Розділ 3. Електронні вимірювання відстаней

3.1. Загальні принципи електронної віддалеметрії

 

Вимірювання відстаней за допомогою електромагнітних хвиль засновано на визначенні часу і швидкості їх розповсюдження уздовж дистанції, що виміряється. При цьому можуть бути два випадки.

В першому з них електромагнітні хвилі проходять відстань D, що виміряється, двічі. Для чого на одному кінці лінії встановлюються передавач і приймач, а на іншому – відбивач, і відстань обчислюється за співвідношенням:

D = vt /2 (3.1)

де v – швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль, t - час розповсюдження уздовж дистанції в прямому і зворотному напрямах. Такий варіант (з проходженням сигналу «туди і назад») іноді називають запитальним методом, вважаючи, що передавач посилає до відбивача «сигнал запиту», а від відбивача приходить «сигнал відповіді».

В другому випадку хвилі проходять відстань, що виміряється, тільки в одному напрямі: на одному кінці лінії є передавач, а на іншому – приймач, і відстань обчислюється за співвідношенням:

D = vt (3.2)

де t - час однократного проходження дистанції. Цей варіант іменують беззапитним методом.

Беззапитний метод реалізується в глобальних супутникових системах, що визначають координати за вимірюваними відстанями. У всіх електронних віддалемірах, вживаних як на наземних, так і на космічних трасах, використовується двократне проходження сигналу, тобто схема з відбивачем, і, відповідно, співвідношення (3.1). Тому подальший виклад даного розділу відноситиметься саме до цього випадку.

Будь-яка віддалемірна апаратура доставляє інформацію про час розповсюдження t. Швидкість v при вимірюваннях на наземних трасах знаходять із співвідношення v = с/n за відомим значенням швидкості світла у вакуумі с = 299792458 м/с і показнику заломлення повітря n, яке можна обчислити, вимірявши температуру, тиск і вогкість повітря (для світлових хвиль треба знати ще довжину хвилі). На космічних трасах, що включають іоносферу (при вимірюванні відстаней до супутників і до Місяця) визначення швидкості v має свою специфіку. Віддалеміри виміряють або безпосередньо часовий інтервал t, або інший параметр, що є певною функцією цього часового інтервалу..

Фізичне сутність всіх методів вимірювання відстаней полягає в

порівнянні одного і того ж параметра, пов'язаного з електромагніт-ним випромінюванням, до і після проходження випромінюванням

Рис.3.1. Загальна схема вимірювання відстаней за допомогою електромагнітних хвиль

дистанції, що вимірюється. Для цього один і той же сигнал від передавача розділяється на дві частини і прямує на приймач одночасно по двох різних шляхах: безпосередньо (без виходу на дистанцію) і через дистанцію, що виміряється (рис.3.1).

Перший шлях називають опорним каналом або трактом, а сигнал, що йде по ньому - опорним сигналом. Другий шлях утворює дистанційний (інформаційний) канал, і відповідно сигнал, що приходить від відбивача називають дистанційним або інформаційним сигналом.

В приймачі (під приймачем на рис.3.1 розуміється приймально-вимірювальний пристрій) здійснюється порівняння опорного і інформаційного сигналів по вибраному параметру, або, іншими словами, вимірюється їх відмінність по цьому параметру, яке і містить інформацію про відстань, що вимірюється. Вибір параметра визначає метод вимірювання відстані. Такими параметрами частіше за все є:

§ час приходу імпульсу випромінювання (при імпульсному випромінюванні);

§ фаза коливання (при безперервному випромінюванні).

В останньому випадку це може бути або фаза гармонійного (синусоїдального) коливання, безпосередньо випромінюваного передавачем, або, якщо це коливання (зване несучим), модульовано, - фаза модулюючого сигналу.Відповідно розрізняють наступні методи вимірювання відстаней:

- часовий (імпульсний), з вимірюванням безпосередньо часу розповсюдження імпульсу;

- фазовий з вимірюванням різниці фаз на несучій частоті;

- фазовий з вимірюванням різниці фаз на частоті модуляції.

Часовий метод. Схема його реалізації показана на рис.3.2. Передавач випромінює короткий імпульс, який розділяється на два - опорний і спрямований на дистанцію. Опорний імпульс запускає вимірника часових інтервалів, а імпульс, що повернувся з дистанції

через час t зупиняє рахунок часу.

