Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

го потока может быть получен

по

формуле

*пер

" r

оп

M d2

. (10.61)

ист

ист '

Из

рис. 116

следует,

что

расходимость передаваемого пучка

первом

приближении равна

"к

^ст ^

'пер

(10.62)

ер

дистанция формирования (оформления) пучка

Для

безаберраци-

онной системы, когда плоскость светящейся площадки приведенного

(расчетного) источника излучения*

HCT

находится

плоскости наи-

лучшей установки, будет

=-^--^/

nep

(10.63)

пер

Использование различных излучателей

модуляторов вызывает

соответствующие изменения

схеме передающей системы,

располо-

жении

ее

элементов

требованиях

к ним.

Некогерентные источники света (лампы накаливания, дуговые лам-

пы) дают изотропное (примерно равномерное

во все

стороны) излуче-

ние

широком спектре.

Для

обеспечения хорошей направленности

такого излучения

хорошего качества принимаемого изображения

необходимы сложные

хорошей коррекцией аберраций оптические сис-

темы. Излучение лазеров неизотропное,

узком диапазоне спектра,

поэтому достаточно высокую направленность можно обеспечить отно-

сительно простыми системами,

а к

коррекции хроматической аберра-

ции высоких требований

не

предъявляется.

Рассмотрим несколько частных случаев общей схемы

(см. рис. 116).

Излучатель

газовый лазер.

На конденсор надает узкий, почти параллельный пучок, передающая

система близка

телескопической. Расходимость передаваемого пучка

^ист

1к

пср

= 26' = = —т^- = 20Г, (10.64)

Aiep

^пер

где

Г =

//„

увеличение передающей системы.

Для когерентных источников света

лазеров угол расхождения

лу-

чей

световом пучке (рад.) может быть определен

по

приближенной

зависимости

~ 1,2 Ху/1, где Х

длина волны излучения,

мкм;

длина оптического резонатора,

мм. С

помощью простой телеСкопи-

Коллимирующая

телескопии,

система

ACT

Г/А

~Гпер

ACT

Г/А

~Гпер

ACT

Г/А

~Гпер

f f

Pric.

777.

Оптические схемы передающей оптической системы светодальномеров:

—

коллимирующая система типа трубы Кеплера;

б —

источник света — лазер,

коллимирующая оптическая система типа трубы Галилея;

— источник света —

светодиод

ческой системы

(рис. 117, а)

расходимость уменьшается приблизитель-

но

nep/

/пер//к

аз

Р*

При

внутренней модуляции светового потока,

также

при

исполь-

зовании модулятора, требующего узкого параллельного пучка (ячейка

Поккельса),

его

удобно установить непосредственно после лазерного

излучателя,

конденсор выполнить

виде отрицательного компонента,

который вместе

передающим объективом образует телескопическую

систему типа трубы Галилея

(рис. 117,6).

Продольные габариты пере-

дающей оптической системы уменьшаются,

а при

мощном лазерном

излучении, необходимом, например,

для

импульсных светодальномеров,

устраняется опасность электрических пробоев, существующая

системах

с фокусируемым лазерным излучением

(на рис. 117,

—

труба Кеплера).

В случае, когда источником излучения является лазер

применена кол-

лимирующая телескопическая система, коэффициент эффективности

передающей оптической системы определяется выражением

пер

2(1

+ 7)

(10.65)

где

коэффициент пропускания телескопической коллимирующей

системы.

При использовании внутренней модуляции, например,

полупровод-

никовом лазере,

из

схемы

(см. рис. 117,6)

исключается модулятор,

а коэффициент эффективности передающей системы определяется

вы-

ражением

*пер

1Я)|Я,

(10.66)

где т

—

глубина модуляции.

Несмотря

на

недостатки, связанные

фазовостыо пучка,

пере-

дающих системах используется модулируемый

по

питанию светодиод

(рис.

117, в),

устанавливаемый

фокальной плоскости передающего

объектива. Поскольку модуляция внутренняя, модулятор отсутствует.

Относительное отверстие объектива определяется диаграммой направ-

ленности излучения светодиода

(в

спонтанно работающих светодиодах

—

до

60°, в

лазерных диодах диаграмма имеет сложную форму).

Коэффициент эффективности передающей системы

со

светодиодом

(см.

рис. 117, в)

определяют

по

формуле

*пе

оп

—7

(10.67)

ист •'пер

Отражающая система. Отражатель должен захватить

направить

в приемную систему максимальную часть светового потока, излучаемо-

го передающей системой светодальномера.

