Модулятори коливань
Світло і радіовіддалеміри використовують модульовані коливання. Маючи джерела несучих коливань, генератори масштабної частоти, бракує пристрою що керує несучими коливаннями. Такий пристрій, окремо або органічно присутній в складі джерела несучих коливань, одержав назву модулятора.
Модулятори для оптичного випромінювання.
В портативних світловіддалемірах, як модулятор, використовується саме джерело випромінювання. Такий спосіб керування одержав назву внутрішньої модуляції. Наприклад, змінюючи генератором масштабної частоти величину струму через світло діод, одержуємо модульоване по амплітуді випромінювання. Якщо в світловіддалемірі використовують не люмінесцентний, а напівпровідниковий лазер, то такий режим приводить до перегріву діода. Щоб цього не відбувалося, застосовують імпульсно – фазовий режим. Внутрішня модуляція, де це можливо, залишається найкращим досягненням у віддалемірній техніці. Але спроби внутрішньої модуляції в газових лазерах для роботи на великі віддалі не дали результатів. Серед модуляторів світла, що можуть керувати оптичним випромінюванням після його виходу з випромінювача, знайшли застосування модулятори на електрооптичному ефекті Поккельса в анізотропному кристалі. Під дією зовнішнього електричного поля в кристалі з’являється фазова модуляція. Кристали вирощуються штучно з дігідрофосфату калію (KDP), дігідрофосфату амонію (ADP) та ніобату літію. Розмір кристалів - до 1 см, напруга зміщення - 6-10 кВ, амплітуда модуляції 500 В.Подібний ефект був виявлений в хімічній рідині нітробензолі. Ефект з рідиною створюється в комірці (конденсаторі) Керра. На впаяні в скляну колбу електроди, крізь які буде проходити поляризоване світло, подається постійна напруга декілька тисяч вольтів та модульоване, яке змінює параметри несучої частоти.
Модулятори НВЧ коливань.
В фазових радіовіддалеимірах застосовується частотна (ЧМ) модуляція. В більшості випадків відпадає потреба в створенні окремого зовнішнього модулятора.
Для
керування клістрон ним генератором на
його віддзеркалюючий електрод разом з
постійною напругою подають модулююче
гармонічне коливання частотою
МГц.
Індекс
модуляції
=
Для
передачі інформації про вимірювану
віддаль потрібні коливання з частотами
.
Якщо радіовіддалеміри працюють на діоді Ганна, частотна модуляція НВЧ коливань виконується за рахунок введення в резонатор діода – варактора. Змінюючи напругу на вар акторі, змінюють резонансну частоту об’ємного резонатора. Цей спосіб обмежується частотами модуляції 15 – 20 МГц.
Пристрої для передавання, відбивання і приймання електромагнітних хвиль
Щоб одержати результати вимірювань, треба модульовані електромагнітні несучі коливання передати з одного кінця вимірюваної лінії на інший і назад. Для забезпечення максимальної дальності дії, потік енергії має бути концентрований у вигляді вузького паралельного пучка в напрямі відбивача. Повертаючись з дистанції, пучок променів знову треба концентрувати - зібрати в одній точці на приймачі. Ці функції виконують оптичні і радіотехнічні пристрої для направленого випромінювання і приймання.
Оптичні системи
В геодезичних світловіддалемірах є три оптичні системи: передавальна, приймальна та віддзеркалювальна.
Головне завдання передавальної системи в тому, щоб з мінімальними втратами світло пройшло в середині оптичного тракту світловіддалеміра, виконуючи різні допоміжні операції (модуляція, поляризація, лінія ОКЗ) і паралельним пучком вийшло на відбивач. На вибір оптичної системи впливають, переважно, дальність дії, спосіб модуляції та вид джерела світла. Якщо системи лазерні, то для малих дальностей оптика непотрібна. При дальності 10км пучок розсіюється вже діаметром до 30м. Кращим варіантом оптичної системи тут є телескопічна система. Лазерний пучок звужується нею до 2-3метрів. В тих приладах, які застосовують напівпровідникові джерела і внутрішню модуляцію, джерело розміщується в фокальній площині лінзового об’єктива.
Приймальна оптична система віддалеміра подібна передавальній, а для зменшення маси віддалеміра їх об’єднують. Для того, щоб перехватити більше енергії, що повертається, намагаються збільшити діаметр вхідного отвору об’єктива. Зібраний лінзою промінь фокусується на фотодіоді. Щоб на вході фотоприймача відсіяти всі сторонні випромінювання та залишити вузький діапазон несучих коливань, встановлюється селекційний інтерференційний світлофільтр. Щоб не перевантажувався фотоприймач на коротких віддалях, на об’єктив встановлюють атенюатор (сіточка). Для підтримки променевої енергії в робочій зоні застосовують «сірий клин» на скляному диску. Залежно від кута повороту змінюється прозорість, змінюється освітленість фотоприймача.