Рис.3.2. Схема реалізації часового методу

Відстань обчислюється безпосередньо за співвідношенням (3.1). Вимірник часових інтервалів будується за схемою, принцип якої ілюструється на рис.3.3. Генератор виробляє безперервну послідовність гострокінечних відлікових імпульсів з періодом повторення Т_сч. Ці імпульси через електронний ключ поступають на лічильник.

Електронний ключ – це свого роду «ворота», які можуть відкриватися, пропускаючи імпульси на лічильник, і закриватися, припиняючи рахунок. Вони відкриваються опорним імпульсом випромінювання (старт-імпульс) і закриваються імпульсом випромінювання, що прийшов з дистанції (стоп-імпульс). Таким чином, електронний ключ виявляється відкритий на якийсь час t, за яке імпульс випромінювання двічі проходить дистанцію і яке необхідно виміряти. Очевидно, що t можна визначити по числу m імпульсів, підрахованих лічильником за цей час: t = mТ_сч = m/f_сч, де f_сч – частота проходження відрахункових імпульсів. Але було б найзручнішим, якби лічильник показував відразу величину відстані, що виміряється. Це можна зробити, якщо вибрати f_сч чисельно рівній половині швидкості розповсюдження випромінювання (в певних атмосферних умовах).

Дійсно, якщо в основну формулу для відстані D = vt/2 підставити вираз t = m/f_сч, то отримаємо: D = vm/2f_сч. Якщо тепер покласти f_сч = v/2, то матимемо D = m, тобто число імпульсів, що показується лічильником, виражатиме собою безпосередньо відстань D. (Ми не розглядаємо такі неістотні тут деталі, як питання розмірності). В отриману величину D вводиться поправка за відмінність реальної швидкості v від «закладеного в прилад» значення.

Оскільки лічильник може рахувати тільки ціле число імпульсів, то виникає помилка дискретності рахунку, яка тим менша чим менше Т_сч, тобто чим більша частота проходження відлікових імпульсів.

Рис.3.3. Принцип побудови вимірника часових інтервалів

Крім того, важко отримати імпульси випромінювання малої тривалості з крутим фронтом. Тому імпульсний метод характеризується порівняно великою абсолютною погрішністю. Погрішність при вимірюванні t, дорівнює 10 нс, дає помилку у відстані 1,5 м. Тому імпульсний метод вигідно використовувати для вимірювання великих відстаней, коли відносна погрішність вимірювання виходить малою.

Найбільш ефективне застосування імпульсного методу в оптичному діапазоні для вимірювання дуже великих відстаней, зокрема, до ШСЗ, що і використовується в лазерній супутниковій віддалеметрії. Оскільки відстані великі, то лазерний імпульс повинен бути дуже великій потужності; вона тим більше, чим менше тривалість імпульсу. Для вимірювання відстаней до ШСЗ застосовуються, як вже згадувалося в розділі 2, твердотільні лазери. Довгий час типове значення тривалості імпульсу складало приблизно 10 нс при піковій потужності до 100 Мвт.

В останньому поколінні таких віддалемірів застосовуються пі косекундні твердотільні лазери на гранаті, які генерують оптичні імпульси надкороткої тривалості порядку десятків пікосекунд (1пс = 10^-12 с) з піковою потужністю до декількох гігаватт (1 Гвт = 10⁹ Вт). За час в 1 пс світло проходить 0,3 мм, і застосування пікосекундних лазерів забезпечує різке підвищення точності імпульсного методу.

Фазовий метод на модульованому випромінюванні. Цей метод використовується у всіх наземних геодезичних і топографічних світловіддалемірах і радіовіддалемірах, межа дальності дії яких може лежати в діапазоні від декількох кілометрів до декількох десятків кілометрів.

