Генике A.A., Афанасьев А.М. Геодезические свето-и радиодальномеры

Подождите немного. Документ загружается.

дулирующего напряжения изменяется с удвоенной частотой, а

из-за повышенной кривизны выбранного участка возникают

нелинейные искажения формы «огибающей» модулированного

лучистого потока. Кроме того, из закономерности изменения

модуляционной характеристики вблизи начала координат вид

но, что лучистый поток на выходе из модулятора имеет не

большую величину, в результате чего дальность действия даль*

номера существенно уменьшается. В связи с этим рассмотрен

ный режим работы модулятора находит применение в свето-

дальномерах, предназначенных для измерения линий неболь

шой длины.

Следует заметить, что анализируемый продольный электро-

оптический эффект чаще всего используется для управления

лучистым потоком с достаточно высокой частотой (более

100 МГц). При применении таких высоких частот электроопти-

ческий кристалл помещают в объемный резонатор (рис. 48),

в котором с помощью генератора модулирующих колебаний

возбуждается стоячая электромагнитная волна, создающая в

месте расположения кристалла необходимую напряженность

поля. При таком техническом решении возникают принципиаль

ные трудности, связанные с приложением к кристаллу постоян

ного напряжения смещения. Поэтому в тех случаях, когда от

меченное выше удвоение частоты модуляции лучистого потока

нежелательно, используют другой метод смещения рабочей

точки на середину линейного участка модуляционной характе

ристики (рис. см. 47, а).

Сущность этого метода состоит в том, что необходимую по

стоянную разность фаз Аф0 между двумя распространяющими

ся в кристалле компонентами световой волны, равную я/2 , по

лучают не за счет внешнего электрического поля, а оптическим

путем посредством установки перед электрооптическим кри

сталлом на пути прохождения света специального оптического

фазовращателя.

Обычно такой фазовращатель изготавливают из тонких

пластинок слюды, которая имеет кристаллическую структуру и

обладает свойством двойного лучепреломления. Толщина пла

стинок подбирается такой, чтобы разность фаз между двумя

ортогональными составляющими расщепленного луча была рав

на я/2 , что соответствует разности оптических путей, равной

Я/4. Исходя из этого, отмеченное устройство получило название

четвертьволновой пластинки.

Практическая реализация метода смещения рабочей точки

за счет использования четвертьволновой пластинки имеет не

сомненные преимущества перед ранее рассмотренным методом,

предусматривающим использование высоковольтных источни

ков постоянного напряжения. Однако необходимость применег

ния достаточно высоких переменных модулирующих напряже

ний остается. Для примера заметим, что применительно к кри-

Рис. 49. Схема кристаллического модулятора, базирующегося на поперечном

эффекте Поккельса:

/ — четвертьволновая пластинка; 2 — электроды; 3 — электрооптический кристалл; 4 —

анализатор

сталлам K.DP, у которых при реализации продольного электро

оптического эффекта Uk/2^8,7 кВ, переменное модулирующее

напряжение с амплитудой 430 В обеспечивает глубину моду

ляции на линейном участке модуляционной характеристики,

равную всего 16%.

Существенное уменьшение полуволнового напряжения мо

жет быть достигнуто за счет применения в кристаллических

модуляторах поперечного электрооптического эффекта.

Характерная особенность данного эффекта состоит в том,

что направление света и ориентация электрического поля,

обусловленного приложенным к кристаллу электрическим на

пряжением, взаимно перпендикулярны. На рис. 49 приведена

схема, поясняющая работу такого модулятора. Через I и d на

рисунке обозначены размеры кристалла; Е г — напряженность

электрического поля по оси г, создаваемая за счет приложения

к кристаллу напряжения и.

Показатель преломления для луча, электрический вектор

которого ориентирован вдоль оси х, зависит от величины элек

трического поля и определяется для кристаллов типа ADP и

KDP соотношением, аналогичным формуле (101):

nx = n0( l — kEz), (105)

где по — показатель преломления кристалла по оси х при от-

сутствии внешнего электрического поля; E z=\J/d— напряжен

ность электрического поля в кристалле по оси z\ d — толщи

на кристалла в направлении поля; k — коэффициент пропорци

ональности.

