Раздел 3. Электронные измерения расстояний

Общие принципы электронной віддалеметрії

 

Измерение расстояний с помощью электромагнитные волны основаны на определении времени и скорости их распространение вдоль дистанции, которая измерится. При этом могут быть два случая.

В первом с них электромагнитные волны проходят расстояние D, что измерится, дважды. Для чего на одном конце линии устанавливаются передатчик и приемник, а на другом – отражатель, и расстояние исчисляется по соотношению:

D = v /2 (3.1)

где v – скорость распространения электромагнитных волн,  - время распространения вдоль дистанции в прямом и обратном направлениях. Такой вариант (с прохождением сигнала «туда и назад») иногда называют запросным методом, считая, что передатчик посылает к отражателю «сигнал запроса», а от отражателя приходит «сигнал ответа».

Во второму случая волны проходят расстояние, которое измерится, только в одном направлении: на одном конце линии есть передатчик, а на другом – приемник, и расстояние исчисляется по соотношению:

D = v (3.2)

где  - время однократного прохождения дистанции. Этот вариант именуют беззапитним методом.

Беззапитний метод реализуется в глобальных спутниковых системах, которые определяют координаты за измеренными расстояниями. Во всех электронных віддалемірах, употребляемых как на наземных, так и на космических трасах, используется двукратное прохождение сигнала, то есть схема с отражателем, и, соответственно, соотношение (3.1). Поэтому дальнейшее изложение данного раздела будет относиться именно до этого случая.

Любая віддалемірна аппаратура доставляет информацию о времени распространения . Скорость v при измерениях на наземных трасах находят из соотношения v = с/n по известному значению скорости света в вакууме с = 299792458 м/с и показателю преломления воздуха n, которое можно вычислить, измеривши температуру, давка и сырость воздуха (для световых волн надо знать еще длину волны). На космических трасах, которые включают ионосферу (при измерении расстояний к спутникам и к Луне) определение скорости v имеет свою специфику. Віддалеміри измерят или непосредственно временной интервал , или другой параметр, что является определенной функцией этого временного интервала..

Физическое сущность всех методов измерения расстояний состоит в

сравнимые одного и того же параметра, связанного с электромагнит-им излучением, к и после прохождения излучением

Рис.3.1. Общая схема измерения расстояний с помощью электромагнитных волн

дистанции, которые измеряется. Для этого один и тот же сигнал от передатчика разделяется на две части и направляется на приемник одновременно по двум разным путям: непосредственно (без выхода на дистанцию) и через дистанцию, которая измерится (рис.3.1).

Первый путь называют опорным каналом или трактом, а сигнал, который идет по нему - опорным сигналом. Второй путь образовывает дистанционный (информационный) канал, и соответственно сигнал, который приходит от отражателя называют дистанционным или информационным сигналом.

В приемнике (под приемником на рис.3.1 понимается приемо-измерительное устройство) осуществляется сравнения опорного и информационного сигналов по выбранному параметру, или, другими словами, измеряется их отличие по этому параметру, которое и содержит информацию о расстоянии, которое измеряется. Выбор параметра определяет метод измерения расстояния. Такими параметрами чаще всего есть:

§ время прихода импульса излучения (при импульсном излучении);

§ фаза колебания (при беспрерывном излучении).

В последнем случае это может быть или фаза гармонического (синусоидального) колебания, непосредственно излучаемого передатчиком, или, если это колебания (званое несущим), модулировано, - фаза модулюючого сигнала.Соответственно различают следующие методы измерения расстояний:

- временной (импульсный), с измерением непосредственно времени распространения импульса;

- фазовый с измерением различия фаз на несущей частоте;

- фазовый с измерением различия фаз на частоте модуляции.

Временной метод. Схема его реализации показана на рис.3.2. Передатчик излучает короткий импульс, который разделяется на два - опорный и направленный на дистанцию. Опорный импульс запускает измерителя временных интервалов, а импульс, который вернулся с дистанции

через время (останавливает счет времени.

