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

Подождите немного. Документ загружается.

-ляется только амплитудой управляющего сигнала, то индекс ЧМ

колебаний (3 зависит не только от амплитуды, но и от частоты

этого сигнала.

§ 10. М ЕТОДЫ ФАЗО ВЫ Х ИЗМ ЕРЕН ИЙ , И СПО ЛЬЗУЕМ Ы Е

В Д А Л ЬНО М ЕРАХ

'Основным параметром, используемым при вычислении значения

интересующей нас длины линии, является определяемая из фа

зовых измерений величина фазового угла между опорным и ин

формационным сигналами. Поиски возможностей выполнения

фазовых измерений с максимальной точностью, а также стрем

ление проведения таких измерений с помощью несложных тех

нических средств привели к разработке различных методов фа

зовых измерений, нашедших практическое применение в геоде

зических фазовых дальномерах. При этом упомянутые методы

яостоянно видоизменяются по мере совершенствования дально

мерной техники.

Так, в визуальных светодальномерах, получивших распрост

ранение в 60-х годах, нашел применение метод фазовых изме

рений, основная особенность которого состояла в том, что раз

ность фаз между опорным и информационным сигналами реги

стрировалась оператором визуально (как правило, по минимуму

светового потока, выходящего из размещаемого на входе прием

ного устройства специального узла, получившего название демо

дулятора). Поскольку эти минимумы соответствовали вполне оп

ределенным соотношениям фазосравниваемых сигналов, то воз

никала задача приведения разности фаз, зависящей от длины

измеряемой линии, к определенным, заранее заданным значе

ниям. Такая проблема решалась посредством плавного измене

ния масштабной частоты. Оператор в процессе измерения рас

стояний определял то значение упомянутой частоты, которое со

ответствовало минимуму светового потока. Это свидетельствова

ло о том, что в измеряемом расстоянии укладывается без остат

ка вполне определенное целое число отрезков длины, задавае

мых длиной волны масштабных колебаний.

В связи с тем что визуальные светодальномеры к настоя

щему времени почти повсеместно вытеснены более совершенны

ми лазерными дальномерами с высоким уровнем автоматизации

измерительного процесса, то описанный визуальный метод фазо

вых измерений также не получил дальнейшего развития.

В фазовых УКВ радиодальномерах, созданных в конце 50-х

и начале 60-х годов, нашел применение другой метод фазовых

измерений, базирующийся на использовании в качестве фазомет

ра электроно-лучевой трубки. Данный метод получил название

способа круговой развертки. Его характерная особенность со

стоит в том, что один из фазосравниваемых гармонических сиг

налов используется для формирования круговой развертки на

Рис. 12. Упрощенная схема фа

зометра с фазовращателем и

фазовым детектором

Рис. 13. Функциональная схема

цифрового фазометра

cvt

Вход!

cot

------

Bxodll

Un . ф г

____

Utf . jTsl ■ ' '

К -зН*—г*-

- t ■ ,

1 J

и5

J г; ^

экране электронно-лучевой трубки, а другой сигнал преобра

зуется в остроконечные импульсы, поступающие на управляю

щий электрод трубки. В результате на экране с помещенной)

перед ним круговой шкалой можно наблюдать круговую раз

вертку с разрывом, по положению которого относительно верх

ней точки круговой развертки отсчитывается измеряемый фазо

вый угол.

Способ круговой развертки обеспечивает измерение разности:

фаз в пределах от 0 до 360° с погрешностью порядка 2—5°.

Из-за невысокой точности измерений, а также из-за неперспек

тивное™ использования в схемах дальномеров вакуумных элек

тронных приборов отмеченный способ во вновь разрабатывае

мых радиодальномерах, как правило, не используется.

В 60—70-х годах широкое распространение получил компен

сационный метод фазовых измерений, основанный на использо

вании градуированного фазовращателя, фазового детектора и;

стрелочного индикатора. Для пояснения взаимодействия пере

численных узлов на рис. 12 приведена упрощенная функциональ

ная схема такого фазометра.

