. Результат интерференции зависит от разности фаз несущих колебаний опорного и измерительного световых потоков. Если потоки синфазны, происходит усиление принимаемого суммарного светового потока (светлая полоса), а если они в противофазе, то происходит ослабление светового потока (тёмная полоса). По изменению интенсивности принимаемого светового потока можно вести измерение аналоговым способом в пределах фазового цикла, а использовав счётчики целых фазовых циклов (полос), можно вести дискретно интерференционные измерения в значительных пределах, т.е.

(2)

Где N – число целых фазовых циклов,

∆ - дробная часть фазового цикла.

Современные средства позволяют уверенно оценивать ∆≥ 1/20.

Величина максимального расстояния, измеряемого интерференционными дальномерами, определяются временной когерентностью лазера. Поэтому в качестве излучателей используются лазеры, работающие в одномодовом и одночастотном режимах и одновременно стабилизированные по частоте.

Модуляционные светодальномеры предназначены для измерения расстояний, превышающих несколько метров, и используют модулированный световой поток. Любой модуляционный светодальномер содержит передающую и приёмную оптические системы и измеритель времени.

Использование в качестве источника излучения лазеров позволяет осуществить амплитудную, частотную и фазовую модуляции несущих колебаний. При амплитудной модуляции интенсивность излучения становится переменной, поэтому целесообразно использовать частотную и фазовую модуляцию, при которых интенсивность излучения остается постоянной.

Частотная модуляция основана на изменении параметров оптического резонатора, а фазовая модуляция несущих колебаний осуществляется внешним электрооптическим модулятором. Из-за сущенственно технических трудностей, возникающих при реализации схем модуляционных светодальномеров с частотной и фазовой модуляцией несут эти светодальномеры пока практического применения не получили.