Рис.3.2. Схема реализации временного метода

Расстояние исчисляется непосредственно по соотношению (3.1). Измеритель временных интервалов строится по схеме, принцип которой иллюстрируется на рис.3.3. Генератор вырабатывает беспрерывную последовательность гострокінечних отсчетных импульсов с периодом повторения Т_сч. Эти импульсы через электронный ключ поступают на счетчик.

Электронный ключ – это своего рода «ворота», которые могут приоткрываться, пропуская импульсы на счетчик, и закрываться, прекращая счет. Они приоткрываются опорным импульсом излучения (старт-импульс) и закрываются импульсом излучения, который пришел из дистанции (стоп-импульс). Таким образом, электронный ключ оказывается открытое на некоторое время , за которое импульс излучения дважды проходит дистанцию и которое необходимо измерить. Очевидно, что  можно определить по числу m импульсов, подсчитанных счетчиком за это время:  = mТ_сч = m/f_сч, где f_сч – частота прохождения відрахункових импульсов. Но было бы найзручнішим, если бы счетчик показывал сразу величину расстояния, которое измерится. Это можно сделать, если выбрать f_сч численно равной половине скорости распространения излучения (в определенных атмосферных условиях).

Действительно, если в основную формулу для расстояния D = v/2 подставить выражение  = m/f_сч, то получим: D = vm/2f_сч. Если теперь положить f_сч = v/2, то будем иметь D = m, то есть число импульсов, которое показывается счетчиком, будет выражать собой непосредственно расстояние D. (Мы не рассматриваем такие несущественные здесь детали, как вопрос размерности). В полученную величину D вводится поправка за отличие реальной скорости v от «заложенного в прибор» значение.

Поскольку счетчик может считать только целое число импульсов, то возникает ошибка дискретности счета, которая тем меньшая чем меньше Т_сч, то есть чем большая частота прохождения отсчетных импульсов.

Рис.3.3. Принцип построения измерителя временных интервалов

Кроме того, тяжело получить импульсы излучения малой продолжительности с крутым фронтом. Поэтому импульсный метод характеризуется сравнительно большой абсолютной погрешностью. Погрешность при измерении , равняется 10 нс, дает ошибку в расстоянии 1,5 г. Поэтому импульсный метод выгодно использовать для измерения больших расстояний, когда относительная погрешность измерения выходит малой.

Наиболее эффективное применение импульсного метода в оптическом диапазоне для измерения очень больших расстояний, в частности, к ШСЗ, которая и используется в лазерной спутниковой віддалеметрії. Поскольку расстояния большие, то лазерный импульс должен быть очень большой мощности; она тем более, чем меньше продолжительность импульса. Для измерения расстояний к ШСЗ применяются, как уже упоминалось в разделе 2, твердотільні лазеры. Длительное время типичное значение продолжительности импульса составляло приблизительно 10 нс при пиковой мощности до 100 Мвт.

В последнем поколении таких віддалемірів применяются пікосекундні твердотільні лазеры на гранате, которые генерируют оптические импульсы надкороткої продолжительности порядка десятков пікосекунд (1пс = 10-12 с) с пиковой мощностью до нескольких гігаватт (1 Гвт = 109 Вт). За время в 1 пс свет проходит 0, 3 мм, и применение пікосекундних лазеров обеспечивает резкое повышение точности импульсного метода.

Фазовый метод на модулированном излучении. Этот метод используется во всех наземных геодезических и топографических світловіддалемірах и радіовіддалемірах, граница дальности действия которых может лежать в диапазоне от нескольких километров до нескольких десятков километров.

Источник света или радиоволн излучает несущие гармонические колебания вида А sin(t + _о). Но перед выходом излучения на дистанцию какой-нибудь из этих параметров (в світловіддалемірах обычно амплитуда А, которая определяет интенсивность света, а в радіовіддалемірах - частота f) подвергается модуляции по синусоидальному закону с некоторой частотой F, намного меньшей несущей частоты f. То есть, например, в світловіддалемірах интенсивность что выходит на дистанцию света становится то больше, то меньше, и это происходит с частотой модуляции F (см. рис.2.2,а в разделе 2). В световом потоке возникает огинаюча - синусоида частоты F. Фаза этой синусоиды после прохождения светом расстояния 2D (к отражателю и назад) будет отличаться от фазы в момент излучения на величину , которая зависит от времени распространения :

 = 2F = 2F(2D/v). (3.3)

Это различие фаз измерят фазометром, включенным между передатчиком и приемником. С (3.3) вытекает, что искомое расстояние D можно вычислить за формулой:

D = (v/2F)(/2). (3.4)

На рис.3.4 показанная обобщенная схема реализации фазового метода с измерением различия фаз на частоте модуляции F.

