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

Подождите немного. Документ загружается.

в значении Dnoлн. С этой целью на основной масштабной часто

те /1 берут несколько отсчетов при посылке света на удаленный

отражатель и по линии ОКЗ с использованием различных по

ложений фазового переключателя, позволяющего изменять фазу

•опорного сигнала на 180 и на ±90°. Полученное значение Vicp

используют для уточнения последних цифр в величине Dnолн.

Затем в значение £>ПОлн вводят поправки бмет и Еб, которые оп

ределяют по той же методике, что и для светодальномера

«Кварц».

Заключительным этапом вычислений является редуцирова

ние измеренного значения длины линии на соответствующую от-

счетную поверхность.

Светодальномер СГ-3

Разработанный около 15 лет тому назад отечественный свето

дальномер СГ-3 из-за высокой приборной точности до настоя

щего времени используется при выполнении высокоточных ли

нейных измерений в нашей стране (главным образом при изуче

нии горизонтальных деформаций земной коры на созданных в

последние годы геодинамических полигонах).

Диапазон измеряемых длин линий: 0,7—20 км днем и 0,7—

30 км ночью. Средняя квадратическая погрешность дальномера

3—4 мм. Масса комплекта без упаковки 120 кг. Потребляемая

мощность 400 Вт.

В дальномере использован целый ряд оригинальных техни

ческих решений, касающихся как методики разрешения неодно

значности, так и выполнения точных измерений на выбранной

масштабной частоте. Отличительная особенность этого свето

дальномера состоит в том, что он базируется на использовании

двух синхронно работающих ячеек Керра, установленных в пе

редающем и приемном трактах и управляемых колебаниями с

плавно изменяемой масштабной частотой, т. е. на тех основных

принципах, которые характерны для визуальных светодальноме

ров, широко применявшихся в нашей стране в 60-х годах.

Для пояснения основных особенностей работы светодально

мера СГ-3 рассмотрим вкратце его упрощенную функциональ

ную схему, которая приведена на рис. 86.

В качестве источника оптического излучения 3 в дальномере

использован гелий-неоновый лазер ЛГ-56. Модуляция светового

потока осуществляется с помощью ячейки Керра 4, входящей

в состав передающего тракта дальномера. Управляющее напря

жение поступает на такой модулятор от генератора масштаб

ной частоты 2. Эту частоту с помощью соответствующих орга

нов управления можно плавно изменять в пределах от 6,6 до

1-0,0 МГц. Принимаемый от удаленного отражателя световой по

ток поступает в другую ячейку Керра 7, входящую в состав при-

Рис. 86. Упрощенная функциональная схема светодальномера СГ-3:

1 — модулятор частоты; 2 — генератор масштабной частоты; 3 — гелий-неоновый лазер

(источник излучения); 4 '— модулятор света; 5 — объектив передающей системы; б — объ

ектив приемной системы; 7 — демодулятор света; 8 — анализатор; 9 — фокусирующая лин

за;

1 0

— диафрагма; — подвижная призма;

— окуляр приемной оптической системы;

13 — светофильтр; 14 — линза; /5 — ФЭУ (фотоприемник); 16 — избирательный усилитель;

17 — синхронный детектор; 1 8 — усилитель постоянного тока; 19 — смеситель; 20 — вспо

могательный генератор; 21 — делитель частоты с коэффициентом деления k \\ 22 — дели

тель частоты с коэффициентом деления к " ; 23 — блок интервала счета; 24 — генератор

счетных импульсов; 25 — делитель частоты с коэффициентом деления fe2; 26 — электрон

ный ключ;

— счетное устройство

емного тракта и выполняющую роль демодулятора. Управление

ячейкой также происходит от того же генератора масштабной

частоты, что и модулятора света. Входящие в состав ячеек кон

денсаторы Керра развернуты относительно друг друга на 90°,

а плоскости их электродов составляют угол, равный 45°, с плос

костью поляризации анализатора и выходящего из источника

света поляризованного излучения. Такое устройство, называемое

компенсационной ячейкой Керра, позволяет получить на выходе

из демодулятора световой поток с резко выраженными миниму

мами при определенных значениях масштабных частот. Без уче

та обычно вводимых поправок минимум наблюдаемого света,

соответствующий масштабной частоте /м, отвечает при этом ус

ловию

D = N -^ -= N -^-, (139)

где D — величина измеряемого расстояния; N — число уложе

ний отрезков длиной X J2 в искомой длине линии; Я,м — длина

волны масштабных колебаний; и — рабочая скорость света.