В качестве отражателей могут быть использованы плоские, сфери-

ческие

параболические зеркала; зеркально-линзовые отражатели;

уголковые отражатели,

числе которых отражатели

виде призменного

тетраэдра (трипельпризмы). Наиболее простым отражателем является

плоское зеркало,

но оно

требует очень точной ориентировки (ошибка

не более

2—4"), и

поэтому

от его

применения

большинстве случаев

отказываются.

Наибольшее распространение получили отражатели,

не

требующие

точной ориентировки,

среди

них —

зеркально-линзовые отражатели

и трипельпризмы. Отражатели изготавливают

виде мозаики

из N

одинаковых элементов,

что

позволяет

при

равной площади сбора потока

обеспечить меньшую расходимость отраженного пучка

более равномер-

ную облученность

по

сравнению

одноэлементным отражателем.

На

рис. 118

приведена оптическая схема многоэлементного (мозаич-

ного) зеркально-линзового отражателя.

На рис. 118,а

показан

зеркально-линзовый элемент

одним отражением, состоящий

из

объек-

тива

1 с

диаметром

Д»

(диаметр входного

выходного зрачка)

и фо-

кусным расстоянием

/' и

плоского зеркала

Отражащая поверхность

зеркала

находится

фокальной плоскости объектива

1. В

целях

со-

кращения габаритных размеров

или

увеличения фокусного расстояния

при

тех же

размерах применяют зеркально-линзовые элементы

двумя

Рис.

118.

Оптические схемы

зеркально-линзовых

отражателей

отражениями

(рис. 118,6").

Вместо объектива может быть использовано

зеркало Манжена

двумя неконцентрическими сферическими поверх-

ностями

(рис. 118, в).

Зеркально-линзовый отражатель необходимо ориентировать относи-

тельно приемопередающей системы светодальномера

погрешностью

не

более нескольких угловых минут. Например,

для

одного

из

зеркально-

линзовых отражателей погрешность ориентирования, равная

10',

при-

вела

к 4

%-ному виньетированию светового потока.

Трипельпризма

элемент призменного мозаичного отражателя

(рис.

119)

имеет

три

взаимно перпендикулярные отражающие грани

и входную грань

виде правильного шестиугольника. Световые лучи,

упавшие

на

входную грань, после поочередного отражения

от

всех трех

отражающих граней выходят

из

призмы

направлении, обратном

и па-

раллельном первоначальному.

Это

свойство трипельпризмы позволяет

ориентировать

ее

относительно светодальномера довольно грубо

(не-

сколько градусов). Однако

целью обеспечения пренебрегаемо малых

изменений постоянной поправки светодальномера

действующей площа-

ди входного зрачка следует ориентировать трипельпризму

погреш-

ностью

не

более

°, что

значительно грубее любого отражающего элемен-

та другого типа. Следует отметить, однако,

что к

точности изготовления

трипельпризмы предъявляются довольно высокие требования,

так что

трипельпризма является дорогим элементом.

Расходимость отраженного

от

отражателя светового пучка можно

определить

по

формуле

[20]

Оотр

*от

Р2

(Ю.68)

где

OTpi

^эл/

расходимость попадающих

на

отражатель лучей

(зависит

от

диаметра,

но не от

типа элемента);

отр2

расходимость,

вызванная погрешностями изготовления отражательного элемента

(зависит

от

типа элемента).

Для зеркально-линзового отражательного элемента расходимость

0Т

определяется расфокусировкой линзы,

ее

аберрациями

децентри-

ровкой, наклоном

клиновидностью зеркал

и т.п.

Суммарная расходи-

мость

при

относительном отверстии линзы

не

более

1:5 и

соблюдении

обычных конструктивных

технологических требований

не

превыша-

ет

30".

Для трипельпризмы угол расхождения

отр2

определяется

основ-

ном погрешностью

Да

изготовления двугранных прямоугольных углов.

[20]

показано,

что

тр

ЮДа.

Современный уровень изготовле-

ния призм позволяет получить ошибку

Аа не

более

1".

Таким образом,

минимальная расходимость пучка из-за погрешностей изготовления

трипельпризмы

тр

•

Так

как

часть расходимости

тр,

зависит

от расстояния

обратно пропорциональна

ему, при

значительных рассто-

яниях (свыше нескольких километров) расходимость отраженного

светового потока будет определяться

основном второй частью,

т.е.