Рис.3.4. Функциональная схема фазового віддалеміра

Поскольку фаза – угловая величина, значение которой повторяется через каждое 360 ^об, то есть 2 , то общий фазовый сдвиг  в формуле (3.3) можно представить в виде:

 = 2N +  (3.5)

где N - целое число полных фазовых циклов по 2 , а  - дробовая часть цикла, меньшая 2 . Любой фазометр может измерить различие фаз только в пределах от 0 до 2 , то есть только . Число же N остается неизвестным.

Подставляя (3.5) в (3.4), получаем основное уравнение фазовой віддалеметрії:

D = (v/2F)(N + /2) (3.6)

которое часто записывают в более простом виде:

D = (/2)(N + N), (3.7)

где  = v/F - длина волны модуляции N = /2 - дробь, меньшая единице.

Частоту модуляции F часто называют масштабной частотой, поскольку соответствующая ей длина волны  есть той масштабной мерой, которая «составляется» на расстоянии 2D (или, что то же, половина длины волны составляется на расстоянии D).Число заключений составляет (N+ N), что наглядно видно с формулы (3.7).

В основном уравнении фазовой віддалеметрії два неизвестных: D и N. Такое уравнение не имеет однозначного решения, и возникает так называемая проблема решения неоднозначности (часто используют также срок многозначность) - проблема определения целого числа N.

Решение многозначности в фазовых віддалемірах. В большинстве современных світловіддалемірів и во всех радіовіддалемірах многозначность решают так называемым образом фиксированных частот, при которому в віддалемірі предусматривают несколько точно известных частот модуляции, которые перемыкаются.

При всех вариантах этого образа они основаны на одной и той же идеи: наличие нескольких частот позволяет создать ряд масштабных длин волн, первая с которых отвечает основной (наивысшей) частоте модуляции, а каждая дальнейшая больше в целое число раз. Это число обычно выбирается равным 10, а первая частота в автоматизированных віддалемірах – чаще всего такая, чтобы соответствующая ей напівхвиля составляла (при стандартных метеоумовах) 10 м (частота 15 Мгц), что удобное для создание десятичной системы разрядов (так называемый порозрядний образ). Если напівхвиля _1/2 = 10 м, то следующие значения будут _2/2 = 100 м _3/2 = 1000 м і т.д. Для этих масштабных длин напівхвиль можно записать уравнение вида (3.7) со своими значениями N и (N.

Что же нам дает наличие ряда этих напівхвиль, которые десятиразово увеличиваются? Вещь в том, что при образе фиксированных частот, сколько бы их не было, для решения задачи нужна дополнительное условие – знание приближенного значения дистанции, которая измерится (D_прибл.). Весь вопрос в том, с какой точностью нужно его знать. Если в віддалемірі только одна фиксированная частота (длина волны), то для безошибочного определения числа N надо знать расстояние с ошибкой меньше четверти длины волны. Это выходит непосредственно из уравнения (3.7). Действительно, переписав его в виде

N = (2D/) - N (3.8)

и перешедши к средним квадратичным ошибкам m, получим:

mn = (2/) md. (3.9)

Чтобы целое число N было определено верно, его ошибка должна быть меньше 0,5. Поставивши условие mn  0,5, с (3.9) найдем:

md  (/4). (3.10)

Заведомо знать расстояние с такой точностью (для приведенного выше случая – с ошибкой меньше 2,5 м) – невыполнимое требование даже при наличии крупномасштабныхкарт. Создание же указанного выше ряда длин волн дает возможность знать D_{прибл .} намного грубее. Каждая степень снижает требования к точности знания D_{прибл .} в 10 раз, и в результате его требуется знать с ошибкой менее четверти самой большой длины волны. Если она составляет, скажем,20 000 м (напівхвиля 10 000 м), то допустимая ошибка должна быть менее  2,5 км; другими словами, надо знать, сколько целых 5– километровых отрезков содержится в расстоянии, которое измеряется.

