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

Подождите немного. Документ загружается.

Передающая часть

Модулятор Передающая

Источник

— с>

оптического

оптическая

Z ~ t l —

излучения

система

Вспомогательный

Генератор Линия оптичес

генератор

' >

Смеситель /

масштабной

кого короткого

(гетеродин) частоты

замыкания

Опорный сигнал

F ■= '* - f

Информационный

сигнал

F = f - f

Приемная часть

Фазоизмеритель

ное устройство

Отражатель

Смеситель //

Фотоэлектрон

___

Приемная

ный приемник

система

_____

от отражателя

Рис. 25. Обобщенная функциональная схема фазового светодальномера

Для обеспечения высокой точности измерений свет модули

руют с частотой в десятки мегагерц. Поэтому одним из основ

ных требований, предъявляемых к модулятору, является тре

бование малой инерционности его работы. Кроме того, необхо

димо, чтобы потери света в модуляторах были минимальны,

;i глубина модуляции светового потока была максимальной.

При создании портативных светодальномеров стремятся к то

му, чтобы функции источника излучения и модулятора света

органически объединить в одном узле.

Как уже отмечалось ранее, масштабная частота определяет

длину того «метра», которым измеряется расстояние. Поэтому ее

нестабильность непосредственно влияет на точность выполняе

мых линейных измерений. Исходя из вышеизложенного, основ

ное требование, которое предъявляется к генератору масштаб

ной частоты, состоит в том, чтобы обеспечить генерирование

стабильных по частоте электрических колебаний в заданном

частотном диапазоне. Эта задача успешно решается с по

мощью современных радиоэлектронных схем, причем для ста

билизации частоты, как правило, используют кварцевые резо

наторы.

Основное назначение включенной на выходе модулятора пе-

радающей оптической системы состоит в том, чтобы сконцент

рировать излучаемый световой поток в узкий луч с малым уг

лом расходимости, который в процессе выполнения измерений

направляется на удаленный отражатель. Кроме того, как было

отмечено в § 15, для повышения стабильности приборной по

правки в состав светодальномера вводят линию оптического

короткого замыкания (ОКЗ). В связи с этим дополнительная

функция передающей оптической системы состоит в том, чтобы

обеспечить необходимую коммутацию излучаемого сигнала при

работе на удаленный отражатель и на линию ОКЗ.

Наряду с вышеизложенным передающая часть любого све

тодальномера должна быть связана с приемной частью кана

лом для прохождения опорного сигнала. В соответствии со

схемой, приведенной на рис. 25, этот сигнал в современных

дальномерах передается в большинстве случаев от генератора

масштабной частоты в фазометр по электрическим цепям, при

чем для реализации рассмотренного в § 10 низкочастотного

метода фазовых измерений в указанном тракте происходит

преобразование частоты с fM на F = f„ — fB, для чего в обоб

щенной функциональной схеме предусмотрены такие узлы, как

гетеродин, генерирующий колебания с частотой fB, и смеси

тельное устройство (смеситель /).

Основное назначение приемной части светодальномера со

стоит в том, чтобы принять поступающий с дистанции или по

линии ОКЗ оптический информационный сигнал, преобразо

вать его в электрический и произвести фазовое сравнение

с опорным сигналом. Эта задача решается с помощью таких

основных узлов, как приемная оптическая система, фотоэлект

ронный приемник и фазоизмерительное устройство, взаимодей

ствие которых показано на рис. 25.

К приемной оптической системе предъявляются требования

концентрации оптического излучения, поступающего или с дис

танции, или по линии ОКЗ на входе фотоприемника. В конст

руктивном отношении приемная и передающая оптические си

стемы имеют много общих технических решений, что создает

предпосылки для их совмещения. В современных светодально-

мерах сравнительно часто применяют совмещенные оптические

системы, что позволяет не только сделать конструкцию дально

мера более компактной, но и устранить трудности эксплуата

ции дальномеров на линиях небольшой длины, обусловленные

несовмещением траекторий, по которым распространяются из

лучаемые и принимаемые световые сигналы.

