Генике A.A., Афанасьев А.М. Геодезические свето-и радиодальномеры
Подождите немного. Документ загружается.
по передающему и приемному трактам внутри дальномера воз
никает во многих случаях необходимость ответвления той или
иной части излучаемой энергии как для внутренней связи пере
датчика с приемником с целью образования оптического корот
кого замыкания, так и для формирования опорного сигнала.
Все перечисленные выше функции выполняют в дальномерах
специальные оптические или радиотехнические устройства для
направленного излучения и приема.
При решении задачи формирования излучения определен
ной направленности в оптическом и СВЧ диапазонах исполь
зуется много общих закономерностей. Однако при технической
реализации как отдельных элементов, так и рассматриваемых
систем в целом возникают существенные различия. В связи
с этим проанализируем принципы построения этих систем для
оптического и радиотехнического диапазонов раздельно.
Оптические системы, используемые в светодальномерах
В состав геодезических фазовых светодальномеров входят, как
правило, три основные оптические системы: передающая, при
емная и отражающая. Первые две конструктивно объединяют
ся в приемопередатчике светодальномера, а третья составляет
основу пассивного отражателя, устанавливаемого на другом
конце измеряемой линии.
Передающая оптическая система включает обычно в себя
всю совокупность оптических элементов, расположенных на пу
ти прохождения света от источника до выхода из приемопере
датчика светодальномера в направлении на удаленный отра
жатель, в том числе и рассмотренные в предыдущем парагра
фе составные элементы внешних модуляторов света.
Основное назначение данной системы состоит в том, чтобы
с минимальными потерями передать свет по внутреннему пере
дающему оптическому тракту дальномера и направить его в ви
де узкого параллельного пучка на удаленную отражающую
оптическую систему. При этом с помощью отдельных элемен
тов передающей оптической системы выполняются и такие вспо
могательные операции, как преобразование неполяризованных
излучений в поляризованные, одного вида поляризации в дру
гой, поочередное направление света на удаленный отражатель
и по линии оптического короткого замыкания и т. д.
Размеры и масса рассматриваемой системы оказывают су
щественное влияние на технические характеристики всего све
тодальномера. Поэтому при выборе такой системы уделяют
значительное внимание тому, чтобы ее габарит и масса были
минимальными. Исходя из этого, при проектировании свето
дальномеров всегда стремятся к тому, чтобы максимальное ко
личество оптических элементов входило одновременно как
в передающую, так и в приемную оптическую систему, т. е. по
возможности объединяют функции этих систем.
Используемые в современных светодальномерах схемы оп
тических систем отличаются большим разнообразием. Поэтому
ниже рассмотрены лишь самые общие принципы построения
таких систем.
На выбор схемы передающей оптической системы опреде
ляющее влияние оказывают такие характерные особенности
дальномера, как его дальность действия, тип источника света
и способ модуляции оптического излучения.
В современных светодальномерах, предназначенных для
измерения линий значительной длины (до нескольких десятков
километров), в качестве излучателей применяют, как правило,
газовые гелий-неоновые лазеры, а модуляция осуществляется
с помощью внешних модуляторов света. Поскольку газовые
лазеры обеспечивают высокую направленность выходящего из
них светового пучка, то это обстоятельство существенно облег
чает проектирование передающих оптических систем. В част
ности, если действующее отверстие модулятора превышает ди
аметр выходящего из лазера пучка света, то на участке между
источником излучения и- модулятором отпадает необходимость
установки таких вспомогательных оптических устройств, как
конденсоры, с помощью которых производится переформирова
ние пучка с целью концентрации максимального количества
электромагнитной энергии в оптическом отверстии модулятора.
В связи с тем что на выходе из модулятора высокая, свой
ственная газовым лазерам направленность излучения, как пра
вило, сохраняется, то в отдельных случаях при работе на срав
нительно небольших расстояниях имеется возможность вообще
отказаться от использования передающей оптической системы,
т. е. на пути прохождения света от модулятора до выхода из
прибора исключить размещение каких-либо оптических уст
ройств, переформирующих излучаемый световой поток. Однако
уже на расстоянии в 10 км при характерной для гелий-неоно-
вых лазеров расходимости пучка, равной
10
', диаметр светово
го пучка оказывается приблизительно равным 30 м, в то вре
мя как диаметр отражателя не превышает 0,5—0,8 м. Следова
тельно, основная часть светового потока будет проходить мимо
отражателя, и необходимость использования оптической систе
мы для уменьшения расходимости выходящего из светодаль-
номера пучка света становится очевидной. Практически доби
ваются того, чтобы диаметр пучка на отмеченном выше рас
стоянии составлял величину 2—3 м, что соответствует
расходимости лучистого потока, равной 0,7— 1 ,0 '.