Джерело світла або радіохвиль випромінює несучі гармонійні коливання вигляду А sin(wt + j_о). Але перед виходом випромінювання на дистанцію який-небудь з цих параметрів (в світловіддалемірах звичайно амплітуда А, яка визначає інтенсивність світла, а в радіовіддалемірах - частота f) піддається модуляції по синусоїдальному закону з деякою частотою F, набагато меншої несучої частоти f. Тобто, наприклад, в світловіддалемірах інтенсивність що виходить на дистанцію світла стає то більше, то менше, і це відбувається з частотою модуляції F (див. рис.2.2,а в розділі 2). В світловому потоці виникає огинаюча - синусоїда частоти F. Фаза цієї синусоїди після проходження світлом відстані 2D (до відбивача і назад) відрізнятиметься від фази у момент випромінювання на величину j, яка залежить від часу розповсюдження t:

j = 2pFt = 2pF(2D/v). (3.3)

Цю різницю фаз виміряють фазометром, включеним між передавачем і приймачем. З (3.3) витікає, що шукану відстань D можна обчислити за формулою:

D = (v/2F)(j/2p). (3.4)

На рис.3.4 показана узагальнена схема реалізації фазового методу з вимірюванням різниці фаз на частоті модуляції F.

Рис.3.4. Функціональна схема фазового віддалеміра

Оскільки фаза – кутова величина, значення якої повторюється через кожні 360^о, тобто 2 p, то загальний фазовий зсув j у формулі (3.3) можна представити у вигляді:

j = 2pN + Dj (3.5)

де N - ціле число повних фазових циклів по 2 p, а Dj - дробова частина циклу, менша 2 p. Будь-який фазометр може виміряти різницю фаз тільки в межах від 0 до 2 p, тобто тільки Dj. Число ж N залишається невідомим.

Підставляючи (3.5) в (3.4), одержуємо основне рівняння фазової віддалеметрії:

D = (v/2F)(N + Dj/2p) (3.6)

яке часто записують в більш простому вигляді:

D = (l/2)(N + DN), (3.7)

де l = v/F - довжина хвилі модуляції DN = Dj/2p - дріб, менший одиниці.

Частоту модуляції F часто називають масштабною частотою, оскільки відповідна їй довжина хвилі l є тією масштабною мірою, яка «укладається» на відстані 2D (або, що те ж, половина довжини хвилі укладається на відстані D).Число укладень складає (N+ DN), що наочно видно з формули (3.7).

В основному рівнянні фазової віддалеметрії два невідомих: D і N. Таке рівняння не має однозначного рішення, і виникає так звана проблема вирішення неоднозначності (часто використовують також термін багатозначність) - проблема визначення цілого числа N.

Вирішення багатозначності у фазових віддалемірах. В більшості сучасних світловіддалемірів і у всіх радіовіддалемірах багатозначність вирішують так званим способом фіксованих частот, при якому в віддалемірі передбачають кілька точно відомих частот модуляції, що перемикаються.

При всіх варіантах цього способу вони засновані на одній і тій же ідеї: наявність декількох частот дозволяє створити ряд масштабних довжин хвиль, перша з яких відповідає основній (найвищій) частоті модуляції, а кожна подальша більше в ціле число раз. Це число звичайно вибирається рівним 10, а перша частота в автоматизованих віддалемірах – частіше всього така, щоб відповідна їй напівхвиля складала (при стандартних метеоумовах) 10 м (частота»15 Мгц), що зручне для створення десяткової системи розрядів (так званий порозрядний спосіб). Якщо напівхвиля l₁ /2 = 10 м, то наступні значення будуть l₂ /2 = 100 м l₃ /2 = 1000 м і т.д. Для цих масштабних довжин напівхвиль можна записати рівняння вигляду (3.7) з своїми значеннями N і DN.

Що ж нам дає наявність ряду цих напівхвиль, що десятиразово збільшуються? Річ у тому, що при способі фіксованих частот, скільки б їх не було, для вирішення задачі потрібна додаткова умова – знання наближеного значення дистанції, що виміряється (D_прибл.). Все питання в тому, з якою точністю потрібно його знати. Якщо в віддалемірі тільки одна фіксована частота (довжина хвилі), то для безпомилкового визначення числа N треба знати відстань з помилкою менше чверті довжини хвилі. Це виходить безпосередньо з рівняння (3.7). Дійсно, переписавши його у вигляді

N = (2D/l) - DN (3.8)

і перейшовши до середніх квадратичних помилок m, отримаємо:

m_N = (2/l) m_D . (3.9)

Щоб ціле число N було визначено вірно, його помилка повинна бути менше 0,5. Поставивши умову m_N < 0,5, з (3.9) знайдемо:

m_D < (l/4). (3.10)

Наперед знати відстань з такою точністю (для приведеного вище випадку – з помилкою менше 2,5 м) – нездійсненна вимога навіть за наявності великомасштабнихкарт. Створення ж вказаного вище ряду довжин хвиль дає можливість знати D_{прибл .} набагато грубіше. Кожний ступінь знижує вимоги до точності знання D_{прибл .} в 10 разів, і в результаті нього вимагається знати з помилкою менш чверті найбільшої довжини хвилі. Якщо вона складає, скажімо,20 000 м (напівхвиля 10 000 м), то допустима помилка повинна бути менш ± 2,5 км; іншими словами, треба знати, скільки цілих 5–кілометрових відрізків міститься у відстані, що вимірюється.