Фотоэлектронные приемники, применяемые в светодально-

мерах, предназначены для преобразования принимаемого мо

дулированного оптического сигнала в электрический с после

дующим выделением информационного сигнала. К фотоприем

никам предъявляются такие основные требования, как высокая

чувствительность к слабым световым сигналам используемого

спектра излучения, способность выделения с минимальным ос

лаблением информационного сигнала на фоне различного рода

шумов и других побочных компонент спектра излучения. Кро

ме того, при реализации низкочастотной методики фазовых

измерений фотоприемник, как правило, выполняет и функции

смесителя (на рис. 25 — смеситель II). С помощью такого

смесителя информационный сигнал масштабной частоты дол

жен быть преобразован в низкочастотный сигнал с частотой

F, которую имеет и опорный сигнал, поступающий в фазометр.

Что касается фазоизмерительного устройства, в которое по

ступают как опорный, так и информационный сигналы, то в

современных светодальномерах это устройство используется не

только для измерения разности фаз между упомянутыми сиг

налами, но и принимает на себя функции по предварительной

обработке результатов измерений. В частности, применяемые

в большинстве светодальномеров последних лет цифровые фа

зометры в сочетании со встроенными в дальномер микропро

цессорами позволяют автоматически на цифровом табло по

лучать полное значение искомого расстояния, автоматически

корректировать исходную информацию и автоматически управ

лять всем процессом измерений.

§ 18. О БОБЩ ЕН НАЯ Ф УН КЦ И О НАЛЬН АЯ СХЕМ А Д АЛ ЬН О М ЕРА

С А КТИ ВН Ы М ОТВЕТОМ

Дальность действия любого дальномера, основанного на ис

пользовании распространяющихся в пространстве электромаг

нитных волн, существенно зависит от того, какая часть излу

чаемой энергии перехватывается на удаленном конце и пере-

излучается в обратном направлении. Чем больше поверхность

отражателя и чем меньше угловая расходимость выходящего

из передатчика потока электромагнитной энергии, тем даль

ность действия дальномера при прочих равных условиях ста

новится больше. В свою очередь, угловая расходимость зави

сит от длины волны используемых несущих колебаний, возрас

тая с увеличением последней. Поэтому переход из оптического

диапазона в ультракоротковолновый неизбежно связан с уве

личением угловой расходимости излучаемой энергии. Такое уве

личение приводит не только к значительному уменьшению

дальности действия дальномера, но и к опасности получения

«ложных» сигналов, отраженных от сторонних объектов, попа

дающих в зону облучения. В связи с вышеизложенным при

разработке современных фазовых радиодальномеров вместо

пассивных отражателей преимущественно используют активные

ответчики.

Основное требование, предъявляемое к таким ответчикам,

состоит в том, чтобы обеспечить необходимое усиление переиз-

лучаемых сигналов, причем время, которое затрачивают сигна

лы на прохождение по каналам активного ответчика, должно

быть достаточно стабильным или исключаться из результатов

дальномерных измерений за счет использования соответствую

щей методики.

Активный ответчик, применяемый в геодезических фазовых

радиодальномерах и получивший название ведомой станции, в

конструктивном отношении подобен основной станции радио

дальномера, на которой выполняют фазовые измерения и ко

торая получила название ведущей станции. В современных ра

диодальномерах очень часто обе станции делают одинаковыми,

т. е. каждая станция может работать как в режиме «ведущей»,

так и в режиме «ведомой».

Основой для построения обобщенной функциональной схемы

современного высокоточного дальномера с активным ответом

послужила схема, предложенная в начале 30-х годов советски

ми учеными JI. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Эта

схема является логическим развитием схемы, приведенной на

рис. 14 для пояснения принципа низкочастотного метода фазо

вых измерений. Непосредственно из этой схемы видно, что при

размещении на одной из станций радиодальномера генератора,

возбуждающего колебания с частотой соь смесителя I и фазо

измерительного устройства, а на другой станции — вспомога

тельного генератора с частотой свг и смесителя II, может быть

создан дальномер, схема которого приведена на рис. 26.

Рассмотрим принцип действия такой схемы и выведем для

нее рабочую формулу, по которой вычисляют величину изме

ряемого расстояния D.

Генератор ведущей станции на данной схеме представляет

-------

Измеряемое расстояние D

-------

►!