Исходя из вышеизложенного, к передающим оптическим си
стемам в дальномерах с газовыми лазерами предъявляются
требования уменьшения расходимости светового пучка в 10 —
15 раз. Эта задача обычно решается с помощью телескопиче-
Рис. 57. Передающая телескопическая коллимирующая система светодально-
мера:
1 — источник излучения (газовый лазер); 2 — модулятор света
Рис. 58. Упрощенная схема линзовой пере
дающей оптической системы, используемой
в дальномерах с полупроводниковыми из
лучателями:
1 — полупроводниковый излучатель; 2 — линзовый
объектив.
Рис. 59. Приемные оптические системы светодальномеров
ской коллимирующей системы (рис. 57), состоящей из отрица
тельной (рассеивающей) и положительной (собирательной)
линз.
В светодальномерах ближнего радиуса действия (до 2—
5 км) в качестве источников несущих колебаний оптического
диапазона в большинстве случаев используют полупроводнико
вые излучатели с внутренней модуляцией. Расходимость излу
чаемого светового пучка в отмеченных источниках значительно
больше, чем в газовых лазерах. Однако из-за отсутствия внеш
него модулятора света в дальномерах с такими источниками не
возникает необходимость переформирования лучистого потока
с целью концентрации максимального количества излучаемой
энергии во входном оптическом отверстии модулятора. Поэто
му полупроводниковый излучатель может быть установлен не
посредственно в фокальной плоскости передающей оптической
системы (рис. 58), в качестве которой в большинстве случаев
используют линзовый объектив.
Основная задача приемной оптической системы дальномера
состоит в том, чтобы перехватить максимальное количество
приходящей от удаленного отражателя лучистой энергии и
сконцентрировать ее на светочувствительной поверхности фо
тоэлектронного приемника. Кроме того, с помощью этой сис
темы решаются и такие вспомогательные задачи, как селекция
принимаемого сигнала, т. е. ослабление или полное устранение
вредного влияния сторонних излучений, обеспечение на фото
приемнике постоянной величины лучистого потока независимо
от условий видимости и длины измеряемой линии, стабилиза
ция положения светового пятна на чувствительной площадке
фотоприемника.
При проектировании приемной оптической системы стремят
ся к тому, чтобы она была соосна с передающей оптической си
стемой, т. е. желательно, чтобы главные оптические оси этих
систем совпадали. Такая объединенная приемопередающая
оптическая система получила название коаксиальной. Если же
по каким-либо техническим причинам не удается реализовать
упомянутое совмещение, то относительный разнос отмеченных
осей в плоскости поперечного сечения излучаемого и принимае
мого световых потоков стремятся сделать минимальным. Это
требование обусловлено тем, что при использовании узкона
правленных лучей с небольшим поперечным сечением основная
часть принимаемого от отражателя лучистого потока направ
ляется обратно в передающую, а не в смещенную относитель
но нее приемную трубу. Указанное явление частичного или
полного расположения приемной трубы за пределами попереч
ного сечения поступающего от отражателя пучка света наибо
лее контрастно проявляется при измерении коротких линий,
так как на таких линиях при заданной расходимости излучае
мого пучка его диаметр на входе в дальномер имеет неболь
шую величину.
Для того чтобы перехватывать максимальное количество
поступающей от отражателя световой энергии, при проектиро
вании дальномера стремятся увеличить диаметр входного от
верстия приемной оптической системы. Исходя из этого, в при
емных устройствах дальномеров дальнего действия чаще всего
используют зеркально-линзовые системы (рис. 59,а). Что ка
сается дальномеров, предназначенных для измерения коротких
линий, то в них находят широкое применение линзовые систе
мы (рис. 59,6), позволяющие уменьшить массу и габарит все
го прибора.
Ослабление вредного влияния излучений, создаваемых сто
ронними источниками (в том числе и солнечного освещения),
производится за счет установки на пути прохождения света от
входа в дальномер до фотоэлектронного приемника (ФЭП)
различного рода диафрагм и светофильтров.