ЗИ

Фазосравниваемые сигналы, сдвинутые по фазе относительно

друг друга на угол Дф, поступают соответственно на два входа

'(«Вход I» и «Вход //»). Фаза одного из сигналов может при

этом в фазометре плавно изменяться с помощью фазовращате

ля 1, снабженного шкалой, позволяющей отсчитать величину

введенной фазовращателем фазовой задержки. Фазовый детек

тор 2 со стрелочным индикатором 3 выполняют в данной схеме

роль регистрирующего устройства, отмечающего тот момент,

когда разность фаз на входе фазового детектора достигает впол

не определенной величины. При этом отсчет фф, снимаемый со

шкалы фазовращателя, оказывается однозначно связанным

с разностью фаз Дф сигналов, поступающих на вход фазо

метра.

Точность такого компенсационного метода определяется

в большинстве случаев точностью работы градуированного фазо

вращателя. Используемые в дальномерах фазовращатели обес

печивают точность фазовых измерений порядка нескольких де

сятых долей градуса. Преимущество рассмотренного метода —

простота схемы. Недостаток — сравнительно невысокая скорость

выполнения измерений.

В последние годы как в свето-, так и в радиодальномерах

лреимущественное распространение получил цифровой метод

фазовых измерений. Для пояснения основных особенностей дан

ного метода рассмотрим функциональную схему, изображенную

на рис. 13.

Так же как и в предыдущем случае, два синусоидальных на

пряжения «1 и и.2, между которыми нужно измерить разность

фаз, поступают соответственно на «Вход I» и «Вход //». С по

мощью формирующих устройств эти напряжения преобразуют

ся в остроконечные импульсы, причем на выходах формирующих

устройств 1 и 2 импульсы оказываются сдвинутыми во времени

на величину Дт, которая однозначно связана с измеряемой раз

ностью фаз соотношением Дф = соДт. Следовательно, для опре

деления значения Дф необходимо знать частоту со подводимых

к фазометру напряжений щ и и2, а также измерить их сдвиг во

времени Дт.

Для измерения Дт импульсы с выходов формирующих уст

ройств поступают в датчик интервала времени счета 3, пред

ставляющий собой триггер с двумя устойчивыми положениями

равновесия, на выходе которого формируется прямоугольное

напряжение. Последнее воздействует на электронный ключ, от

крывая его на время Дт.

В течение этого отрезка времени импульсные сигналы от ге

нератора счетных импульсов 4, состоящего из кварцевого гене

ратора и формирователя импульсов, проходят через электрон

ный ключ 5 и поступают в счетное устройство 6, с помощью ко

торого осуществляется счет импульсов за время Дт с выдачей

данных на световое табло. Если частота следования счетных им

пульсов известна, то значение Дт легко определяется по пока

заниям счетного устройства:

Ах = аТс =а ,

/СЧ

где а — снимаемый со светового табло отсчет, соответствующий

количеству импульсов, поступающих от генератора счетных им

пульсов за время Дт; Тсч и /сч — период и частота следования

счетных импульсов.

Подбирая частоту /сч, можно легко осуществить градуировку

счетного устройства в удобных для эксплуатации единицах. Так,

в современных дальномерах градуировка счетчика осуществля

ется, как правило, непосредственно в единицах длины измеряе

мого расстояния.

Рассмотренный цифровой метод позволяет выполнять фазо

вые измерения с высокой степенью точности. При условии, что

на вход цифрового фазометра поступают неискаженные сину

соидальные сигналы, разность фаз между такими сигналами

может быть измерена с относительной точностью 1 -10-4 от пол

ного периода, что эквивалентно двум угловым минутам. Наряду

с высокой точностью цифровые фазометры обеспечивают также

и высокую скорость измерений. К недостаткам цифровых фазо

метров следует отнести сравнительно сложную электрическую

схему, которая в полевых условиях не всегда обеспечивает высо

кую надежность работы.

Следует заметить, что в большинстве рассмотренных выше

методов фазовых измерений стабильность и точность работы

фазометров с понижением частоты сигналов, между которыми

требуется измерить разность фаз, как правило, повышаются.

Однако для обеспечения высокой точности дальномерных изме

рений частота масштабных колебаний должна быть не менее

нескольких мегагерц (см. § 8). Для устранения данного проти

воречия в современных фазовых дальномерах широкое распро

странение получил низкочастотный метод фазовых измерений.

