Светодальномер — геодезический прибор, позволяющий с высокой точностью (до нескольких миллиметров) измерять расстояния в десятки (иногда в сотни) километров.

Так, например, светодальномером измерено расстояние от Земли до Луны с точностью до нескольких сантиметров (см. Применение лазеров ).

Расстояния измеряют по разности фаз излучаемого и принятого луча, модулируя свет разными частотами (фазовые светодальномеры) или по времени прохождения лучом измеряемого расстояния (импульсные светодальномеры).

Конструкция

Светодальномеры состоят из:

• приёмопередатчика;
• отражателя;

Отражатель

Отражатель может быть призменным или зеркально-линзовым. Чаще всего используется призменный отражатель, состоящий из различного числа уголковых призм ( трипельпризм ), смонтированных в общем корпусе. Устанавливается в конце измеряемой линии.

Приёмопередатчик

Приёмопередатчик фазового светодальномера состоит в общем случае из следующих элементов: источника излучения, модулятора излучения, генератора модулирующей (масштабной) частоты, передающей и приёмной оптических систем и приемно-фазометрической части, включающей в себя приёмник излучения, аналоговый или цифровой фазометр и оконечное индикаторное устройство. В качестве источника излучения используются, за редким исключением, либо газовый лазер на смеси гелий неон (Не Ne), излучающий в красной области спектра (длина волны излучения А,= =0,63 мкм), либо светодиод на арсениде галлия (GaAs), излучающий в ИК области (А,=0,9 мкм)[8].

В дальномерах с лазерами в качестве модулятора применяется ячейка Поккельса на кристалле типа KDP или ячейка Керра с нитробензолом . В дальномерах со светодиодами используется внутренняя модуляция излучения. Приёмником излучения обычно служит либо фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), либо, реже, фотодиод: По типу схемы светодальномеры подразделяются на две группы:

1) светодальномеры, в которых фазовое сравнение опорного и отражённого сигналов происходит на высокой частоте модуляции света, и

2) гетеродинные светодальномеры, в которых фазовое сравнение переносится на низкую частоту, образуемую в результате смешения частоты модуляции и частоты вспомогательного генератора ( гетеродина ) в опорном и сигнальном каналах.

Неоднозначность в современных приборах разрешается, в подавляющем большинстве случаев, введением набора нескольких фиксированных частот модуляции света. Для исключения в процессе измерений влияния нестабильности постоянной поправки прибора предусматривается линия оптического короткого замыкания (ОКЗ).

Фазовые измерения производятся либо аналоговым (компенсационным), либо цифровым методом. В последнем случае измерения могут быть автоматизированы вплоть до выдачи результата на электронное цифровое табло и на внешний накопитель данных ( перфоленту , магнитный носитель и др.). В новейших приборах задачи управления, вычисления и контроля решаются с помощью микропроцессоров или микро-ЭВМ. Они предназначаются для измерения сторон в государственных геодезических сетях, а также базисов космической триангуляции и триангуляции высших классов.

Повышение мощности излучателя привело к возможности получения устойчивого отражённого сигнала от диффузной поверхности, что даёт возможность измерять расстояние без использования отражателя. В свою очередь это приводит к экономии временных затрат.

Виды дальномеров

Светодальномеры малой дальности действия, при помощи которых можно измерять расстояния до нескольких километров (до 1 3) с ошибкой 2 см. Они предназначаются для измерения расстояний в геодезических сетях сгущения и для выполнения топографических съёмок. В отдельных случаях дальность действия приборов этой группы может превышать указанный предел, достигая 10 15 км. Светодальномеры повышенной и наивысшей точности для коротких расстояний, при помощи которых можно измерять расстояния 0 1 3 км с ошибкой 2 мм и менее.

Они предназначены для прецизионного измерения расстояний при решении различных задач прикладной геодезии, в маркшейдерских работах и измерениях специального назначения. В СССР в соответствии с ГОСТ 19223 82 указанным группам светодальномеров приданы соответствующие буквенные индексы: Г (геодезические), Т (топографические), П (применяемые в прикладной геодезии ). Эти буквы добавляются к букве С, обозначающей слово «светодальномер», после чего указываются цифры, обозначающие дальность действия прибора. Например, СТ-3 означает: светодальномер топографический с дальностью действия 3 км.

Светодальномеры второй группы (топографические) часто выполняются в виде совмещаемых приборов. Это означает, что они могут использоваться не только как автономные светодальномеры, но и как дальномерные насадки на теодолит, придавая полученной комбинации приборов функции электронного тахеометра . В этом случае к буквенно-цифровому обозначению добавляется буква Н (насадка). Маркшейдерское исполнение прибора обозначается дополнительной буквой М. Отдельную категорию приборов составляют электронные тахеометры неразъёмной конструкции.

Геодезические светодальномеры: светодальномер «Гранат»: лазерный дальномер «Гранат», разработанный в ЦНИИГАиК , модернизированный вариант более раннего дальномера «Кварц». Отличается от «Кварца» меньшими габаритами и массой, меньшей потребляемой мощностью вследствие применения транзисторов вместо ламп. Несколько меньший диаметр оптики снизил дальность действия до 20 км вместо 30 (у дальномера «Кварц» в дневное время).