Диафрагмы позволяют осуществить пространственную се
лекцию, т. е. избавиться от посторонних засветок, которые в
фокальной плоскости объектива не совмещены с положением
изображения полезного источника излучения.
С помощью светофильтров производится спектральная се
лекция, т. е. на вход фотоприемника пропускаются электромаг
нитные колебания сравнительно узкого диапазона, соответст
вующего диапазону излучаемых передающим устройством несу
щих колебаний. Все сторонние излучения, спектр которых ле
жит за пределами полосы пропускания светофильтра, при этом
отсеиваются.
Спектральная селекция реализуется в дальномерах, как
правило, с помощью интерференционных светофильтров. Осно
ву такого светофильтра составляет прозрачная пластинка, на
которую с двух сторон наносятся полупрозрачные металлизи
рованные покрытия. Свет, проходящий через такую пластинку,
частично отражается от данных покрытий. В результате на вы
ходе из пластинки наблюдается взаимодействие излучения,
прошедшего пластинку без отражений, с излучениями, несколь
ко раз отразившимися от полупрозрачных покрытий. При этом
максимальное пропускание фильтра соответствует тем длинам
волн, для которых оптическая толщина пластинки кратна по
луволне, так как при таком условии прямые и отраженные вол
ны будут совпадать по фазе, вследствие чего результирующие
колебания с отмеченной длиной волны будут иметь макси
мальную амплитуду.
Обеспечение постоянной величины лучистого потока на ра
бочей поверхности светочувствительного слоя фотоприемника
(что необходимо для исключения влияния отдельных источни
ков погрешностей измерения) осуществляется с помощью ней
тральных фильтров переменной плотности. Основу используе
мых в дальномерной технике нейтральных фильтров, получив
ших название «серых клиньев», составляют в большинстве
случаев стеклянные диски, которые в зависимости от угла по
ворота вокруг своей оси имеют различную прозрачность. Вы
равнивание лучистого потока на входе в фотоприемник произ
водится, как правило, вручную поворотом этого диска. С це
лью автоматизации данного процесса предпринимаются попыт
ки использования в качестве нейтральных фильтров жидких
кристаллов, оптическая прозрачность которых зависит от ве
личины приложенного к ним электрического напряжения.
Стабилизация положения светового пятна на фотокатоде
светочувствительного элемента связана с необходимостью иск
лючения влияния источников погрешностей, свойственных фо
топриемникам. Практическая реализация такой стабилизации
осуществляется за счет введения в приемный оптический тракт
таких дополнительных оптических элементов, как световоды,
специально рассчитанные призмы и линзы, а также ограничи
вающие диафрагмы.
Введение перечисленных выше дополнительных оптических
устройств неизбежно связано с усложнением всей приемной оп
тической системы.
При решении проблемы конструктивного объединения пере
дающей и приемной оптических систем используются различ
Рис. 60. Схема совмещенной коак
сиальной приемопередающей опти-
ные технические приемы. В каче
стве примера на рис. 60 приведе
на упрощенная коаксиальная
приемопередающая оптическая
система, нашедшая применение в
светодальномерах дальнего дей
ствия.
Световой поток, излучаемый
газовым лазером 1, пропускает
ся в такой системе через внеш
ний модулятор света 2 , а затем
с помощью телескопической кол
лимирующей системы, состоящей
из рассеивающей линзы 3, приз
мы 4 и собирательной линзы 5,
в виде параллельного пучка на
правляется на удаленный отра
жатель. Пришедший от отража
теля свет с помощью приемной
зеркально-линзовой системы, со
стоящей из сферического зеркала
6 , отрицательной линзы 7 и по
воротной призмы 4, концентри
руется на входе фотоприемни
ка 8 .
Для иллюстрации технических
решений, позволяющих не только объединить передающую и
приемную оптические системы, но и автоматизировать процесс
переключения светового потока с целью его посылки как на
удаленный отражатель, так и по линии ОКЗ, на рис. 61 приведе
на другая оптическая система, нашедшая применение в свето
дальномерах ближнего радиуса действия.