Для пояснения сущности этого метода рассмотрим схему, приве

денную на рис. 14.

Пусть на специальные устройства, называемые смесителями,

поступают высокочастотные гармонические колебания с одина

ковой частотой, но с различными начальными фазами:

ul = Ui cos(a)it— q>j);

«2 = i/2co s(co ^ — ф2).

Разность текущих фаз этих колебаний

<Pi- (33)

Кроме того, подадим на данные смесители колебания от

вспомогательного генератора, определяемые уравнением

и0 = U 0 cos (to2t—ф0).

3-1496

Рис. 14. Схема низкочастотного метода фазовых измерений

Основное назначение смесителя состоит в том, что при пода

че на него двух гармонических колебаний с разными частотами

на выходе смесителя с помощью соответствующего фильтра

представляется возможным выделить колебания разностной

частоты. Не прибегая к математическому выводу формулы для

этих колебаний, отметим, что их текущая фаза определяется

как разность текущих фаз смешиваемых колебаний. При этом

в качестве уменьшаемого используется текущая фаза тех коле

баний, частота которых выше. Так, если Ш2>соь то на выходе

смесителя 1 выделяются колебания с текущей фазой

~ 01(О = й^+ф1— Фо. (34)

где Q = tt»

—Mi — круговая разностная частота.

Соответственно для текущей фазы колебаний на выходе сме

сителя

будем иметь

(0 = ^ + ф2— Фо- (35)

Для разности текущих фаз 02

(t)

и 0i(£) низкочастотных ко

лебаний на выходе смесителей можно написать

= 02 (0 — 0Х (О = ф2— Ф1- (36)

Из сравнения уравнений (33) и (36) следует

АфШ1 = А%,, (37)

т. е. разность фаз колебаний разностной частоты Q на выходе

смесителей I и II равна разности фаз высокочастотных коле

баний с частотой oil, подаваемых на вход этих смесите

лей.

Следовательно, используя описанный выше. прием, можно

определить разность фаз двух высокочастотных колебаний с по

мощью того или иного фазоизмерительного устройства, рабо

тающего на более низкой частоте. Поэтому такой метод измере

ния разности фаз получил название низкочастотного. Заметим,

что измеряемая на низкой частоте разность ,фаз не зависит от

начальной фазы ф0 вспомогательного генератора, который обыч

но называют гетеродином.

§ И. ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫЙ ГЕТЕРО Д И Н Н Ы Й М ЕТОД

В разработанных за последние годы светодальномерах широкое

распространение получили полупроводниковые излучатели,

имеющие небольшие габариты и массу в сочетании с малым

потреблением электроэнергии. Однако при работе в характерном

для фазовых методов непрерывном режиме мощность излучения

таких источников сравнительно мала, что существенно ограни

чивает дальность действия дальномеров. Использование в каче

стве источников излучения полупроводниковых импульсных ла

зеров позволяет устранить этот недостаток, но вызывает необхо

димость примеиспия импульсного метода, с помощью которого

трудно обеспечить требуемую высокую точность измерений.

Поиски компромиссных решений привели к разработке им

пульсно-фазового гетёродинного метода, удачно сочетающего

в себе положительные качества фазового и импульсного мето

дов. На рис. 15 приведена схема, поясняющая принцип реализа

ции такого метода в дальномерной технике.

К отражателю

Тракт опорного ci. ■■

Ш-

j -t

1Нф

Отражатель

♦

-o-

Om отражателя

Рис. 15. Упрощепм.’Ш функциональная схема импульсно-фазового гетеродин

ного дальномера:

1 — генератор масштпАнпЛ 'inciurw; 2 и 7 — формирователи импульсов; 3 — импульсный

источник излучения; 4 и й схемы сониадения; 5 — электронный цифровой фазометр; 6 —

генератор вспомогательно!! чпгтоты; 9 — фотоприемник '■

Данная схема является дальнейшим развитием рассмотрен

ного в предыдущем параграфе низкочастотного метода фазовых

измерений. Ее отличительные особенности состоят, прежде всего,

в том, что гармонические колебания, возбуждаемые генератора

ми масштабной 1 и вспомогательной 6 частот, преобразуются

в остроконечные импульсы с помощью введеных в схему форми

рователей импульсов 2 и 7. Такое преобразование позволяет реа

лизовать импульсный режим работы источника оптического из

лучения.