В то же время показатель преломления для другого луча,,

плоскость поляризации которого совпадает с направлением оси

z, не зависит от величины напряженности электрического поля:

пг = пе, (106)

где пе — показатель преломления кристалла по оси г.

Если на входе модулятора установить четвертьволновую'

пластинку (см. рис. 49), то разность фаз между компонентами,,

ориентированными по осям лиге учетом постоянного фазово

го сдвига, вносимого четвертьволновой пластинкой и равного

п/2, будет

Аф = Дср0 + я cos at, (107)

где Дф0= + По).

Количественная оценка значений Ux/2, полученных для про

дольного и поперечного эффектов, свидетельствует о том, что

при поперечном электрооптическом эффекте ту же глубину

модуляции можно получить при значении модулирующего на

пряжения в //(2d) раз меньшем, чем при продольном эффекте,,

что является несомненным преимуществом поперечного электро-

оптического эффекта. В то же время наличие второго сла

гаемого у параметра Дф0, обусловленного естественной анизо

тропией кристалла, значительно снижает стабильность работы

модулятора при изменении внешних условий (в частности, при

изменении температуры окружающей среды), а также при не

значительных изменениях длины волны несущих колебаний.

Расчеты показывают, что для кристалла KDP длиной

10 мм изменения температуры на 1 °С вызывают при попереч

ном эффекте изменения постоянного фазового сдвига Дфо на

величину около 70°. Следствием таких изменений являются

значительные смещения рабочей точки на модуляционной ха

рактеристике (см. рис. 47, а) и связанные с ними искажения:

формы «огибающей» несущих колебаний.

Для борьбы с нежелательными явлениями используют сис

тему из двух идентичных кристаллов, расположенных на одной

оси и повернутых вокруг этой оси относительно друг друга на

90°.

Обобщая изложенные выше особенности работы кристалли

ческих модуляторов света, необходимо отметить, что несомнен

ным достоинством рассмотренных модуляторов являются такие

качества, как высокая прозрачность в видимой и ближней ин

фракрасной областях оптического диапазона, а также их мала»

инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию светз

с частотой до 10 ГГц и более. Вместе с тем кристаллам ADP

и KDP свойственны такие недостатки, как невысокая механи

ческая прочность и гигроскопичность, причем следствием по

следнего недостатка является ухудшение оптических свойств

кристалла при попадании на его грани влаги. Поэтому при

эксплуатации приходится создавать условия, исключающие

возможность воздействия на них атмосферной влаги.

В этом отношении более перспективны твердотельные моду

ляторы света, у которых в качестве электрооптических элемен

тов используются негигроскопичные кристаллы ниобата ли

тия. Последние в отличие от ADP и KDP относятся к другому

классу кристаллов, получивших название сегнетоэлектриков.

Помимо достаточно высокой механической прочности и негиг-

роскопичности к положительным качествам этих кристаллов

следует отнести также существенно меньшее значение полувол

нового напряжения, что позволяет получить требуемую глуби

ну модуляции светового потока при меньших значениях моду

лирующего напряжения.

Наряду с твердотельными модуляторами оптического излу

чения в светодальномерах находят применение и жидкостные

модуляторы, получившие название ячеек Керра.

Принцип действия таких модуляторов также основан на

использовании явления двойного лучепреломления с квадра

тичным электрооптическим эффектом (эффектом Керра). В от

сутствие электрического поля жидкости, как правило, пред

ставляют собой аморфную среду. Однако при наличии поля от

дельные жидкости приобретают свойства одноосных кристал

лов. При этом жидкость становится анизотропной средой, в ко

торой скорость распространения света зависит от положения

плоскости поляризации относительно направления напряжен

ности электрического поля.

Наиболее ярко анизотропные свойства выражены в химиче

ски чистом нитробензоле, представляющем собой летучую жид

кость, которая в больших концентрациях ядовита. Температу

ра кипения нитробензола + 210 °С, а затвердевания +5°С.