Рис. 26. Упрощенная схема радиодальномера, базирующаяся на низкочастот

ном методе фазовых измерений

собой источник гармонических колебаний, текущая фаза кото

рых в общем виде описывается формулой (16),

МО —®i* + <P0l. (86)

где ел и ф01 — угловая частота и начальная фаза этих колеба

ний;

— текущее время.

С помощью антенной системы гармонические колебания из

лучаются в направлении удаленной станции, а частично попа

дают и на вход собственной приемной антенны. Следовательно,

передающая антенна ведущей станции является в данном слу

чае тем разделительным узлом, в котором информационный

сигнал отделяется от опорного.

Для информационного сигнала, прошедшего путь от веду

щей станции до ведомой, текущая фаза на входе смесителя I I

в соответствии с формулой (17) определяется соотношением

(О = Ю1 (* ■~ i r ) + 4V (87)

где D — измеряемая дальность; v — скорость распространения

радиоволн на участке от ведущей станции до ведомой.

В состав удаленной ведомой станции также входит незави

симо работающий генератор гармонических колебаний, частота

которого несколько отличается от частоты генератора ведущей

станции. Если обозначить частоту генератора ведомой станции

через «г, а начальную фазу — через <ро2 , то по аналогии с урав

нением (8 6 ) можно записать

62(0 = оу + фо2. (88)

Антенная система ведомой станции, в свою очередь, излу

чает колебания с частотой мг в направлении ведущей станции,

причем частично эти колебания попадают на вход приемного

устройства собственной станции, т. е. на вход смесителя II.

Поскольку генерирование колебаний с частотами coi и (Ог

соответственно на ведущей и ведомой станциях происходит од

новременно, то поступающие на вход смесителя I I колебания

с этими частотами смешиваются, и на выходе данного смесите

ля выделяются колебания разностной частоты с текущей фа

зой, равной разности текущих фаз колебаний, поступающих на

вход смесителя:

ав (0 = (0 — 02 (0 = & — © 1 + Ф01— Фо2. (89)

где Q = coi— (02 — разностная частота.

Аналогичный процесс происходит и на входе приемного

устройства ведущей станции, где опорный сигнал с частотой

©I смешивается с пришедшими с дистанции колебаниями с ча

стотой юг, имеющими текущую фазу:

02л(О = (о2(^ - |- ) + фО2. (90)

Текущая фаза для колебаний разностной частоты на выхо

де смесителя I определяется при этом соотношением

04(0=01 ( 0 — 02л ( 0 = :Q t + (O2 -§- + 4>01— Фо2- (91)

Из анализа уравнений (89) и (91) нетрудно заметить, что

колебания, текущая фаза которых описывается данными урав

нениями, имеют одинаковую частоту и содержат составляющую

фазового сдвига, пропорциональную величине измеряемого рас

стояния. Поэтому по измеренной разности фаз между указан

ными колебаниями нетрудно вычислить интересующую нас ве

личину D. Однако отмеченные колебания существуют на уда

ленных друг от друга станциях. В связи с этим возникает

необходимость передачи одного из низкочастотных сигналов

с одной станции на другую. Обычно такую передачу осуществ

ляют с ведомой станции на ведущую по специальному радио

каналу. На рис. 26 этот канал, в состав которого входят вспо

могательные передатчик и приемник, условно показан штри

ховыми линиями. Следует заметить, что при такой передаче

низкочастотные колебания получают дополнительные фазовые

сдвиги, обусловленные временем прохождения по электриче

ским цепям ведомой станции, измеряемого расстояния от ведо

мой станции до ведущей и временем прохождения по электри

ческим цепям ведущей станции от входа вспомогательного при

емника до фазометра. В результате в фазоизмерительное уст

ройство со стороны вспомогательного приемника поступают

колебания разностной частоты £2 с текущей фазой, равной

рв (*)=ад(*)-Д Фа- Й -£— Д«р/, (92)

где Дфв — дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный вре

менем прохождения колебаний с частотой Q от смесителя I I

до выхода вспомогательного передатчика на ведомой станции;

Дф'л — дополнительный фазовый сдвиг, характерный для тех

же колебаний на участке от входа вспомогательного приемни

ка до фазометра ведущей станции.