Период повторения излучаемых импульсов Тм связан с мас

штабной частотой /м соотношением

После прохождения удвоенной величины измеряемого рас

стояния 2D эти импульсы отстают во времени относительно

опорных импульсных сигналов на величину т = 2D/v. Поскольку

практически получаемое значение т может значительно превы

шать период повторения Тм, то, так же как и при фазовых изме

рениях, возникает неоднозначность определения значения т,

а следовательно, и D, обусловленная тем, что дальномером из

меряется запаздывание Дтм относительно ближайшего опорного

импульса (см. рис. 15). При этом

где N — число полных периодов повторения Тш, которое содер

жится в величине т и требуется определить с помощью дополни

тельных методов.

Для упрощения задачи измерения величины Атм с требуе

мой точностью в схеме предусмотрено своеобразное «гетероди-

нирование», т. е. понижение частоты следования импульсных

сигналов. Поставленная задача решается за счет использования

схем совпадения 4 и 8 и генератора вспомогательной частоты 6

(гетеродина), выполняющих роль смесителей в сочетании с ге

теродином в рассмотренном выше низкочастотном фазовом ме

тоде. Период повторения гетеродинных импульсов Тг выбирается

таким, чтобы он отличался от периода повторения масштабных

импульсов Тм на небольшую величину.

Импульсные сигналы на выходах схем совпадения появляют

ся только в случае совпадения во времени импульсов, поступаю

щих от масштабного генератора и гетеродина. При этом, так же

как для низкочастотного фазового метода, частота повторения

импульсных сигналов на выходах схем совпадения определяется

формулой

Г и = 1//М.

(38)

г = АТЫ + ЛтМ)

(39)

где через Та обозначен период повторения импульсов на выхо

дах схем совпадения.

Как показано на рис. 15, информационный импульсный сиг

нал на выходе схемы совпадения 8 запаздывает относительно

опорного сигнала на величину Дт0, которую измеряют электрон

ным цифровым фазометром 5. Для того чтобы установить взаи

мосвязь отмеченной величины Дт0 со значением измеряемого

расстояния D, используем выведенное в предыдущем параграфе

соотношение (37), согласно которому при преобразовании с по

мощью гетеродина частоты информационного и опорного сигна

лов разность фаз низкочастотных сигналов на выходах смеси

телей равна разности фаз высокочастотных сигналов на входах

смесителей, т. е.

Дфм = Асрй, (42)

где Дфм и Афа — разность фаз между информационным и опор

ным сигналами соответственно на входах и выходах смесителей.

Применительно к рассматриваемой схеме, где эквивалент

ные разности фаз могут быть выражены как

Дфм = 2я/мДтм; Дф2 = 2л F Дта,

величина запаздывания Ата оказывается связанной со значе

нием Дтм соотношением

Дтй= ^ Д т м. (43)

При этом формула (2а) для определения значения искомо

го расстояния D принимает вид

D = ^ (N T u + j- Дт0). (44)

Из анализа формулы (44) нетрудно установить, что погреш

ность в величине измеряемого расстояния D, обусловленная не

точностью определения значения Ата, зависит от отношения

F/fM. В реальных схемах дальномеров это отношение оценивает

ся величинами порядка 10-3-f-10-4, в результате чего требования

к обеспечению стабильности величины Дт0 в сравнении с вели

чиной Дтм снижаются в 103-М04 раз. При этом во столько же

раз может быть уменьшена частота повторения счетных импуль

сов в электронном цифровом фазометре при условии сохранения

разрешающей способности дальномера на прежнем уровне, со

ответствующем отсутствию преобразования частоты повторения

импульсных сигналов.

В рассматриваемой схеме путем подбора периода повторе

ния Тг импульсов вспомогательного генератора имеется возмож

ность регулировать период повторения Т0 низкочастотных им

пульсов и тем самым регулировать соотношение между реально

наблюдаемыми параметрами прибора, характеризующими ста

бильность и быстродействие работы отдельных узлов, и допуска

ми на эти параметры.