Склавши для кожної з на півхвиль, що збільшуються в 10 разів рівняння вигляду (3.7) і додавши до них рівняння D = D_прибл., ми одержуємо однозначно вирішувану систему. Оскільки в цих рівняннях числа N на кожному ступені показують відповідну кількість десятиметрових, стометрових, тисячаметрових і т.д. відрізків, що укладаються на вимірюваній дистанції, то обробка вимірювань, виконаних на всіх частотах, зводиться просто до визначення десяткових розрядів в значенні відстані без обчислення самих чисел N. При цьому найточніший розряд і його частки визначають на першій частоті.

В деяких світловіддалемірах багатозначність вирішують іншим методом – способом плавної зміни частоти модуляції. В цьому способі у ручну або автоматично підбирають дві (або кілька) такі частоти, при яких у відстані укладається ціле число N напівхвиль модуляції (різне для цих частот), тобто в рівняннях вигляду (3.7) DN = 0, і ці частоти виміряють. При цьому в віддалемірі передбачають пристрій, що дозволяє фіксувати моменти, коли DN = 0, і, отже, прорахувати різницю чисел N для цих частот. Знаючи цю різницю і самі частоти, можна легко обчислити і цілі числа N, тобто вирішити багатозначність.

Спосіб плавної зміни частоти не вимагає знання наближеної відстані, але при цьому не можна виміряти відстань, меншу певної межі. Ця межа дорівнює

D_min = v/DF (3.11)

де v – швидкість світла, DF – максимальний діапазон зміни частоти модуляції.

Фазовий метод на несучій частоті. При цьому методі працюють на не модульованому випромінюванні, виміряючи різницю фаз випромінюваних і прийнятих електромагнітних хвиль. Фазові вимірювання на не дуже високій несучій частоті, що відповідають діапазону довгих і середніх радіохвиль, часто використовуються в радіогеодезичних системах (РГС), призначених для визначення координат рухомих об'єктів на морі, на землі і в повітрі (кораблів, літаків, автотранспортних засобів); проте в даний час РГС в значній мірі витиснені супутниковими системами. Фазовий метод на несучій частоті в оптичному діапазоні називається інтерференційним, бо він заснований на безпосередній реєстрації результатуінтерференції двох світлових пучків. Цей метод буде розглянутий в подальшому.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

 

1. В чому суть запитного та беззапитного методу?

2. Яка фізична суть усіх методів вимірювання?

3. Що таке тимчасовий метод?

4. Що таке спосіб фіксованих частот?

5. Де використовують спосіб плавної зміни частот модуляції?

Світловіддалеміри

Про світло і радіовіддалеміри. У світловіддалемірів радіовіддалемірів довжина хвилі модуляції може лежати в діапазоні від 0,6 м до 20 м, що відповідає частоті F від 500 Мгц до 15 Мгц. Чим більше F, тим точніше віддалемір. Несуча ж частота f набагато вище, ніж F, і, відповідно, довжина хвилі несучої v/f набагато менше довжину хвилі модуляції v/F.

Несуча хвиля більшості радіовіддалемірів складає 3см (f=10000МГц=10¹⁰Гц), а в світловіддалемірах довжина хвилі несучої - це довжина хвилі світла, яка, наприклад, при використанні гелій-неонового (Не-Nе) лазера дорівнює 0,63 мкм. Це червоне світло з частотою f» 5·10¹⁴ Гц.

Таким чином, з принципової точки зору світловіддалеміри і радіовіддалеміри відрізняються лише довжиною хвилі несучих коливань - в радіовіддалемірах вона на 4-5 порядків більше, ніж в світловіддалемірах. Але така відмінність всього лише в одному параметрі приводить до різкої відмінності цих приладів в схемних і конструктивних відношеннях, оскільки для оптичних хвиль і радіохвиль застосовуються абсолютно різні методи передачі, модуляції і прийому.