Составивши для каждой с на полуволн, которые увеличиваются в 10 раз уравнения вида (3.7) и добавивши к ним уравнение D = D_прибл., мы получаем однозначно решаемую систему. Поскольку в этих уравнениях числа N на каждом степени показывают соответствующее количество десятиметровых, стометровых, тисячаметрових и т.д. отрезков, которые составляются на измеренной дистанции, то обработка измерений, выполненных на всех частотах, сводится просто к определению десятичных разрядов в значении расстояния без вычисления самых чисел N. При этом найточніший разряд и его частицы определяют на первой частоте.

В некоторых світловіддалемірах многозначность решают другим методом – образом плавного изменения частоты модуляции. В этом образе в ручную или автоматически подбирают две (или несколько) такие частоты, при которых в расстоянии составляется целое число N напівхвиль модуляции (разное для этих частот), то есть в уравнениях вида (3.7) N = 0, и эти частоты измерят. При этом в віддалемірі предусматривают устройство, которое позволяет фиксировать моменты, когда N = 0, и, итак, просчитать различие чисел N для этих частот. Знавая это различие и самые частоты, можно легко вычислить и целые числа N, то есть решить многозначность.

Образ плавного изменения частоты не требует знания приближенного расстояния, но при этом нельзя измерить расстояние, меньшее определенной границы. Эта граница равняется

Dmin = v/F (3.11)

где v – скорость света, F – максимальный диапазон изменения частоты модуляции.

Фазовый метод на несущей частоте. При этом методе работают на не модулированном излучении, измеряя различие фаз излучаемых и принятых электромагнитных волн. Фазовые измерения на не очень высокой несущей частоте, которые отвечают диапазону длинных и средних радиоволн, часто используются в радіогеодезичних системах (РГС), предназначенных для определения координат подвижных объектов на море, на земле и в воздухе (кораблей, самолетов, автотранспортных средств); однако в данное время РГС в значительной мере вытесненные спутниковыми системами. Фазовый метод на несущей частоте в оптическом диапазоне называется интерференционным, потому что он основан на непосредственной регистрации результатаинтерференции двух световых пучков. Этот метод будет рассмотрен в дальнейшем.

 

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

 

1. В чем суть запитьевого и беззапитного метода?

2. Какая физическая суть всех методов измерения?

3. Что такое временный метод?

4. Что такое образ фиксированных частот?

5. Где используют образ плавного изменения частот модуляции?

 

Світловіддалеміри

О свете и радіовіддалеміри. В світловіддалемірів радіовіддалемірів длина волны модуляции может лежать в диапазоне от 0,6 м до 20 м, что отвечает частоте F от 500 Мгц до 15 Мгц. Чем больше F, тем точнее віддалемір. Несущая же частота f намного выше, чем F, и, соответственно, длина волны несущей v/f намного меньше длину волны модуляции v/F.

Несущая волна большинства радіовіддалемірів составляет 3см (f=10000МГц=1010Гц), а в світловіддалемірах длина волны несущей - это длина волны света, которая, например, при использовании неоновый^-неонового-гелий-неонового (Не-Nе) лазера равняется 0,63 мкм. Это красный свет с частотой f  5·1014 Гц.

Таким образом, с принципиальной точки зрения світловіддалеміри и радіовіддалеміри отличаются лишь длиной волны несущих колебаний - в радіовіддалемірах она на 4-5 порядков больше, чем в світловіддалемірах. Но такое отличие всего лишь в одном параметре приводит к резкому отличию этих приборов в схемных и конструктивных отношениях, поскольку для оптических волн и радиоволн применяются абсолютно разные методы передачи, модуляции и приема.