При использовании данной системы излучение от полупро
водникового источника 1 , позволяющего осуществить внутрен
нюю модуляцию, с помощью собирательной линзы 2 формиру
ется в параллельный световой пучок, проходящий через одно
из отверстий в диске 3, который вращается вокруг своей оси
с помощью электромотора 4. Если в какой-либо заданный мо
мент времени свет проходит через более удаленное от центра
диска отверстие, то он попадает на поворотную призму 5, а
затем с помощью зеркальной пластинки 6 и телескопического
коллимирующего объектива, состоящего из отрицательной и
положительной линз (7 и 8 ), направляется на удаленный от
ражатель. Пришедший от отражателя свет с помощью опти
ческих элементов 8 , 7, 6 , 5 я собирательной линзы 9 направля
ется в фотоприемник 10. В следующий момент времени, когда
на пути выходящего из источника излучения находится рас
положенный ближе к центру диска вырез, то свет по прямому
ческой системы
Рис. 61. Схема оптической системы с автоматическим переключением свето
вого потока с ОКЗ на дистанцию
пути направляется в фотоприемник (на рисунке этот путь ус
ловно обозначен штриховыми линиями).
При наличии такой коммутации на вход фотоприемника
последовательно поступает информация то от сигнала, про
шедшего измеряемую линию, то от сигнала, поступившего по
линии короткого оптического замыкания.
Переходя к краткому рассмотрению общих принципов по
строения отражающих оптических систем, составляющих осно
ву пассивного отражателя, сформулируем прежде всего требо
вания, которые предъявляются к этим системам.
Одно из основных требований состоит в том, чтобы пере
хватить максимальное количество лучистой энергии, исходящей
от дальномера, и с минимальными потерями отразить ее обрат
но в направлении на дальномер. Для наиболее полного удов
летворения этого требования необходимо, чтобы диаметр от
ражателя был по возможности близок к диаметру светового
пучка в точке установки этого отражателя. Поскольку с уве
личением расстояния диаметр расходящегося светового пучка
увеличивается, то чем длиннее измеряемая линия, тем больше
должна быть площадь используемого отражателя.
Требованию минимальных потерь при переотражении света
наиболее полно удовлетворяет плоское зеркало. Однако при
эксплуатации такого отражателя возникают значительные труд
ности, связанные с необходимостью точного его наведения в на
правлении на удаленный дальномер. Эта задача существенно
облегчается при использовании зеркально-линзовых и призмен
ных оптических систем. К настоящему времени наибольшее
распространение получили приз
менные отражатели, составлен
ные из трипельпризм.
Трипельпризма (рис. 62).
представляет собой трехгранную
пирамиду (фигура ABDA\), из
готовленную из оптического стек
ла. Углы при ее вершине А пря
мые. Пирамида с основанием
BD A 1 может быть получена при
сечении куба диагональной плос
костью. Поверхность BDA\ ори
ентируется перпендикулярно к
падающему на нее лучистому
потоку Ф. Последний в результа
те трехкратного отражения от
боковых зеркальных граней
АВАу, ADAi и ABD выходит из
призмы в том же направлении, что и падающии на призму пу
чок света. Это весьма ценное свойство трипельпризмы сущест
венно облегчает процесс ориентировки отражателя относитель
но удаленного приемопередатчика дальномера.
Исследования, проведенные с трипельпризмами, свидетель
ствуют о том, что отраженный свет возвращается по направле
нию падающего при отклонении лучей до 20—30° относительно
нормали к основанию трипельпризмы. Однако применительно
к дальномерной технике значительные углы разворота отража
теля по отношению к направлению на дальномер могут обус
ловливать появление дополнительных погрешностей измерения
за счет того, что лучи света до различных точек поверхности
основания призмы проходят различные пути. Поэтому прак
тически отражатель наводят на удаленный приемопередатчик
с точностью около 1°.
Качество трипельпризменного отражателя, оцениваемое ве
личиной нежелательного отклонения отраженных лучей в сто
рону от заданного направления, зависит прежде всего от того,
насколько точно выдержаны углы при вершине А (см рис. 62).
Так, например, при отклонении данных углов от 90° всего на
2 " отраженный от трипельпризмы луч уходит в сторону на 1 м
на расстоянии в 20 км. Исходя из этого, при изготовлении три
пельпризм для светодальномеров стремятся к тому, чтобы пря
мые углы при ее вершине были выдержаны с точностью до
нескольких угловых секунд.
Для уменьшения массы и стоимости трипельпризм отража
тель обычно собирается из нескольких отдельных призм не
больших размеров, образуя мозаику. С целью придания приз
мам более компактной конструкции острые окончания при вер
шинах В, D и Ai обычно отсекаются.