Поскольку требования к стабильности временных задержек

при прохождении информационных сигналов до входа в схему

совпадения и после выхода из нее различны, то место располо

жения схемы совпадения в тракте прохождения информацион

ного сигнала небезразлично. Так как значительно более жесткие

требования предъявляются к сигналам, с периодом следова

ния Гц, то схема совпадения должна быть размещена по воз

можности ближе к входу приемного устройства дальномера.

Что касается тракта прохождения опорного сигнала, то в нем

имеется возможность использовать как импульсные, так и непре

рывные гармонические сигналы. Для реализации последнего ва

рианта достаточно в рассматриваемой схеме (см. рис. 15)

вместо верхней схемы совпадения 4 использовать смесительный

каскад, на который следует подать гармонические сигналы не

посредственно от генераторов масштабной 1 и вспомогатель

ной 6 частот, минуя формирователи импульсов -2 и 7. Требуемые

для работы электронного цифрового фазометра 5 импульсные

опорные сигналы могут быть сформированы непосредственно

у входа в данный фазометр.

Более детальный анализ схемы, приведенной на рис. 15, сви

детельствует о том, что в тех случаях, когда в схему совпадения

поступают импульсные сигналы сравнительно большой длитель

ности, то условия совпадения во времени основного и вспомога

тельного импульсов выполняются одновременно для целой се

рии последовательных импульсов, в результате чего длитель

ность импульсов на выходе схемы совпадения становится во

много раз больше, чем длительность импульсов, поступающих

на входы схем совпадения. Чрезмерное увеличение отмеченной

длительности импульсов, поступающих на вход фазометра, мо

жет привести к понижению точности дальномерных измерений.

В связи с этим целесообразно с помощью формирователей им

пульсов формировать сигналы по возможности малой длитель

ности.

§ 12. МЕТО ДЫ РА ЗРЕШ ЕН И Я НЕОДНОЗНАЧНОСТИ, П РИ М ЕН Я ЕМ Ы Е

В СВЕТО- И РАДИОД АЛЬН О М ЕРАХ

При фазовых и импульсно-фазовых измерениях на одной мас

штабной частоте не удается в большинстве случаев обеспечить

получение однозначного значения искомой длины линии. Это

связано с тем, что фазовый угол или временное запаздывание,

обусловленные временем прохождения сигналом удвоенного зна

чения искомого расстояния, могут существенно превышать вели

чину периода масштабных колебаний, в то время как фазоизме

рительные устройства способны измерять отмеченные параметры

только в пределах одного периода. Поэтому при вычислении

значения D используется рабочая формула в виде соотношения

Процесс разрешения неоднозначности сводится к нахожде

нию неизвестной величины N, которая соответствует целому чис

лу полных периодов масштабных колебаний, укладывающихся

в величине т, представляющей собой время прохождения инфор

мационным сигналом искомого расстояния в прямом и обрат

ном направлениях.

В геодезических фазовых свето- и радиодальномерах исполь

зуют несколько различных методов разрешения неоднозначно

сти. При этом некоторые из них требуют не только проведения

значительного количества дополнительных измерений, но и по

следующих вычислений величины N. Другие разновидности та

ких методов позволяют автоматизировать весь процесс разреше

ния неоднозначности, в результате чего с отсчетного устройства

дальномера можно сразу снять полное значение измеряемого

расстояния.

В связи с вышеизложенным в настоящем параграфе рассмот

рены принципиальные особенности основных методов нахожде

ния величины N или непосредственно полной длины измеряемой

линии.

Один из методов разрешения неоднозначности, получивший

достаточно широкое распространение в 50—60-х годах, но при

меняемый в отдельных типах дальномеров и в настоящее время,

основан на использовании плавного изменения масштабной час

тоты в заданном диапазоне. Поскольку при изменении величи

ны f изменяется в соответствии с формулой (45) и значение оп

ределяемой разности фаз, то на определенной частоте fi можно

добиться того, чтобы Дф = 0. При этом

(46)

Для нахождения числа N будем продолжать изменять мас

штабную частоту (например, в сторону ее повышения). Если

масштабная-частота увеличивается, то длина волны колебаний,

определяющих длину используемого нами «метра», уменьшает

ся. Очередное выполнение условия Дф=0 будет наблюдаться

тогда, когда в измеряемом расстоянии уложится на одну поло

вину длины волны больше, т. е.