Регистрация экстремального значения светового потока (и в

частности, его минимального значения) обусловливает понижен

ную чувствительность дальномера к изменениям величины изме

ряемого расстояния и, как следствие, понижение его приборной

точности. Для устранения этого недостатка в светодальномере

СГ-3 реализован равносигнальный метод фазовых измерений,

для чего с помощью показанного на функциональной схеме мо

дулятора частоты 1 производится скачкообразное изменение

масштабной частоты fM с частотой «мерцаний» F, т. е. подавае

мое на ячейку Керра модулирующее напряжение представляет

собой частотно-модулированные колебания.

Центральная частота таких ЧМ колебаний соответствует

масштабной частоте fM, а девиация частоты AF определяется

параметрами взаимодействия модулятора частоты с генерато

ром масштабной частоты. Форма изменения светового потока

на входе фотоэлектрического приемника при отмеченном скач

кообразном изменении масштабной частоты будет существенно

зависеть от того, насколько центральная частота отличается от

частоты, соответствующей минимуму наблюдаемого света. Для

иллюстрации на рис. 87 приведены графики изменения светово

го потока на входе ФЭУ для трех наиболее характерных слу

чаев:

центральная частота /ц превышает частоту fmm, на которой

наблюдается минимум света, т. е. /ц>/Мин;

частота /ц совпадает с частотой /мин, т. е. f4= fMин!

частота /ц меньше частоты /мин, т. е. /ц</мин-

Как видно из приведенных на рис. 87 графиков, в первом и

третьем случаях скачкообразное изменение масштабной часто

ты сопровождается заметными изменениями амплитуды свето

вого потока на входе в фотоприемник, происходящими в такт

со скачкообразными изменениями масштабной частоты. Разли

чие состоит лишь в том, что в первом случае максимальное зна

чение светового потока наблюдается на частоте /ц+Ai7, а мини

мальное— на частоте fn—AF. В третьем случае, наоборот, час

тота /ц+АF соответствует минимальному значению светового по

тока, а /ц—AF — максимальному.

Наибольший интерес представляет второй случай, который

соответствует равенству /ц =/мин- В данном случае при скачко

образном изменении масштабной частоты амплитуда светового

потока практически остается неизменной. Такой режим соответ

ствует основному рабочему режиму дальномера.

В светодальномере СГ-3 созданы условия для автоматиче

ского поддержания отмеченного режима, при котором /ц = /Мин.

С этой целью выделяемый на выходе ФЭУ электрический сиг

нал, который по своей форме соответствует графикам измене

ния светового потока Ф пр = ф(0> приведенным справа на рис. 87,

после соответствующего усиления избирательным усилите

лем 16 (см. рис. 86) поступает в синхронный детектор 17. По

следний по своему принципу действия аналогичен фазовому де

тектору, рассмотренному в § 24. При подаче на второй вход та

кого детектора сигнала от модулятора частоты на его выходе

формируется управляющий электрический сигнал, величина ко

торого пропорциональна величине изменений светового потока

Между Ф макс И Ф мин-

С помощью управляющего сигнала, которым воздействуют

на частоту генератора масштабной частоты, в схеме дальномера

автоматически поддерживается режим, при котором этот сигнал

бЛИЗОК К НуЛЮ, ЧТО со о тве т ству е т УСЛОВИЮ /ц = /мин (или fM =

=/мин). Тем самым в светодальномере СГ-3 автоматически вы

полняется равенство (139), связывающее величину измеряемого

расстояния D со скоростью распространения света v и масштаб

ной частотой /м, соответствующей минимуму наблюдаемого све

та. Задача измерения искомой длины линии сводится при этом

к измерению значения автоматически поддерживаемой масштаб

ной частоты /м. С помощью входящего в состав дальномера

счетно-решающего устройства, выполняющего функции элект

ронно-счетного частотомера, удается проградуировать отсчетное

табло дальномера непосредственно в единицах длины измеряе

мого расстояния для принятых стандартных метеорологических

условий.