В жидкостных модуляторах света нитробензолом заполня

ется стеклянная кювета с вваренными в нее электродами. Вся

эта конструкция получила название конденсатора Керра

(рис. 50).

Так же как и в твердотельных модуляторах, с помощью

оптического элемента, в котором наблюдается явление двойно

го лучепреломления, удается реализовать фазовую модуляцию

проходящего через конденсатор Керра лучистого потока, для

чего к электродам этого конденсатора подводится напряжение,

определяемое формулой (1 0 2 ), т. е. состоящее из постоянного

напряжения смещения U 0 и переменного модулирующего на

пряжения с амплитудой U m и частотой и.

Плоскополяризованный свет

от источника оптического излу

чения пропускается между элект

родами конденсатора Керра (рис.

51), причем плоскость поляри

зации света ориентируется под

углом 45° к направлению элект

рического поля. Если в дальноме

ре используется источник непо-

ляризованного излучения, та

перед конденсатором Керра уста

навливается поляризатор. При

прохождении через нитробензол,

находящийся под воздействием

электрического поля, компонен

ты световой волны, ориентиро

ванные соответственно по на

правлению электрического поля

и перпендикулярно к нему, т. е.

по осям у и г, получают различ

ные фазовые задержки.

Разность фаз между компонентами на выходе конденсатора

Керра определяется при этом следующим соотношением:

Рис. 50. Схема конденсатора

Керра:

/ — стеклянная колба; 2 — нитробензол;

3 — электроды; 4 — выводы электродов

Дср = 2 яВ 1Е 2 = - ^ ~ ы2 (108)

где В — постоянная Керра, характеризующая электрооптиче-

ские свойства нитробензола на заданной длине волны оптиче

ского излучения; I — длина активного пути в конденсаторе

Керра, практически равная длине электродов по ходу луча

света; E = uld — напряженность электрического поля; и — ве

личина приложенного к конденсатору Керра напряжения; d —

расстояние между электродами.

Введя обозначение £Л/ 2=:^4==- уравнение (108) с учетом со

отношения (1 0 2 ) принимает вид

Дф = я

Я/2

ИЯ,/2

(109)

где Uх/2 — полуволновое напряжение, при котором разность

фаз Д ф между оптическими компонентами равна я.

Сопоставление формул (103) и (109) свидетельствует об

упомянутом выше различии между эффектами Поккельса и

Керра, состоящем в том, что в первом случае интересующая

нас разность фаз пропорциональна первой степени приложен

ного напряжения, а во втором — квадрату этого напряжения.

Как уже отмечалось выше, в современных светодальноме-

рах чаще всего используется амплитудная модуляция света.

Свет

Модулированное

оптическое

излучение

Рис. 51. Схема ячейки Керра:

1 — поляризатор; 2 — конденсатор Керра; 3 — анализатор

Преобразование фазовой модуляции в амплитудную осуществ

ляется так же, как и в твердотельных модуляторах с помощью-

устанавливаемого после конденсатора Керра анализатора све

та (см. рис. 51), плоскость поляризации которого ориентирова

на под углом 90° по отношению к плоскости поляризации вхо

дящего в конденсатор Керра оптического излучения. Совокуп

ность конденсатора Керра с анализатором (а в отдельных

случаях и с поляризатором) получила название ячейки Керра.

Величина лучистого потока на выходе из ячейки Керра опре

деляется соотношением

Последняя зависимость Ф = ф(и) представляет собой моду

ляционную характеристику ячейки Керра. Графический вид.

этой характеристики показан на рис. 52. Ее отличительная осо

бенность от модуляционной характеристики твердотельных

кристаллических модуляторов света (см. рис. 47) состоит в

том, что из-за квадратичной зависимости между приложенным

к ячейке Керра напряжением U и разностью фаз Дф, которую

приобретают ортогональные компоненты световой волны, ис

кривления характеристической кривой более значительны.

Вследствие этого форма «огибающей» оптического излучения

подвержена более значительным искажениям.