Передавальні телескопічна і лінзова оптичні системи
Приймальні: а) дзеркально – лінзова та б) лінзова системи
Відбивачі (рефлектори)
Теоретично ідеальним відбивачем мало б бути дзеркало. Але на практиці виявилось, що дзеркало потрібно дуже точно орієнтувати в напрямку віддалеміра. Це завдання спрощується при застосуванні дзеркально-лінзових або, ще ліпше, призматичних оптичних систем. Призматичні відбивачі, зібрані з кількох трипельпризм, є тепер в комплекті кожного світловіддалеміра і електронного тахеометра. Трипельпризму виготовляють з оптичного скла, розрізом куба по діагональній площині. Створена піраміда має три прямі кути при вершині. Діагональна площина, як основа, орієнтується перпендикулярно променю що падає на неї. Він, в результаті трикратного відбивання від бокових дзеркальних граней, спрямовується в протилежному напрямку на віддалемір. Досліди, проведені з трипельпризмами, свідчать про те, що відбитий промінь повертається по напрямку падаючого, навіть якщо трипельпризму відхилити на 20-30. Але, щоб не погіршувати точність, відбивач орієнтують на світловіддалемір з точністю до 1 .
Антенно-фідерні системи
Вимоги до антен аналогічні – це вузько направлене випромінювання. Так як на кінцях лінії стоять станції, що не відрізняються між собою, то і антени в них мають однакову конструкцію. З’єднуються прийомо-передавачі з антенами, коаксіальними кабелями або циліндричними хвилеводами. Приймач і передавач працюють на одну антену через розгалужувач. Серед поширених конструкцій застосовують для 3-см діапазону рупорну антену, а для 10-см – дзеркальні параболічні антени, подібні супутниковим для телебачення.
Приймачі світла
Основне призначення приймачів світла – перетворення модульованого потоку променевої енергії в електричні сигнали. Приймачі мають бути достатньо чутливими, щоб реагувати на світлові сигнали що повертаються з дистанції. До того ж вони мають реагувати тільки на спектр світла,що випромінюється приладом і менше на зовнішні фонові засвітки.
У світловіддалемірній техніці знайшли застосування два типи фотоприймачів: фотоелектронні помножувачі ( ФЕП ) та фотодіоди. Фото помножувач є електровакуумним приладом. Він має фотокатод 3-5 дінодів і анод. Фотокатод покритий світлочутливою плівкою, або з плівкою нанесеною на внутрішню поверхню балона. Під дією променевого потоку з фотокатода емітують в навколишній простір фотоелектрони. Фокусуюча електронна система спрямовує їх на перший від катода дінод. На діноді кількість електронів збільшується і це називають вторинною електронною емісією. В результаті переміщення електронів від дінода до дінода в електричному полі, на аноді виникає електричний струм в мільйони разів більший, ніж був на катоді.
Для роботи ФЕП застосовують високовольтні джерела живлення, що для малогабаритних приладів небажано. На портативних світловіддалемірах працюють фотодіоди з p-n переходом, але обов’язково з окремим підсилювачем. Як матеріал напівпровідника застосовують кремній. Максимальна чутливість фотодіода спостерігається в інфрачервоній зоні (0,8 мкм). Щоб фотодіод виконував ще одну функцію-виділяв модульовані частоти, які часто використовуються (10-100МГц), база виготовляється товщиною в кілька мікрон. Через особливі вимоги у якості фотоприймачів в світловіддалемірах не застосовуються ні фотоелементи, ні фоторезистори, ні фототранзистори.
Приймачі УКХ
Модульовані несучі коливання після проходження вимірюваної лінії,потрапляють в приймальну антенно-фідерну систему. Звідси електромагнітна енергія направляється на вхід приймального пристрою. Його призначення – виділити з несучих модульованих коливань інформаційний сигнал для роботи фазометра. Сучасні радіовіддалеміри забезпечують прийом та перетворення коливань НВЧ діапазону в електричні на базі напівпровідникових діодів. В схемі приймача він працює детектором або змішувачем. В схемі детектора кремнієвий діод має мінімальну граничну чутливість 10-9Вт. Просто так підвищити чутливість було неможливо, тому що заважали власні шуми діода. В схемі застосували гетеродин. Він генерує допоміжні коливання і діод стає змішувачем сигналів від приймальної антени та гетеродина. В такому режимі гранична чутливість приймача збільшується в 10 тис. разів, до величини 10-13 Вт.