В даний час геодезичні радіовіддалеміри не випускаються і представляють лише історичний інтерес (див. Введення).

Фазові світловіддалеміри. На рис.3.5 показана узагальнена блок-схема фазового світловіддалеміра. Випромінюване джерелом світло пропускається через модулятор, керований генератором модулюючої частоти F. Як модулятор останнім часом частіше за все застосовується електрооптичний модулятор Поккельса, робота якого заснована на лінійному електрооптичному ефекті (ефекті Поккельса).

Рис.3.5. Узагальнена блок-схема фазового світловіддалеміра

Теорія ефекту пов'язана з кристалооптикою і досить складна; тут слід відзначити лише, що модулятор є кристалом у формі паралелепіпеда, до верхньої і нижньої граней якого прикладена напруга від генератора. Поляризоване світло, що входить в торець кристала лінійно перетворюється на виході з кристала у світло з еліптичною поляризацією, у якого вид еліпса під дією змінної модулюючої напруги від генератора періодично змінюється (див. таблицю 2.1) з частотою F, тобто світло модулюється за поляризацією. Таку поляризаційну модуляцію потім перетворять в амплітудну, тобто модуляцію світла по інтенсивності, поставивши на шляху світлового пучка поляризатор (який в цьому випадку називають аналізатором), вісь пропускання якого перпендикулярна напряму поляризації, що входить в кристал випромінювання.

За допомогою передаючої оптичної системи модульоване світло прямує на відбивач, встановлений в кінцевій точці лінії, що виміряється. Як відбивач звичайно використовуються кутові призми (одна або декілька в єдиному блоці), які володіють тією чудовою властивістю, що світло відображається в тому ж напрямі навіть при розвороті призми до 30^о. Частина відображеного світла поступає в приймальну оптичну систему і прямує на приймально-фазометричний пристрій, основними компонентами якого є фотоприймач (приймач світла) і фазометр.

Як фотоприймач використовується фотодіод або фотоелектронний помножувач (ФЕП), перетворюючий світло в електричний сигнал, який поступає на один вхід фазометра. На другий вхід фазометра подається сигнал від генератора масштабної частоти, який слугує опорним сигналом. Фазометр виміряє різницю фаз між опорним сигналом і тим, що прийшов з дистанції. В сучасних світловіддалемірах використовується цифровий фазометр.

Ідея цифрових (дискретних) фазових вимірювань полягає в тому, що шукана різниця фаз перетвориться у відповіднийінтервал часу, який потім вимірюється шляхом підрахунку числа імпульсів (з відомим періодом повторення) за цей інтервал.

Рис.3.6. Принцип побудови гетеродинної схеми світловіддалеміра

По суті справи, тут використовується той же принцип, що і в часовому (імпульсному) методі віддалеметрії (див. рис.3.3), але з деякими істотними відмінностями. По-перше, опорний сигнал і сигнал з дистанції синусоїдальні, і з них формуються прямокутні імпульси; електронний ключ відкривається переднім фронтом імпульсу опорного сигналу і закривається переднім фронтом імпульсу дистанційного сигналу. По-друге, оскільки різниця фаз двох синусоїдальних сигналів може бути знайдена тільки в межах від 0 до 2 p (величина Dj у формулі (3.5)), інтервал часу між старт - і стоп-імпульсом дорівнює не повному часу розповсюдження t, а дробової частини Dt періоду коливань тієї частоти, на якій працює фазометр. Іншими словами, електронний ключ виявляється відкритим на якийсь час Dt, пов'язаний з вимірюваною різницею фаз Dj, співвідношенням Dj = 2pF_фDt, де F_ф - частота сигналів, що поступають на фазометр. Ця частота звичайно набагато нижче за частоту модуляції F, що виробляється генератором масштабних частот, і утворюється в результаті гетеродинування, для чого в схему вводиться гетеродин (див. рис.2.3, де низька частота позначена через Df). Таку схему називають гетеродинною схемою. Принцип її побудови показаний на рис.3.6.

В опорному каналі частоти генератора і гетеродина змішуються в радіотехнічному змішувачі См, а в сигнальному каналі функцію змішувача виконує фотоприймач, на який поступає частота від гетеродина і світло, модульоване з частотою генератора. Нагадаємо, що при гетеродинуванні фазові співвідношення не змінюються, і тому значення Dj на низькій різницевій частоті F_ф залишається таким же, як і на частоті модуляції F.