В данное время геодезические радіовіддалеміри не выпускаются и представляют лишь исторический интерес (см. Введение).

Фазовые світловіддалеміри. На рис.3.5 показанная обобщенная блок-схема фазового світловіддалеміра. Излучаемое источником свет пропускается через модулятор, управляемый генератором модулюючої частоты F. Как модулятор в последнее время чаще всего применяется электрооптический модулятор Поккельса, работа которого основана на линейном электрооптическом эффекте (эффекте Поккельса).

Рис.3.5. Обобщенная блок-схема фазового світловіддалеміра

Теория эффекта связана с кристалооптикою и довольно сложная; здесь следует отметить лишь, что модулятор является кристаллом в форме параллелепипеда, к верхней и нижней граням которого приложенное напряжение от генератора. Поляризованный свет, который входит в торец кристалла линейно превращается в выходе из кристалла в свет с эллиптической поляризацией, у которого вид эллипса под действием сменной модулюючої напряжения от генератора периодически меняется (см. таблицу 2.1) с частотой F, то есть свет модулируется за поляризацией. Такую поляризационную модуляцию потом превратят в амплитудную, то есть модуляцию света по интенсивности, поставивши на пути светового пучка поляризатор (который в этом случае называют анализатором), ось пропуска которого перпендикулярная направлению поляризации, которая входит в кристалл излучения.

С помощью передаючої оптической системы модулированный свет направляется на отражатель, установленный в конечной точке линии, которая измерится. Как отражатель обычно используются угловые призмы (одна или несколько в едином блоке), которые владеют тем замечательным свойством, что свет отображается в том же направлении даже при развороте призмы до 30^о. Часть отображенного света поступает в приемочную оптическую систему и направляется на приймально-фазометричний устройство, основными компонентами которого является фотоприемник (приемник света) и фазометр.

Как фотоприемник используется фотодиод или фотоэлектронный помножувач (ФЕП), преобразующий свет в электрический сигнал, который поступает на один вход фазометра. На второй вход фазометра подается сигнал от генератора масштабной частоты, который служит опорным сигналом. Фазометр измерит различие фаз между опорным сигналом и тем, что пришел из дистанции. В современных світловіддалемірах используется цифровой фазометр.

Идея цифровых (дискретных) фазовых измерений заключается в том, что искомое различие фаз превратится в соответствующий интервал времени, которое потом измеряется путем подсчета числа импульсов (с известным периодом повторения) за этот интервал.

Рис.3.6. Принцип построения гетеродинной схемы світловіддалеміра

По сути дела, здесь используется тот же принцип, который и во временном (импульсному) методе віддалеметрії (см. рис.3.3), но с некоторыми существенными отличиями. Во-первых, опорный сигнал и сигнал из дистанции синусоидальные, и с них формируются прямоугольные импульсы; электронный ключ приоткрывается передним фронтом импульса опорного сигнала и закрывается передним фронтом импульса дистанционного сигнала. Во-вторых, поскольку различие фаз двух синусоидальных сигналов может быть найденная только в пределах от 0 до 2  (величина  в формуле (3.5)), интервал времени между старт - и стоп-импульсом равняется не полному времени распространения , а дробовой части  периода колебаний той частоты, на которой работает фазометр. Другими словами, электронный ключ окажется открытым на некоторое время , связанный с измеренным различием фаз , соотношением  = 2F_ф, где F_ф - частота сигналов, которые поступают на фазометр. Эта частота обычно намного ниже за частоту модуляции F, что производится генератором масштабных частот, и образовывается в результате гетеродинування, для чего в схему вводится гетеродин (см. рис.2.3, где низкая частота обозначена через f). Такую схему называют гетеродинной схемой. Принцип ее построения показан на рис.3.6.

В опорном канале частоты генератора и гетеродина смешиваются в радиотехническом смесителе См, а в сигнальном канале функцию смесителя выполняет фотоприемник, на который поступает частота от гетеродина и свет, модулированный с частотой генератора. Напомним, что при гетеродинуванні фазовые соотношения не меняются, и потому значения  на низкой разностной частоте F_ф остается таким же, как и на частоте модуляции F.