Если учесть, что Q = соi — 0)2, и раскрыть значение осв(/),

определяемое формулой (89), то соотношение (92) принимает

вид

рв (0 = Ш — 2со1 -5- + со2 -5- + ф01 — ф02— Дфв— А ф/ . (92а)

Для колебаний, поступающих на другой вход фазометра со

стороны смесителя /,лимеем

РА (О = ал (t)— Дфл = Qt + со2 + ф01 — ф02— Дфл, (93)

где Дфл — дополнительный фазовый сдвиг, который приобре

тают колебания с частотой Q на участке от смесителя I до фа

зометра на ведущей станции. С помощью фазометра измеря

ют разность фаз колебаний, текущие фазы которых определя

ются соотношениями (92 а) и (93):

^ '= М 0 - М 0 = 2(0,-^+ Y, (94)

где у = Дфв + Дф/л — Дфл — суммарная фазовая поправка, воз

никающая за счет задержек сигналов при их прохождении по

электрическим цепям ведущей и ведомой станций.

На основании соотношения (94) нетрудно получить исход

ную формулу для вычисления расстояния D:

= (95>

гдеЯ1 = 2 я-^

длина волны колебаний с частотой шь

011

Отметим основные особенности рассмотренной схемы даль

номера:

1. Фазометр в данной схеме работает на разностной часто

те Q, а измеряемая разность фаз г|/ пропорциональна более

высокой частоте coi генератора ведущей станции, т. е. частоте

той станции, на которой выполняются фазовые измерения.

2. Измеряемая разность фаз г|/ не зависит ни от частоты

<02 генератора ведомой станции, ни от начальных фаз колеба

ний, возбуждаемых генераторами обеих станций.

3. В качестве «метра», которым измеряется расстояние, ис

пользуется длина волны Ль определяемая частотой coi ведущей

станции. В связи с этим данную частоту часто называют мас

штабной и к ней предъявляют высокие требования в отноше

нии стабильности ее значения. Что же касается частоты к>2

генератора ведомой станции, то она может иметь более низкую

стабильность.

4. Для реализации рассмотренной схемы необходимо между

удаленными станциями иметь три канала для передачи интере

сующей нас информации, в то время как в дальномерах с пас

сивным ответом нужно только два таких канала.

Из других особенностей анализируемой схемы следует отме

тить свойственную этой схеме условность понятия опорного и

информационного сигналов, так как в соответствии с формула

ми (92 а) и (93) оба поступающих в фазометр сигнала несут

в себе информацию о величине измеряемого расстояния D.

Кроме того, роль приведенной на рис. 26 ведомой станции как

активного ответчика не сводится лишь к переизлучению прини

маемого сигнала. Эта станция не только переизлучает приня

тый сигнал на преобразованной низкой частоте £2, но и неза

висимо излучает собственные колебания на частоте юг-

Однако, несмотря на отмеченные особенности работы ведо

мой станции, приведенная на рис. 26 схема дальномера с пол

ным основанием может быть отнесена к схемам с активным

ответом, так как в отличие от схем с пассивными отражателя

ми, где излучаемые колебания обязательно проходят измеряе

мое расстояние дважды, в этой схеме все излучаемые колеба

ния проходят искомое расстояние только в одном направлении.

Рассмотрим принцип учета поправки у, которая должна

быть или измерена каким-либо независимым способом, или

исключена из результатов измерений за счет применения со

ответствующей методики. В современных радиодальномерах

нашел широкое применение последний метод.

Сущность этого метода состоит в том, что на ведомой стан

ции вместо одного генератора с частотой сог используют два

генератора с частотами сог и со'2, для которых выполняется

соотношение

со2'— ю1 = со1— (o2 =Q, (96)

т. е. <й'2><»1, a co2<(0i на одну и ту же величину Q.

Проанализируем, каким изменениям подвергается рабочая

формула (94), если измерения выполняются с использованием

частоты о)'2. Прежде всего основное отличие состоит в том, что

отдельные слагаемые текущей фазы для колебаний с частотой

Q, образующихся на выходах смесителей / и II, меняют свои

знаки. Это обусловлено тем, что в качестве уменьшаемого в

разностях, используемых в формулах (89), и (91), всегда слу

жит текущая фаза тех колебаний, частота которых выше.