Щоб результат вимірювань був отриманий у вигляді відстані, частота рахункових імпульсів, як і при часовому методі, вибирається чисельно рівній половині швидкості світла за певних умов (з подальшим введенням поправки на реальні умови вимірювань). Для забезпечення десяткової системи відліку частота рахункових імпульсів f_сч повинна бути пов'язана з частотою F_ф, що поступають на фазометр сигналів співвідношенням

f_сч = 10^k F_ф, (3.12)

де k – ціле число. Звичайно k = 3, що забезпечує точність результату до 0,001 від масштабної одиниці довжини, тобто від половини довжини хвилі модуляції. При типовій частоті модуляції близько 15 Мгц (l/2 = 10 м) це дає 1 см. Для підвищення точності проводиться не однократне, а багатократне вимірювання різниці фаз (наприклад, 1000 окремих вимірювань, які наступають один за одним протягом приблизно 10с), і результати вимірювань усереднюються. Усереднений по багатьох вимірюваннях результат видається на електронне цифрове табло на один розряд точніше, тобто остаточна точність виходить 0,0001 від l/2 (в приведеному вище прикладі – 1 мм).

Через нестабільність електронних компонентів фазовий зсув сигналів за час вимірювань може змінюватися на значну величину. Вплив цього фазового дрейфу може компенсуватися введенням в схему лінії «оптичного короткого замикання» (ОКЗ), показаної на рис.3.6 пунктиром. По лінії ОКЗ світло прямує відразу на приймач, минувши дистанцію. Лінія ОКЗ є свого роду «внутрішньою дистанцією», вбудованою в прилад, і тому може бути зміряна таким же чином, як і «зовнішня дистанція». В приладі передбачена можливість перемикання світла на відбивач і на лінію ОКЗ. Оскільки вимірювання «зовнішньої і «внутрішньої» дистанцій» проводиться однією і тією ж апаратурою, різниця вимірювань на відбивач і на лінію ОКЗ буде вільною від впливу фазового дрейфу за умови, що ці вимірювання слідують достатньо швидко один за одним. В сучасних автоматизованих приладах швидке чергування вимірювань часто здійснюється за допомогою того, що обертається обтюратор – заслінка з отвором, що відкриває шлях світлу поперемінно на відбивач і на лінію ОКЗ.

Як джерело випромінювання застосовується, за рідкісним виключенням, або газовий лазер на суміші гелій-Неон (Не-Ne), випромінюючий у видимій області спектру (червоне світло з довжиною хвилі 0,63 мкм), або напівпровідниковий лазер (а раніше – і світлодіод) на арсеніді галію (GaAs), випромінюючий в ближній інфрачервоній області (довжина хвилі лежить в діапазоні 0,8 –

1,2 мкм). При використовуванні напівпровідникових випромінювачів не вимагається зовнішнього модулятора (здійснюється внутрішня модуляція, див. підрозділ «Лазери» в розділі 2 ).

Чим більше частота модуляції світла, тим вище точність віддалеміра. Тому в прецизійних світловіддалемірах модуляція здійснюється на НВЧ (надвисоких частотах) – частотах більше 300 Мгц. В віддалемірах щонайвищої точності застосовується Не-Ne лазер і зовнішній модулятор, але головне полягає в тому, що використовується інший тип схеми, в якій світло, перш ніж потрапити на фотоприймач, проходить через демодулятор – пристрій, аналогічний модулятору, і фазові вимірювання проводяться на високій частоті модуляції (без гетеродинування). На модулятор і демодулятор подається один і той же сигнал від генератора, і така схема називається схемою з синхронною демодуляцією. При цьому найдосконалішим варіантом є такій, коли модуляція і демодуляціяздійснюється в одному і тому ж пристрої, що служить модулятором при передачі і демодулятором при прийомі (модем – модулятор-демодулятор).

Така модифікація ілюструється на рис.3.7. Світло від лазера проходить через напівпрозоре дзеркало ПЗ, модулюється і прямує на дистанцію. Світло, що повернулось від відбивача проходить через ту ж оптичну систему, модем, і, частково відобразившись від напівпрозорого дзеркала, поступає в приймально-індикаторну частину віддалеміра. В теорії показується, що середнє за період модуляції значення інтенсивності світла, що двічі пройшло через модем (туди і назад) і що поступає на приймач, стає рівним нулю, якщо підлягаючий вимірюванню фазовий зсув j = 2pN + Dj привести до значення j=2pN (при якому, у вимірюваній дистанції, укладається ціле число напівхвиль модуляції). Це приведення можна здійснити або зміною частоти модуляції F, або зміною відстані D, вводячи в схему оптичну лінію затримки (ОЛЗ) змінної довжини.

