Особливості розповсюдження електромагнітних хвиль

Зовнішнє середовище, в яке випромінюються електромагнітні хвилі, впливає на їх проходження. Приземна атмосфера для далекомірних систем визначається терміном прозорість. Кількісно цей параметр оцінюється коефіцієнтом пропускання або оберненим йому коефіцієнтом послаблення (). Його значення залежить від поглинання і розсіювання, що спричиняється присутністю водяних парів, пилу, інших домішок. А, окрім того, дослідженнями виявили значний вплив довжини хвилі випромінюючого джерела. Для оптичного діапазону ступінь прозорості є дальність видимості, що оцінюється візуально. Практика показала, що при переході від короткохвильової ділянки оптичного діапазону до довгохвильової (інфрачервоної), затухання зменшуються. Якщо атмосфера насичена водяними парами, то краще застосовувати далекомір з випромінювачем біля 0,7 мкм, а не 0,9 мкм, діапазон, який дуже піддається впливу вологого повітря. Але ніякі джерела оптичного діапазону не допоможуть, якщо роботи треба виконувати в туман, імлу, в запиленій або загазованій атмосфері. В таких умовах можуть працювати в УКХ діапазоні геодезичні радіодалекоміри. Експериментально доведено, що на ділянці поблизу довжини хвилі 10 см (довгохвильовий УКХ під діапазон), вплив атмосфери незначний. Але досягти максимальної дальності можливо тільки в короткохвильовому діапазоні при довжині хвилі =3 см. Погодні умови треба вибирати сприятливіші – помірний дощ, слабкий туман.

Цікавий фактор, що впливає на результат виміру віддалей понад 50 км, це принцип Ферма'. Він такий: електромагнітні хвилі розповсюджуються по тому шляху, на проходження якого затрачується найменше часу. В однорідному середовищі розповсюдження хвиль залишається прямолінійним. В неоднорідній приземній атмосфері експериментально доведено, що розповсюдження хвиль піде по дузі, радіус якої наближено у 4 рази більший Земного (6 370 км ). Поправка буде обчислюватись за формулою

D - значення вимірюваної віддалі,

r - радіус кривизни проходження хвиль.

Якщо r прийняти 25 000 км, тоді поправка на лінії в 50 км складе величину 0,8 см, а на лінії довжиною 100 км - вже 7 см або 1:1.500 000. Можливо, для значно довших ліній поправку вже треба брати в розрахунок.

Стан атмосфери в роботі з далекомірами, без проблем, одержують на кожній лінії. Завдання виконавця на станції - записати барометричний тиск в міліметрах ртутного стовпця або гектопаскалях (760 мм рт. ст. = 1013 гПа ), температуру t за Цельсієм, парціальний тиск водяних парів в мм. рт. ст. – вологість повітря. Застосовуючи наукові праці вчених Релея, Едлена, Фрума, Ессена, практики змогли через показник заломлення світлових і радіохвиль одержати емпіричні формули та графіки поправок у виміряні лінії віддалеміром. А для забезпечення вимірів високої точності віддалеміри комплектуються барометрами – анероїдами, термометрами – пращами, психрометрами аспірацій ними.

Джерела несучих електромагнітних коливань

1.Джерела випромінювання оптичного діапазону.

Головне призначення несучих коливань – це перенос інформації сигналами масштабної частоти з одного кінця вимірюваної лінії на інший. Весь оптичний діапазон лежить в межах хвиль від 0,001 мкм до 1 мм. Важливо створити такі випромінювачі, які забезпечать найкраще проникання хвиль в реальній атмосфері. Вимоги до цих джерел наступні:

• достатня енергетична потужність світлового променя ;

• мінімальна поверхня випромінювання в заданому напрямку ;

• яскравість випромінюючої поверхні залежно від дальності дії ;

• по можливості вужчий частотний спектр випромінювання

• можливість одержання поляризованого джерела світла для кращої роботи модуляторів;

• прилади мають бути надійними, легкими, портативними, економічними, малогабаритними і т. ін., а це напряму залежить від джерела електромагнітного випромінювання.

В перших світловіддалемірах джерелом світла були електролампи розжарювання. Зрозуміло, що через широкий спектр випромінювання сонячне світло заважало роботі приладів. З появою оптичних квантових генераторів, (лазерів) в нових розробках світловіддалемірів повністю відказались від ламп розжарювання. Ще кілька років потому, впровадили твердий лазерний світлодіод. З ними прилади стали легкими, компактними, тому їх можна було об’єднувати з теодолітом. Фірма Лєйка виготовляє серію ручних лазерних рулеток - віддалемірів ДІСТО вагою 300-450 г для віддалей до 200 м без відбивача.

Випромінювання світла лазером принципово різниться від теплового. В нагрітих тілах рух атомів хаотичний, безсистемний, а випромінювання спонтанне. В лазерах – стимульоване. Лазер одержує з зовні енергію. Працює так званий генератор накачки. Атоми одержують таку кількість енергії, що переважно всі переходять на вищий енергетичний рівень, поступово заселяючи його. При наявності в активному середовищі великої кількості збуджених атомів починає розвиватись лавинний процес створення фотонів. Для того, щоб керувати цим процесом, зробити випромінювання спрямованим, активна складова – суміш гелію і неону - знаходиться в циліндрі з двома дзеркалами. Фотони, віддзеркалюючись, багаторазово бомбардують активне середовище, знаходячись в створеному оптичному резонаторі. В резонаторі підібрана віддаль між дзеркалами, яка узгоджується з довжиною хвилі випромінення. Для виходу енергії світла на дистанцію в одному з дзеркал зроблено отвір. Називаючи переваги лазера, маємо відзначити високу спрямованість випромінювання, вузький спектр частот (0,63; 1,15, 3,39 мкм ). Найважливіше, що тільки лазер створює таку потужність, з якою не порівняти за яскравістю ні одне джерело. Щоб ще й поляризувати промінь, дзеркала встановлюють під кутом Брюстера. До недоліку лазера відносять те, що він витрачає значну зовнішню енергію, а тому їх встановлюють тільки у геодезичних світловіддалемірах для ліній від 10 до 50 км.

Гелій – неоновий лазер

1. Дзеркала, що фокусують промінь.

2. Кварцові пластинки, заварені в кінцях трубки під кутом Брюстера.

3. Скляна або кварцова трубка довжиною від 20-30 см до 1-2 м залежно від потужності.

4. Виводи анода і катода для підведення високої напруги 1000 і більше вольтів щоб створити тліючий розряд.

Топографічні світловіддалеміри та електронні тахеометри мають тверді напівпровідникові лазери та світло діоди. Кристал лазера формують з суміші арсеніду галію (Ga As). Хоча кристал мініатюрний, його грані поліруються для створення резонатора. Малий розмір та маса, мінімум споживання енергії роблять його найкращим випромінювачем. Навіть змінюючи струм, що протікає, можна забезпечити внутрішню модуляцію.

Тверді лазери на два – три порядки відстають в потужності і працюють в ширшому частотному спектрі (діапазон довжин хвиль 0,8 – 0,9 мкм). Світлодіоди не мають оптичного резонатора. Щоб створити направлений потік світла з зони p – n переходу на кристалі створюють півсферу. Розходження променя сягає 1 , а не декілька минут як у лазера. За іншими параметрами вони задовольняють світловіддалемірну техніку, особливо арсенід – галієві, що працюють в ближній інфрачервоній області оптичного спектру.