Чтобы результат измерений был получен в виде расстояния, частота счетных импульсов, как и при временном методе, выбирается численно равной половине скорости света при определенных условиях (с дальнейшим введением поправки на реальные условия измерений). Для обеспечения десятичной системы отсчета частота счетных импульсов f_сч должна быть связана с частотой F_ф, что поступают на фазометр сигналов соотношениям

f_сч = 10^k F_ф, (3.12)

где k – целое число. Обычно k = 3, что обеспечивает точность результата до 0,001 от масштабной единицы длины, то есть от половины длины волны модуляции. При типичной частоте модуляции близко 15 Мгц (/2 = 10 м) это дает 1 см. Для повышения точности проводится не однократное, а многократное измерение различия фаз (например, 1000 отдельных измерений, которые наступают один за одним на протяжении приблизительно 10с), и результаты измерений усереднюються. Усредненный по многих измерениях результат выдается на электронное цифровое табло на один разряд точнее, то есть окончательная точность выходит 0,0001 от /2 (в приведенном выше примере – 1 мм).

Через нестабильность электронных компонентов фазовый сдвиг сигналов за время измерений может меняться на значительную величину. Влияние этого фазового дрейфа может компенсироваться введением в схему линии «оптического короткого замыкания» (ОКЗ), показанной на рис.3.6 пунктиром. По линии ОКЗ свет направляется сразу на приемник, прошедши дистанцию. Линия ОКЗ есть своего рода «внутренней дистанцией», встроенной в прибор, и потому может быть измеренная таким же чином, как и «внешняя дистанция». В приборе предусмотренная возможность переключения света на отражатель и на линию ОКЗ. Поскольку измерение «внешней и «внутренней» дистанций» проводится одной и той же аппаратурой, различие измерений на отражатель и на линию ОКЗ будет свободной от влияния фазового дрейфа при условии, что эти измерения следуют достаточно быстро один за одним. В современных автоматизированных приборах быстрое дежурство измерений часто осуществляется с помощью того, что оборачивается обтюратор – заслонка с отверстием, которое открывает путь светлую попеременно на отражатель и на линию ОКЗ.

Как источник излучения применяется, за редчайшим исключением, или газовый лазер на смеси гелий-неон (Не-Ne), излучаемый в видимой области спектру (красный свет с длиной волны 0,63 мкм), или полупроводниковый лазер (а раньше – и світлодіод) на арсениде галлия (Gaas), излучаемый в ближний инфракрасной области (длина волны лежит в диапазоне 0,8 –

1,2 мкм). При использовании полупроводниковых излучателей не требуется внешнего модулятора (осуществляется внутренняя модуляция, см. подраздел «Лазеры» в разделе 2 ).

Чем больше частота модуляции света, тем выше точность віддалеміра. Поэтому в прецизионных світловіддалемірах модуляция осуществляется на НВЧ (сверхвысоких частотах) – частотах больше 300 Мгц. В віддалемірах щонайвищої точности применяется Не-Ne лазер и внешний модулятор, но главное заключается в том, что используется другой тип схемы, в которой свет, прежде чем попасть на фотоприемник, проходит через демодулятор – устройство, аналогичное модулятору, и фазовые измерения проводятся на высокой частоте модуляции (без гетеродинування). На модулятор и демодулятор подается один и тот же сигнал от генератора, и такая схема называется схемой с синхронной демодуляцией. При этом найдосконалішим вариантом есть такой, когда модуляция и демодуляция осуществляется в одном и потому же устройства, которая служит модулятором при передачи и демодулятором при приеме (модем – модулятор-демодулятор).

Такая модификация иллюстрируется на рис.3.7. Свет от лазера проходит через полупрозрачное зеркало ПО, модулируется и направляется на дистанцию. Свет, который вернулся от отражателя проходит через ту же оптическую систему, модем, и, частично отобразившись от полупрозрачного зеркала, поступает в приемо-индикаторную часть віддалеміра. В теории показывается, что среднее чем период модуляции значения интенсивности света, который дважды прошел через модем (туда и назад) и что поступает на приемник, становится равным нулю, если подлежащий измерению фазовый сдвиг  = 2N +  привести к значению =2N (при которому, в измеренной дистанции, составляется целое число напівхвиль модуляции). Это приведения можно осуществить или изменением частоты модуляции F, или изменением расстояния D, вводя в схему оптическую линию задержки (ОЛЗ) сменной длины.