Одним из наиболее существенных недостатков жидкостных

модуляторов рассматриваемого типа являются высокие полу

® = ® msin24 ^ = ® msin2

волновые напряжения, кото

рые при практически исполь

зуемых конструкциях конден

саторов Керра составляют

величину в несколько кило

вольт, что, в свою очередь,

обусловливает необходимость

использования высоких моду

лирующих напряжений.

Инерционность электрооп-

тического эффекта в нитробен

золе сравнительно мала.

В светодальномерах ячейки

Керра с успехом используют

для модуляции света с часто

той до 50 МГц. Прозрачность

нитробензола существенно

Рис. 52. Модуляционная характеры- зависит от степени его очист

ную прозрачность в диапазоне длин колебаний оптического

диапазона от 0,45 до 1,1 мкм. Потребляемая конденсатором

Керра мощность от модулирующего генератора составляет ве

личину, равную нескольким ваттам. Несмотря на то что нит

робензол затвердевает при температуре +5°С, светодальноме

ры с такими модуляторами могут работать и при более низких

температурах окружающей среды. Такая возможность обус

ловлена тем, что во время работы дальномера в нитробензоле

выделяется значительное количество тепла, которое существен

но повышает его температуру.

Основные принципы управления несущими СВЧ колебаниями,

используемые в фазовых радиодальномерах

В геодезических фазовых радиодальномерах для управления

несущими колебаниями используется, как правило, частотная

модуляция (ЧМ), при реализации которой в такт с модулирую

щими колебаниями изменяется частота несущих колебаний.

Поскольку последняя определяется параметрами СВЧ генера

тора, то при ее осуществлении модулирующие колебания не

посредственно воздействуют на упомянутый генератор. В ре

зультате этого в большинстве случаев отпадает необходимость

использования отдельного внешнего модулятора СВЧ колеба

ний.

В § 19 было показано, что несущую частоту в СВЧ генера

торах, входящих в состав современных УКВ радиодальномеров,

изменяют либо за счет изменения размеров объемного резона

тора (механическая настройка), либо за счет изменения одно-

то из напряжений питания (электронная настройка). Поскольку

•стика ячейки Керра

ки. Хорошо очищенный нитро

бензол имеет достаточно высо-

Рис. 53. Схема СВЧ генератора на

отражательном клистроне

Рис. 54. Модуляционная характери

стика клистронного генератора

при модуляции возникает необходимость изменения несущей-

частоты с высокой скоростью, то из двух отмеченных выше-

способов для управления частотой несущих колебаний приме

няют электронный метод.

Для осуществления частотной модуляции в клистронном ге

нераторе на его отражательный электрод наряду с постоянным

отрицательным напряжением U0 подают также и переменное

гармоническое модулирующее напряжение с амплитудой Um и

частотой Q (рис. 53). При этом суммарное напряжение на от

ражательном электроде клистрона определяется формулой

и = —U0 + Um cos Qt. (1 1 0 )'

Под воздействием данного напряжения изменяется частота

колебаний, генерируемых клистронным генератором. Зависи

мость между величиной этого напряжения и частотой генера

тора определяется модуляционной характеристикой, графиче

ский вид которой приведен на рис. 54. Из рисунка видно, что

при работе в пределах линейного участка модуляционной ха

рактеристики несущая частота изменяется по тому же закону,

что и модулирующее напряжение, т. е.

<о = со0— AcocosQ/, (1 1 1 )

где соо = 2л;/о — центральная частота; Асо = 2яАf — девиация ча

стоты.

Знак «минус» перед вторым слагаемым указывает на то,

что модулирующее напряжение и несущая частота изменяют

ся со сдвигом фаз на 180°.

Математически частотно-модулированные СВЧ колебания

на выходе клистронного генератора определяются в соответст

вии с формулой (29) соотношением

u4M = ^mcos(“o^ + PsinQ^ + 9o)- (П2>

Индекс модуляции (5, равный отношению девиации частоты

Дсо к частоте модулирующих колебаний £2, выбирается в ра

диодальномерах небольшим, порядка 0,7—0,8. Для таких зна

чений р при частоте модуляции, равной 10— 15 МГц, девиация

несущей частоты А/ составляет величину, лежащую в пределах

от 7 до 12 МГц.