Рис.3.7. Принцип побудови схеми з синхронною демодуляцією і суміщеними приймальним і передаючим трактами

Зафіксувавши умову j = 2pN (її називають цілочисельною умовою) по моменту нульової інтенсивності світла і вимірявши у цей момент частоту F або зміну відстані (величину d, відлічувану по ОЛЗ), можна обчислити довжину дистанції, що виміряється, за співвідношеннями:

в першому випадку (при частоті F, що виміряється)

D = (v/2F)N = (l/2)N (3.13)

в другому випадку (при фіксованій частоті F)

D = (v/2F)N – d = (l/2)N – d (3.14)

В розглянутій схемі не вимагається лінії оптичного короткого замикання (ОКЗ).

Імпульсно-фазові світловіддалеміри. Чисто імпульсний (часовий) метод вимірювання відстаней (його можна назвати моноімпульсним, оскільки для визначення відстані достатньо одного імпульсу випромінювання), як вже наголошувалося вище, не отримав розповсюдження в наземній геодезії через його недостатньо високу точність, і застосовується в лазерних віддалемірах, призначених для вимірювання дуже великих відстаней (до ШСЗ, до Місяця). Ці віддалеміри є імпульсними за енергетичними міркуваннями; в них використовуються могутні імпульсні лазери, а відносна помилка вимірювань невелика через значну відстань.

Проте імпульсний режим роботи має перевагу в тому відношенні, що при однаковій середній потужності випромінювання імпульсні віддалеміри для наземних вимірювань мають більшу дальність дії, ніж фазові віддалеміри з безперервним випромінюванням. Тому певна увага надана розробці світловіддалемірів, поєднуючи імпульсний режим випромінювання, що дає підвищену дальність дії, з фазовим методом вимірювань, що дає високу точність. Такі віддалеміри отримали назву імпульсно-фазових.

В імпульсно-фазовому віддалемірі, окрім оптимізації по дальності і точності, з'являється також можливість вирішення проблеми неоднозначності, що властива фазовому методу, не застосуванням декількох частот модуляції, а шляхом наближеного вимірювання відстаней чисто імпульсним методом.

Не вдаючись в детальний розгляд імпульсно-фазової віддалеметрії, вкажемо лише, що можливі два основні способи здійснення імпульсно-фазових світловіддалемірів. Перший спосіб полягає в модуляції імпульсів випромінювання високочастотним сигналом і вимірюванні зсуву фази модуляції, як у фазових віддалемірах. Другий спосіб – використовування гармонійних складових імпульсного сигналу, що дозволяє обійтися без додаткової модуляції. Стисло пояснимо, що тут мається на увазі. Імпульсний сигнал, що має достатньо стабільну частоту повторення, можна по теоремі Фур’є представити у вигляді суми гармонійних складових – спектру гармонік, кратних частоті повторення імпульсів (див. розділ 2, підрозділ «Електромагнітні коливання і хвилі», п.4). Спектр періодичної послідовності імпульсів дається виразом

(3.15)

де Аn – амплітуда j_n – початкова фаза n -ой гармоніки. При проходженні відстані, що виміряється, кожна гармоніка набуває додатковий фазовий зсув, рівний nw(2D/v), де n – номер гармоніки. Таким чином, виділивши певну гармоніку із спектру імпульсного сигналу в приймальному пристрої віддалеміра, можна здійснити на ній фазові вимірювання. Відстань буде отримана тим точніше, чим вище номер гармоніки, тобто більше вимірювальна частота, проте необхідно враховувати, що із збільшенням номера гармоніки зменшується її амплітуда.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

1. На чому основана робота електрооптичного модулятора Паккельса?

2. Де використовують цифровий фазометр? Яка головна його ідея?

3. Що називають гетеродинною схемою?

4. Від чого залежить поява «оптичного короткого замикання»?

5. Що використовується у якості джерела випромінювання?

6. Які існують способи реалізації імпульсно-фазових світлодальномерів?