Для пояснения принципа реализации такого метода измере

ния масштабной частоты произведем анализ исходной рабочей

формулы (139). Как и в ранее рассмотренных моделях дально

меров, в светодальномере СГ-3 непосредственно измеренное

значение расстояния соответствует заранее принятым стандарт

ным метеоусловиям [/0 = 0°С, р0= 101,3 кПа (760 мм рт. ст.),

е0 = 0], в которое затем вводят поправки за уклонение реальных

метеопараметров от принятых. Тогда рабочая формула (135)

без учета поправок принимает вид

При измерении частоты счетно-решающим устройством с по

мощью блока интервала счета (см. рис. 86) задается временной

интервал Дт, который в данной схеме связан со значением ис

комой частоты /м соотношением

где ki = 2k\'ki" ■— коэффициент деления масштабной частоты.

Деление масштабной частоты осуществляется с помощью де

лителей частоты 21 и 22 (см. рис. 86) с коэффициентами k\ и

k\". Коэффициент 2 в соотношении между k\ и произведением

k\k\" введен из-за того, что задающий генератор масштабных

колебаний имеет частоту в два раза ниже, чем частота колеба

ний, поступающих на модулятор и демодулятор.

За интервал времени Ат через электронный ключ 26 прохо

дит а импульсов от генератора счетных импульсов 24 с перио

дом следования

(139а)

Дт=

1 f ’

/М

(140)

TC4 = k2-l~, (141)

где /к — частота кварцевого генератора счетных импульсов;'

k2— коэффициент деления этой частоты за счет включения В'

тракт прохождения счетных импульсов делителя частоты 25.

Исходя из принципа действия электронно-счетного частоте'

мера, имеем

Ат = аТСч, (142)

где а — количество поступивших в счетное устройство 27 за

время Ат импульсов (это значение непосредственно высвечива

ется на световом табло).

С учетом соотношений (140) и (141) уравнение (142) может

быть записано в следующем виде:

k ^ = ak2 ~ (142а)

/М /К

ИЛИ

f = 4 ' (143>

/М К1

Выражая частоту /к через соответствующую ей длину вол

ны Кк в «стандартной» атмосфере fK= v0/iK, будем иметь

* - = а Ь - К - 044)

/М К1

На основе полученного соотношения запишем исходную ра

бочую формулу (139а) в виде

D = N ^ - K fl. (145)

В светодальномере СГ-3 частота кварцевого генератора счет

ных импульсов /к принята равной 4 682 852 Гц, для которой Лк =

= 64 м = 26 м. Коэффициенты деления делителей частоты имеют

значения k\ = 2i0• 103 N и k2 = 25.

С учетом приведенных числовых значений входящих в фор

мулу (145) величин

£)=10~3а(в м)=а(в мм). (146)

Таким образом, посредством соответствующего подбора час

тоты генератора счетных импульсов и коэффициентов деления

частоты введенных в схему светодальномера СГ-3 делителей

частоты удается проградуировать примененное в дальномере

счетное устройство непосредственно в единицах длины искомого

расстояния. Однако при этом значение коэффициента деле

ния k\ содержит неизвестную величину N, которая зависит

•от конкретного значения измеряемого расстояния D и кото

рая обычно определяется в процессе разрешения неоднознач

ности.

С целью автоматизации процесса определения величины N

в схему светодальномера СГ-3 введены такие дополнительные

узлы, как вспомогательный генератор 20 (см. рис. 86) с теми

же техническими характеристиками, что и задающий генератор

масштабной частоты, смеситель 19 и делитель частоты 22 со

ступенчатой регулировкой коэффициента деления k\".