Принцип работы

Излучение от лазера направляется в модулятор ( и поляроид-анализатор ) и при помощи оптической системы посылается на удалённый отражатель. Приёмная оптическая система собирает часть отражённого потока и фокусирует его на катоде фото умножителя. Перед ФЭУ установлен серый клин (ослабитель светового потока) СК и узкополосный интерференционный оптический фильтр ИФ.

Предусмотрена возможность визуального наблюдения света через окуляр ОК. В приборе имеется линия оптического короткого замыкания (ОКЗ), в которую можно направить свет при помощи переключателя ОТ Р ОКЗ. Электронная часть дальномера выполнена по гетеродинной схеме с преобразованием частоты в ФЭУ . Модулирующая частота fM от генератора подаётся на модулятор света и одновременно на смеситель, где смешивается с частотой fr от гетеродина, образуя опорный сигнал низкой разностной частоты Д =5 кГц, выделяемой и подаваемой на один вход фазового детектора .

На второй вход фазового детектора подаётся сигнал той же разностной частоты Af, образуемой смешением частот м и г в ФЭУ (частота г подаётся на внешний электрод фотоумножителя, принимающего свет, модулированный частотой fM) и выделяемой вторым резонансным усилителем. Стрелочный на выходе фазового детектора показывает нуль, когда разность фаз в опорном и сигнальном каналах приведена к 90° или 270°. Это приведение осуществляется фазовращателем , по шкале которого снимается отсчёт.

Дальномер имеет четыре частоты модуляции, выбранных так, чтобы реализовать поразрядный способ определения полного расстояния. Значение первой частоты таково, что вся шкала фазовращателя соответствует 5 м при стандартных условиях (температуре 0°С и давлении 760 тор в сухом воздухе). Поэтому измерения на всех четырёх частотах позволяют однозначно получить расстояние в пределах 5 км; число полных 5-км отрезков определяют по приближенному значению расстояния, которое надо знать с ошибкой не более ±2,5 км. Эти отсчёты позволяют получить последовательные десятичные разряды в удвоенном значении расстояния.

Деля результат на 2, получают полное измеряемое расстояние (в пределах ,5 км), которое оказывается определённым с точностью до 1 см («грубые» измерения). Уточнение последнего разряда (до 1 мм) выполняют двумя приёмами измерений на одной первой частоте («точные» измерения). Один приём точных измерений включает в себя отсчёты при работе на отражатель и на ОКЗ при каждом из четырёх положений переключателя фазы, сдвигающего фазу опорного сигнала скачками на 90° для ослабления циклической ошибки фазовращателя[8].

Электрооптический дальномер

Электрооптический дальномер, прибор для измерения расстояний по времени прохождения измеряемого расстояния электромагнитными волнами оптического или инфракрасного диапазонов. Электрооптические дальномеры делятся на импульсные и фазовые (в зависимости от того, каким способом определяют время прохождения световым импульсом расстояния до объекта и обратно). Электрооптические дальномеры первого вида измеряют расстояние по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, приходящего от отражателя, установленного на конце измеряемой линии, второго вида — по разности фаз посылаемого синусоидально модулированного излучения и принятого. Наибольшее распространение получили фазовые электрооптические дальномеры. Источниками света ранее служили лампы накаливания (3— 30 вт) и газосветные лампы (50—100 вт), ныне — газовые и полупроводниковые оптические квантовые генераторы (ОКГ). В электрооптических дальномерах обычно применяют амплитудную модуляцию с частотами в 10—80 МГц, при которой разности фаз в 1° соответствует изменение расстояния менее, чем на 1 см. Конструктивно модулятор и демодулятор одинаковы, их действие основано на использовании Керра эффекта или Поккельса эффекта . Модулирующее световой поток переменное напряжение вырабатывает генератор масштабной частоты, называется так потому, что соответствующая ей длина волны определяет масштаб перевода разности фаз в расстояния. Промодулированный свет линзовой или зеркально-линзовой оптической системой формируется в узконаправленный пучок, посылаемый на отражатель. Отражённый свет фокусируется на демодулятор оптической системой, аналогичной передающей. Регистрируемая индикатором разности фаз интенсивность на выходе демодулятора зависит от соотношения фаз в принятом световом сигнале и в управляющем демодулятором напряжении; фазовращатель позволяет установить заданное соотношение и отсчитать полученную разность фаз, по которой и вычисляется расстояние. Индикатором разности фаз может служить глаз наблюдателя (электрооптические дальномеры с визуальной индикацией) или фотоэлектрическое устройство со стрелочным прибором на выходе[4,8].

Дальность действия электрооптических дальномеров доходит до 50 км, средняя квадратическая погрешность составляет ± (1+0,2^Д км) см, где Д — расстояние, масса комплекта 30—150 кг, потребляемая мощность 5—150 вт.

См. также

• Лазерный дальномер

Ссылки