Рис. 62. Трипельпризма, получен
ная посредством сечения куба диа
гональной плоскостью
Антенно-фидерные устройства, применяемые
в радиодальномерах
Основное назначение применяемых в геодезических фазовых
УКВ радиодальномерах антенно-фидерных систем то же, что и
приемопередающих оптических систем в светодальномерах, а
именно: обеспечить узконаправленное излучение электромаг
нитной энергии СВЧ диапазона, ориентированное на удаленную
станцию, а также прохождение СВЧ колебаний по внутренним
каналам станции радиодальномера с минимальным затуханием.
Поскольку при радиодальномерных измерениях по концам
линии размещаются две одинаковые станции, то и антенно-фи
дерные системы на этих станциях имеют, как правило, одина
ковую конструкцию. Кроме того, одна и та же антенная систе
ма используется как для передачи, так и для приема радио
волн УКВ диапазона.
Соединительные линии, по которым канализируется электро
магнитная энергия от источника к антенне и от антенны до
входа в СВЧ приемник, получили в радиотехнике название
фидерных линий. Если в радиодальномерах используются ра
диоволны с длиной волны более 3 см, то в качестве таких ли
ний применяются в большинстве случаев коаксиальные кабели.
При работе в трехсантиметровом и более коротковолновых ди
апазонах канализация электромагнитной энергии внутри стан
ции осуществляется с помощью металлических труб прямо
угольного или круглого сечения, получивших название волно
водов.
При разработке радиодальномера на основе функциональ
ной схемы, которая приведена на рис. 27, в фидерный тракг
каждой станции вводят разветвитель, с помощью которого ре
ализуется возможность работы передатчика и приемника на
общую антенную систему,, а также решается задача создания
опорного сигнала за счет ответвления части излучаемой энер
гии в приемный тракт собственного приемника.
В современных радиодальномерах применяются различные
конструкции разветвителей. В качестве примера на рис. 63
показана одна из конструкций такого разветвителя, получив
шего название волноводного тройника и используемого в ра
диодальномерах трехсантиметрового диапазона.
Для направленного излучения ультракоротких колебаний
в радиодальномерах рассматриваемого типа применяют рупор
ные или зеркальные антенны.
Оценка качества применяемых в дальномерах антенных
систем производится по такому основному параметру, как ее
направленные свойства, которые принято характеризовать ди
аграммой направленности. Под последней понимают зависи
мость поверхностной плотности потока излучения от направле
ния в пространстве. Обычно диаграмму направленности строят
Рис. 64. Диаграмма направленности ан
тенной системы радиодальномера
Рис. 63. СВЧ разветвитель (тройник):
1 — фланец для подключения антенной системы; 2 — фланец для подключения СВЧ сме
сителя; 3 — фланец для подключения источника СВЧ излучения
в полярной системе координат, для чего от центра антенной
системы под различными углами проводят векторы, длина ко
торых в условных единицах соответствует напряженности (или
мощности) электромагнитного поля в заданном направлении.
Кривая, соединяющая концы векторов, представляет собой ди
аграмму направленности (рис. 64). Под шириной диаграммы
направленности принято понимать угол 20 между направле
ниями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в У2
раз, а поток мощности — в два раза относительно максималь
ного значения.
В практике радиодальномерных измерений используется и
другой параметр, который характеризует способность антенны
концентрировать излучаемую энергию в интересующем направ
лении. Этот параметр получил название коэффициента усиле
ния антенны, под которым понимают число, показывающее, во
сколько раз необходимо изменить мощность излучения при пе
реходе от ненаправленной антенны к направленной с учетом
потерь в последней при условии, что в точке приема величина
сигнала сохраняется неизменной.
Наряду с перечисленными выше параметрами при создании
портативных переносных станций радиодальномера важными
показателями антенных систем являются их габариты и слож
ность конструкции. В этом отношении предпочтительнее рупор
ная антенна, применяемая в радиодальномерах трехсантимет
рового диапазона и относящаяся к одной из простейших антенн
УКВ диапазона.
В самом общем случае рупор преставляет собой часть вол
новодного фидера с открытым концом, у которого для согла
сования излучагельных характеристик со свободным простран
ством и для сужения диаграммы направленности площадь по-