Глава 2. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ

2.1. ЛАЗЕРЫ В ГЕОДЕЗИИ

Оптические методы измерения расстояний и углов хорошо известны в промышленной метрологии и геодезической службе, однако их применение было ограничено источниками света. Измерения на открытом воздухе с использованием модулированного света были возможны лишь при небольших расстояниях в несколько километров. С помощью лазеров удалось значительно расширить область применения оптических методов, а в ряде случаев и упростить их.

Методы дальнометрирования в геодезии с использованием света основаны на том, что в однородной среде оптическое излучение на всем пути распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Поскольку в геодезическом оптическом дальномере передатчик и приемник обычно совмещены, то расстояние между дальномером и объектом может быть найдено из простого соотношения

где -измеряемое расстояние, с — скорость света, время прохождения света от дальномера до объекта и обратно.

Таким образом, задача определения расстояния между дальномером и объектом сводится к определению соответствующего интервала времени между зондирующим импульсом и импульсом, отраженным от объекта.

Из приведенного соотношения следует, что ошибка измерения дальности будет определяться соотношением

где ошибка в измерении дальности, — ошибка в измерении времени прохождения света от дальномера до объекта и обратно.

Оно позволяет сказать, что ошибка в измерении дальности зависит от двух причин.

Рис. 20. Функциональная схема импульсного дальномера

Первая — это степень точности определения скорости излучения (т. е. наши знания о скорости света), а вторая — определяется инструментальной точностью геодезического дальномера. Известно, что значение скорости света равно 299 792,5 км/с, а относительная ошибка Вне зависимости от вида устройства может быть использован импульсный или фазовый метод измерения дальности. На рис. 20 приведена схема гипотетического импульсного дальномера. Видно, что в качестве источника излучения используется твердотельный лазер и резонатор, в котором возможна модуляция добротности. Затем имеется приемо-передающая оптическая система и ряд блоков, назначение которых понятно из надписей, сделанных на них. Дальномер работает таким образом. Излучение лазера с помощью оптической системы направляется в сторону объекта, до которого необходимо измерить расстояние. Часть излучения с помощью полупрозрачного зеркала отводится на приемник излучения — опорный ФЭУ (фотоэлектронный умножитель) и направляется на блок измерения запаздывания для формирования опорного сигнала. Отраженное объектом излучение принимается оптической системой и направляется на сигнальный ФЭУ, сигнал с которого, пройдя усилитель, также попадает на блок измерения времени запаздывания. В этом

блоке определяется время между опорным и отраженным сигналами. В качестве индикатора дальности может быть использована либо электронно-лучевая трубка, либо счетно-решающий прибор, показывающий непосредственную величину измеряемой дальности. Ошибки отсчета определяются способом отсчета расстояния, масштабом, крутизной зондирующего и отраженного объектом импульсов. Не рассматривая подробно все эти факты, остановимся на одном из них, а именно на крутизне переднего фронта импульсов. Крутизна зондирующего импульса у лазеров с модулированной добротностью может быть очень большой. Если она составляет даже 10% от длительности импульса, то при импульсе в с имеем потенциальную возможность измерять расстояния с точностью до Однако крутизна переднего фронта отраженного импульса будет другой, она зависит от степени искажений, возникающих в приемо-передающей системе (в среде, где происходит распространение оптического излучения) и искажениями при отражении от объекта. Это приводит к уменьшению потенциально возможной точности измерения дальности.

Принцип действия фазового дальномера представлен на рис. 21. Излучение газового генератора проходит через модулятор. Следовательно, выходное излучение будет промодулировано в соответствии с законом

где масштабная частота, -начальная фаза.

Отразившись от объекта, излучение попадает на приемную систему и с помощью ФЭУ преобразуется в электрический сигнал

где угол сдвига фазы масштабного колебания, возникающий при отражении от объекта; — запаздывание фазы масштабного колебания в цепях геодезического дальномера.

Напряжения поступают на вход фазометра, который в соответствии с разностью фаз выдает сигнал, пропорциональный расстоянию до цели:

где

Рис. 21. Функциональная схема фазового дальномера

Точность работы дальномера определяется следующими факторами:

1. Точностью масштабной частоты

где - ошибка масштабной частоты.

Тогда

т. е. относительная дальномерная ошибка равна относительной ошибке масштабной частоты.

2. Точностью измерения разности фаз. Можно записать, что

где — ошибка в измерении разности фаз, ошибка в запаздывании фазы в цепях дальномера, — ошибка сдвига фазы при отражении.

Наибольшую ошибку вносит первая составляющая. Дальномерная ошибка уменьшается с ростом масштабной частоты.

Рис. 22. Функциональная схема КДГ-3

Однако хорошо известно, что однозначность при измерении разности фаз возможна только в пределах угла радиан. В противном случае возникает многог значность отсчета дальности. Выход из этого положения находят в том, что используют две масштабные частоты, первая служит для грубого определения дальности, вторая — для более точного.

Этот принцип положен в основу отечественного геодезического дальномера КДГ-3. Функциональная схема дальномера приведена на рис. 22. Назначение блоков понятно из рисунка. Источником излучения служит полупроводниковый диод из арсенида галлия. Его излучение модулируется задающим генератором и направляется на зеркальный отражатель, установленный на противоположном конце измеряемой линии. Отраженное излучение принимается приемной системой и фокусируется на фотоэлектронном умножителе. Особенностью дальномера является то, что процессы фазового детектирования и гетеродинирования сигналов происходят непосредственно в околокатодном пространстве ФЭУ. Эти процессы осуществляются таким образом. Часть напряжения от задающего генератора подается на смеситель. Одновременно на него же подается напряжение от стабилизированного кварцами гетеродина. На выходе смесителя образуется промежуточная частота 100 кГц, которая через фазовращатель подается на специальный электрод у

фотокатода ФЭУ. На другой электрод подаегся напряжение от гетеродина. Таким образом фототок, вызываемый принятым от отражателя излучением, будет еще вторично модулироваться высокочастотным сигналом, создаваемым гетеродином. Это приведет к появлению в фототоке ФЭУ переменной составляющей с разностной частотой задающего генератора и гетеродина, т. е. с частотой 100 кГц. Фаза этой переменной составляющей фототока будет зависеть от измеряемого расстояния. Полученная переменная составляющая фототока взаимодействует с электрическим полем, создаваемым напряжением, подаваемым на верхний электрод со смесителя через фазовращатель и коммутатор фазы. При этом происходит фазовое детектирование, так как фототок будет зависеть от разности фаз между опорным и отраженным сигналами. Фазовращатель позволяет плавно изменять фазу опорного сигнала, что дает возможность довести разность фаз между опорным и отраженным сигналом до 90 или 270°. При этом отсчет по шкале фазовращателя соответствует разности фаз между опорным и. отраженным сигналами. Сигнал с ФЭУ подается на синхродетектор и нуль-индикатор. Показания нуль-индикатора будут равны нулю при разности фаз между опорным напряжением и отраженным сигналом, равной 90 или 270°. При этом Измеряемое расстояние можно выразить таким образом:

где число целых циклов, фаза отраженного сигнала, фаза сигнала нулевого отсчета.

Таблица 9 (см. скан)

Основные характеристики геодезических дальномеров [15]

Поскольку неизвестно, то для разрешения неоднозначности в геодезическом дальномере используется три частоты модуляции: 30, 29,9 и 27 МГц. Это обеспечивает разрешение неоднозначности в пределах 1500 или 50 м в зависимости от того, какие частоты используются.

В табл. 9 приведены некоторые характеристики зарубежных и отечественных геодезических дальномеров.