Для подбора значения k ", соответствующего величине N,

оператор на начальной стадии измерений фиксирует один из

минимумов светового потока, соответствующий масштабной час

тоте в начале диапазона перестройки генератора масштабных

колебаний. Затем с помощью индикаторного устройства на

страивает на эту частоту вспомогательный генератор. После

этого переключатель П (см. рис. 86) переводит в положение

«грубо» и перестраивает дальномер на соседний по масштабной

частоте минимум светового сигнала. В результате на выходе

смесителя удается выделить колебания разностной частоты

F v= fMl—/м2, для которой N= 1, а рабочая формула имеет вид

Поскольку в начале измерений переключатель ступенчатого

делителя частоты устанавливают в положение, при котором

k\"—\, то значение коэффициента k\ в приведенной выше фор

муле определяется величиной &i/ = 2I0-103. Значения входящих

в формулу (148) величин k2 и Кк остаются при этом неизменны

ми, т. е. &2 = 25, а Як = 26 м. В результате D = 10-3a (в м)=а

(в мм). Таким образом, при измерениях на разностной частоте

F р непосредственно на световом табло высвечивается полное

значение искомого расстояния D, но точность таких измерений

весьма низкая. Как показывают расчеты, при определении рас

стояний, близких к 30 км, погрешность измерений на разност

ной частоте F р составляет величину, равную нескольким сотням

метров.

С целью повышения точности измерений оператор последо

вательно настраивает дальномер на соседние минимумы свето

вого сигнала, для которых разностная частота соответственно

равна 2FP, 3FP и т. д. При каждом таком переходе на соседний

минимум оператор последовательно переключает ступенчатый

делитель частоты, коэффициент деления которого k\" принима

ет соответственно значения 2, 3 и т. д. При такой методике из

мерений исходная рабочая формула (146) остается неизменной.

(147)

или с учетом выполненных выше преобразований

(148)

В результате проведения описанной процедуры последова

тельного перехода с одного минимума света на другой и соот

ветствующего изменения коэффициента деления ступенчатого

делителя частоты удается установить такое значение коэффи

циента k\", которое при точных измерениях на масштабной час

тоте /м равно интересующей нас величине N.

Для облегчения выполнения рассмотренного процесса после

довательных перестроек прибора на соседние минимумы света

разработаны специальные таблицы, позволяющие по ограни

ченному количеству таких перестроек установить то значение

коэффициента деления k\” ступенчатого делителя, которое со

ответствует величине N при выполнении точных отсчетов. Ос

новным критерием достаточного количества переходов с одного

минимума света на другой являются показания светового таб

ло, свидетельствующие о том, что при очередном переходе с од

ного минимума света на другой эти показания различаются

друг от друга на величину не более 3 м.

Исходя из вышеизложенного, процесс измерений светодаль-

номером СГ-3 складывается из таких основных этапов, как гру

бое определение величины искомого расстояния D, при котором

в ступенчатом делителе частоты устанавливается равенство

k i"= N , и точное измерение величины D, при котором в автома

тическом режиме поддерживается равенство /м=/мин и измеря

ется значение масштабной частоты /м. Непрерывное отслежива

ние частоты fМИн, соответствующей минимуму наблюдаемого све

тового сигнала, позволяет получить на световом табло счетного

устройства осредненное значение искомой длины линии за ин

тересующий нас интервал времени.

Так же как и при работе с рассмотренными ранее моделями

светодальномеров, в результаты измерений после завершения

программы наблюдений вводят поправки как за уклонение ре

альных метеоусловий от принятых за стандартные, так и за

приведение полученного значения длины линии к центрам гео

дезических знаков.

Краткие сведения о других типах светодальномеров группы Г

За рубежом разработкой и совершенствованием светодальноме

ров группы Г занимаются немногие фирмы, что обусловлено

ограниченными потребностями в приборах такого класса со сто

роны геодезического производства.

На протяжении ряда лет выпускает и совершенствует такие

дальномеры шведская фирма «АГА Геотроникс». Разработанные

этой фирмой 8-я и 600-я модели геодиметров базируются на тех

же основных технических решениях, что и светодальномеры

«Кварц» и «Гранат».

Одна из отличительных особенностей 8-й модели геодиметра

состоит в том, что в ней применен твердотельный модулятор

света, основанный на использовании эффекта Поккельса и со

ставленный из четырех последовательно расположенных кри

сталлов KDP.

В 600-й модели геодиметра применена удобная в эксплуата

ции совмещенная коаксиальная приемопередающая оптическая

система, выполненная в виде своеобразной зрительной трубы,

которая может свободно поворачиваться вокруг оси вращения,

расположенной перпендикулярно к оптической оси этой трубы.

В США фирма «Койфель и Эссер» совместно с одной из

американских фирм, специализирующихся на разработке элект

ронной аппаратуры, создала несколько модификаций лазерных

дальномеров, получивших название «Рейнджер». Две такие мо

дификации (Рейнджер V и Рейнджмастер) предназначены для

измерения линий длиной до нескольких десятков километров.