Рис.3.7. Принцип построения схемы с синхронной демодуляцией и совмещенными приемочным и передаючим трактами

Зафиксировав условие  = 2N (ее называют цілочисельною условием) по моменту нулевой интенсивности света и измеривши в этот момент частоту F или изменение расстояния (величину d, отсчитываемую по ОЛЗ), можно вычислить длину дистанции, которая измерится, за соотношениями:

в первом случае (при частоте F, что измерится)

D = (v/2F)N = (/2)N (3.13)

во второму случая (при фиксированной частоте F)

D = (v/2F)N – d = (/2)N – d (3.14)

В рассмотренной схеме не требуется линии оптического короткого замыкания (ОКЗ).

Импульсно-фазовые світловіддалеміри. Чисто импульсный (временной) метод измерения расстояний (его можно назвать моноімпульсним, поскольку для определения расстояния достаточно одного импульса излучения), как уже подчеркивалось выше, не получил распространения в наземной геодезії через него недостаточно высокую точность, и применяется в лазерных віддалемірах, предназначенных для измерения очень больших расстояний (к ШСЗ, к Луне). Эти віддалеміри являются импульсными за энергетическими соображениями; в них используются могущественные импульсные лазеры, а относительная ошибка измерений небольшая через значительное расстояние.

Однако импульсный режим работы имеет преимущество в том отношении, которое при одинаковой средней мощности излучения импульсные віддалеміри для наземных измерений имеют большую дальность действия, чем фазовые віддалеміри с беспрерывным излучением. Поэтому определенное внимание предоставлено разработке світловіддалемірів, объединяя импульсный режим излучения, которое дает повышенную дальность действия, с фазовым методом измерений, который дает высокую точность. Такие віддалеміри получили название импульсно-фазовых.

В импульсно-фазовом віддалемірі, кроме оптимизации по дальности и точности, появляется также возможность решение проблемы неоднозначности, що присущий фазовому методу, не применением нескольких частот модуляции, а шляхом приближенного измерения расстояний чисто импульсным методом.

Не удаваясь в детальное рассмотрение импульсно-фазовой віддалеметрії, укажем лишь, що возможные два основных образа осуществление импульсно-фазовых світловіддалемірів. Первый образ состоит в модуляции импульсов излучения высокочастотным сигналом и измерении сдвига фазы модуляции, как в фазовых віддалемірах. Второй образ – использование гармонических составляющих импульсного сигнала, который позволяет обойтись без дополнительной модуляции. Сжато объясним, что здесь имеется в виду. Импульсный сигнал, который имеет достаточно стабильную частоту повторения, можно по теореме Фурье представить в виде суммы гармонических составляющих – спектру гармоник, кратных частоте повторения импульсов (см. раздел 2, подраздел «Электромагнитные колебания и волны», п. 4). Спектр периодической последовательности импульсов дается выражением

(3.15)

где Аn – амплитуда _n – начальная фаза n- ой гармоники. При прохождении расстояния, которое измерится, каждая гармоника приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный n(2D/v), где n – номер гармоники. Таким образом, выделивши определенную гармонику из спектру импульсного сигнала в приемочном устройстве віддалеміра, можно осуществить на ней фазовые измерения. Расстояние будет получено тем точнее, чем выше номер гармоники, то есть больше измерительная частота, однако необходимо учитывать, что с увеличением номера гармоники уменьшается ее амплитуда.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. На чем основанная работа электрооптического модулятора Паккельса?

2. Где используют цифровой фазометр? Какая главная его идея?

3. Что называют гетеродинной схемой?

4. От чего зависит появление «оптического короткого замыкания»?

5. Что используется в качестве источника излучения?

6. Которые существуют образа реализации импульсно-фазовых світлодальномерів?