Частотный спектр ЧМ колебаний, характерный для неболь

шого значения индекса модуляции, показан на рис. 55. Пер

пендикуляр, отложенный вниз на этом рисунке, условно озна

чает, что начальная фаза данной гармоники сдвинута на 180°

«относительно начальной фазы основной составляющей несущей

частоты.

Для передачи информации о величине измеряемого расстоя

ния необходимы колебания с частотами too и со0±^- Наличие

же в спектре высших составляющих с частотами coo±2 Q,

<oo ±3Q и т. д. может приводить лишь к появлению дополни

тельных ошибок измерений. Поэтому в радиодальномерах вы

бирают такой режим работы модулятора, при котором обес

печивается малая величина этих составляющих (при р = 0,7

•амплитуда гармоник с частотами a»0±2Q составляет около 7%,

а с частотами odo±3Q — около 1 % от амплитуды центральной

несущей частоты).

Если в радиодальномере источником колебаний служит ге

нератор на диоде Ганна, то частотная модуляция излучаемых

"СВЧ колебаний осуществляется в большинстве случаев за счет

введения в резонатор дополнительного полупроводникового ди

ода — варактора, при изменении напряжения на котором изме

няются его параметры (в частности, междуэлектродная ем

кость) , а как следствие, и резонансная частота объемного ре

зонатора. Модуляционная характеристика в данном случае

представляет собой зависимость несущей частоты от напряже

ния на варакторе. В качестве примера на рис. 56 приведена

характеристика, из которой видно, что на варактор наряду с

переменным модулирующим напряжением подают и постоян

ное напряжение смещения.

При работе в пределах линей

ного участка характеристики

частота несущих колебаний

изменяется в соответствии с

изменением напряжения на

варакторе. Следует при этом

заметить, что крутизна и ли

нейность модуляционной ха

рактеристики могут существен

но изменяться от образца к

образцу, что является суще

ственным недостатком гене

раторов на диодах Ганна.

Описанные выше методы

модуляции, нашедшие приме

нение в современных фазовых

УКВ радиодальномерах, обла

дают малой инерционностью

и небольшим потреблением энергии от модулирующего генера

тора. Предельная частота модуляции ограничивается при этом

не инерционными свойствами системы управления несущими

колебаниями, а добротностью используемого объемного резо

натора, которая определяет полосу пропускания всего передаю

щего тракта. Для того чтобы боковые составляющие с частота

ми ю± £ 2 не выходили за пределы этой полосы, частоту модуля

ции в радиодальномерах, как правило, ограничивают величи

ной, равной 15—20 МГц. В тех случаях, когда возникает необ

ходимость применения более высоких частот модуляции (поряд

ка 100— 150 МГц), в схему радиодальномера вводят внешние

СВЧ модуляторы.

§ 22. СИСТЕМ Ы ДЛ Я Н АПРАВЛЕН НО ГО И ЗЛУЧЕН И Я И ПРИЕМ А

НЕСУЩ ИХ КОЛ ЕБА Н И И

В соответствии с рассмотренными выше принципами действия

фазовых дальномеров для получения информации о величине

интересующего нас расстояния необходимо модулированные

несущие колебания передать с одного конца измеряемой линии

на другой и обратно. При этом для обеспечения максимальной

дальности действия дальномера выходящий из передающего

устройства поток электромагнитной энергии должен быть скон

центрирован в виде узкого параллельного пучка, ориентирован

ного на удаленный отражатель пассивного или активного типа.

В приемном устройстве дальномера для концентрации прихо

дящей с дистанции электромагнитной энергии на небольшой

рабочей поверхности входного устройства возникает необходи

мость преобразования параллельного пучка в сходящийся.

Кроме того, в процессе канализации используемых излучений

Рис. 56. Модуляционная характери

стика генератора на диоде Ганна