Они отличаются более высоким уровнем автоматизации измери

тельного процесса. В частности, в дальномерах этого типа авто

матизированы процессы разрешения неоднозначности и пере

ключения светового пучка при посылке его на отражатель и по

линии ОКЗ, предусмотрена возможность ручного ввода в пока

зания дальномера различного рода поправок (таких, как метео

поправка, приборная и др.). В результате непосредственно со

светового цифрового табло можно считать откорректированную

величину измеренного наклонного расстояния.

По таким основным техническим характеристикам, как точ

ность измерений и предельная дальность действия, перечислен

ные зарубежные дальномеры эквивалентны рассмотренным ра

нее отечественным светодальномерам группы Г.

§ 27. С ВЕТО Д АЛЬН О М ЕРЫ ГРУП П Ы Т

Среди различных типов светодальномеров, применяемых в на

стоящее время при измерениях длин линий на местности, свето

дальномеры группы Т (топографические) наиболее широко ис

пользуются на различных видах топографо-геодезических ра

бот, предусматривающих определение линий небольшой протя

женности. Около 20 фирм и заводов-изготовителей различных

стран мира заняты разработкой, совершенствованием и серий

ным выпуском светодальномеров такого типа. При этом основ

ное внимание уделяется тому, чтобы вновь создаваемые прибо

ры имели минимальные габариты и массу, потребляли неболь

шое количество электроэнергии, были просты в эксплуатации,

а процессы измерений и последующих вычислений характери

зовались высокой степенью автоматизации. Дальнейшее совер

шенствование таких автоматизированных светодальномеров от

крыло возможность создания электронных тахеометров, позво

ляющих не только производить как линейные, так и угловые из

мерения в автоматизированном режиме, но и оперативно непо

средственно на точке стояния прибора получать на световом

табло (а иногда и регистрировать с помощью того или иного

запоминающего устройства) практически все интересующие нас

величины (вертикальные и горизонтальные углы, наклонную

дальность, горизонтальное проложение и взаимное превышение

пунктов).

Несмотря на большое разнообразие созданных к настоящему

времени топографических светодальномеров, большинству из них

присущ целый ряд общих признаков, характерных для дально

меров этой группы. Так, в качестве источников оптического из

лучения широкое распространение получили полупроводнико

вые излучатели, которые наряду с портативностью и энергети

ческой экономичностью позволяют управлять интенсивностью

оптического излучения за счет использования внутренней моду

ляции, в результате чего отпадает необходимость применения

отдельных модуляторов света.

Требования портативности конструкции наложили свой отпе

чаток и на выбор приемопередающей оптической системы даль

номера. При создании топографических светодальномеров ис

пользованы разнообразные технические решения, но общим при

знаком является применение линзовых оптических систем, кото

рые в сравнении с зеркальными системами имеют меньшие га

бариты и массу. При этом передающая и приемная оптические

системы, как правило, конструктивно объединяются, а их опти

ческие оси совмещаются, что создает эксплуатационные удобст

ва при измерении коротких линий. В отдельных моделях свето

дальномеров предпринята попытка применить съемные оптиче

ские системы, которые в зависимости от длины измеряемой ли

нии могут иметь различные размеры.

С целью полной автоматизации всего процесса измерения

переключение светового луча в направлениях на удаленный от

ражатель и по линии оптического короткого замыкания произ

водится автоматически.

В качестве фотоприемника в топографических дальномерах

последних лет все шире применяют полупроводниковые фото

диоды. Они по сравнению с фотоэлектронными умножителями

имеют меньшие размеры и не требуют для питания высоких

электрических напряжений.

Наибольший прогресс в современных топографических све

тодальномерах достигнут при разработке фазоизмерительных

устройств, в качестве которых широкое распространение полу

чили электронные цифровые фазометры. В последние годы в

дальномерах широко применяют микропроцессоры. При их ис

пользовании открылась возможность не только оперативно из

мерять интересующие нас малые временные интервалы (или

эквивалентные им разности фаз), но и выполнять все необходи

мые вычисления, связанные с получением окончательного значе

ния искомой длины линии, вводить в него поправки. Кроме того,

появилась возможность выдавать сигналы управления для авто