В связи с этим формулы (89) и (91) при использовании час

тоты (о'2 принимают вид

где Q = (of2 — (Оь ф'о2 — начальная фаза колебаний с частотой

По аналогии с выполненными выше математическими вы

кладками получим исходную формулу для измеряемой фазо

метром разности фаз, которая при использовании частоты

ю'г принимает вид

Сопоставление этой формулы с формулой (94) (которые от

личаются тем, что на ведомой станции использованы различ

ные частоты) свидетельствует о том, что при выполнении усло

вия (96) составляющая фазового сдвига, пропорциональная

величине измеряемого расстояния, изменяет свой знак на про

тивоположный, а поправка ■у сохраняет при этом свой знак.

В результате при последовательных измерениях с использова

нием на ведомой станции частот <в2 и со'г и последующем взя

тии полуразности отсчетов if)' и г]/' будем иметь

Из полученного соотношения следует, что полуразность из

меренных значений г|/ и

ty"

оказывается свободной от дополни

тельных фазовых сдвигов, характеризуемых величиной у.

Решая уравнение (97) относительно искомого расстояния

D и дополняя его значением приборной поправки К, физиче

ский смысл которой раскрыт в § 15, получим

а в (О = 02 (0 ■— 01в (0 = Qt + со 1 -7-+ ф'о2— ЧЧ г

«А (О = 02л ( 0 — 01 (0 = Q t~ w2 1 Г + ф'о2— Фог.

яр" = рл (0 -Р в (0 = г 2со1^- + Т.

(97)

(98)

или с учетом того, что -ф = cojx,

где т — время, которое затрачивают радиоволны на прохожде

ние искомого расстояния в прямом и обратном направлениях.

Соотношение (99) наиболее часто используется в качестве

основной рабочей формулы при радиодальномерных измере

ниях.

Один из основных недостатков приведенной на рис. 26 схе

мы состоит в том, что в ней совмещены функции несущих и

масштабных колебаний. Такое совмещение создает значитель

ные трудности при реализации схем высокоточных фазовых

дальномеров. Кроме того, наличие в данной схеме дополнитель

ных передатчика и приемника существенно осложняет конст

рукцию станций радиодальномера и их эксплуатацию.

В современных высокоточных фазовых радиодальномерах

■отмеченные недостатки устраняются посредством разделения

функций несущие и масштабных колебаний. При этом в каче

стве несущих колебаний используются колебания УКВ диапа

зона, а в качестве масштабных — колебания с оптимальными

для фазовых измерений частотами (от 1,5 до 100— 150 МГц).

Несущие колебания, излучаемые ведомой станцией, использу

ются в таких дальномерах для одновременной передачи двух

сигналов: сигнала с частотой а>2, а также низкочастотного сиг

нала с частотой £2. При этом отпадает необходимость исполь

зования вспомогательных передатчика и приемника. Обобщен

ная функциональная схема, удовлетворяющая перечисленным

выше требованиям, приведена на рис. 27.

Непосредственно из рисунка видно, что передающая часть

как ведущей, так и ведомой станции состоит из тех же основ

ных узлов, что и передающая часть дальномера с пассивным

ответом, т. е. из источника несущих колебаний, модулятора и

генератора масштабной частоты (на ведомой станции роль по

следнего выполняет генератор вспомогательной частоты). Ос

новные требования, которые предъявляются к этим узлам

в дальномерах с активным и пассивным ответами, также име

ют много общего. В частности, к источнику несущих СВЧ ко

лебаний предъявляется, прежде всего, такое требование, как

обеспечение генерирования колебаний необходимой амплитуды

в заданном диапазоне частот. Модулятор должен с высокой

скоростью эффективно управлять одним из параметров несу

щих колебаний под воздействием колебаний, поступающих от

генератора масштабной или вспомогательной частот.

В современных фазовых УКВ радиодальномерах значитель

но чаще, чем в светодальномерах, объединяют функции источ

ника излучения с модулятором. В таких случаях к источнику

СВЧ колебаний предъявляются все те требования, которым

должен удовлетворять модулятор.

В качестве основного вида модуляции в радиодальномерах

рассматриваемого типа используют, как правило, частотную

модуляцию.