можно принять

охр

тр

•

Весьма важное значение приобретает возможность измерения рас-

стояния

до

объекта

локационном режиме, особенно

при

создании

измерительных комплексов

для

космической геодезии.

Эта

возможность

появилась благодаря развитию лазерной техники, созданию мощных

лазеров. Специальный отражатель отсутствует,

отражателем является

диффузно рассеивающая поверхность самого объекта (рейка, здание,

спутник, поверхность земли

т.п.). Диффузно рассеянное отражение

возникает, если размеры неровностей отражающей поверхности больше

длины волны света. Телесный угол,

котором распространяется отра-

женный световой поток, равен

ет, что

значительно больше телесного

угла, падающего

на

поверхность светового пучка. Отсюда

—

большие

потери энергии

соответственно большие требуемые мощности свето-

вого потока.

Для этого случая яркость

L (или

лучистость) освещенной поверх-

ности может быть найдена

по

закону Ламберта

= р —, (10.69)

где

—

коэффициент отражения (Альбедо) поверхности;

—

освещен-

ность отражающей поверхности.

Освещенность

определяют

по

формуле

4ф

ист*пе

~77в—77—• (Ю.70)

где Ф

иСТ

световой поток, излучаемый источником.

Приемная оптическая система геодезического светодальномера

(рис.

120)

обычно состоит

из

следующих основных элементов: объекти-

ва

демодулятора

линзовой согласующей системы

светофильт-

ра

приемника излучения

5. В

визуальных светодальномерах приемная

г*

2 3 4

Г'

Рис.

120.

Обобщенная оптическая схема приемной оптической системы светодаль-

номера

оптическая система аналогична зрительной трубе,

которой сетка нитей

заменена демодулятором.

При

использовании фотоэлектрических прием-

ников излучения демодулятор отсутствует,

а его

функции выполняет

приемник излучения. Выше указывалось,

что в

фазовых светодальноме-

рах

непосредственным измерением разности

фаз и в

импульсных свето-

дальномерах демодулятор также отсутствует.

Диаметр

Д,

входного зрачка приемной системы должен быть

не

более диаметра /)

ер выходного зрачка передающей оптической системы,

поскольку

увеличением

возрастают одновременно полезный

фоновый потоки,

а при

увеличении

nepi

возрастает только полезный

поток. Учитывая,

что

влияние турбулентности атмосферы

при

увеличе-

нии диаметра входного зрачка

уменьшается,

при

измерении боль-

ших расстояний (более нескольких десятков километров) диаметр

входного зрачка выбирают

не

менее

50 мм.

Аберрационная коррекция

объектива приемной системы выполняется менее тщательно,

чем для

объектива передающей системы. Поэтому относительное отверстие объ-

ектива приемной системы можно выполнить большим

по

сравнению

с передающей оптической системой.

Угловое поле приемной оптической системы светодальномера

по

ана-

логии

другими оптическими системами определяется следующей

за-

висимостью:

где

2у'

—

линейное поле приемной оптической системы;

—

фокусное

расстояние объектива приемной оптической системы.

Размер линейного поля определяется:

системах

демодулято-

ром

—

диаметром входного окна демодулятора,

т.е. 2у' = D^;

в системах

без

демодулятора линейное поле должно быть

не

меньше диа-

метра

Doxp

изображения отражателя

фокальной плоскости объекти-

ва приемной оптической системы,

т.е.

2и

2 arctg -~ ,

(10.71)

(10.72)

где

S -

измеряемое расстояние,

а -

суммарная угловая аберрация

объектива приемной оптической системы [а

< 0,2 (2

со)];

N-

число эле-

ментов мозаичного отражателя;

эп

диаметр входного (выходного)

зрачка отражательного элемента;

/' -

фокусное расстояние объектива

приемной оптической системы.

Специальная оптическая система

3 (см. рис. 120),

чаще всего линзо-

вая,

служит

для

согласования диаметра

OTp

изображения отражателя

с оптимальным диаметром

(освещенного пятна

плоскости чувст-

вительной зоны приемника). Увеличение

Л с

этой системы будет

0л.с

= •

(Ю.73)

отр

Величина

выбирается исходя

из

типа приемника, оптимального раз-

мера

его

наиболее чувствительного участка. Например, для большинства

фотоэлектронных умножителей, применяемых

светодальномерах,

= (0,6 - 2,0) мм.

Светофильтре

(см.

рис.

120)

применяют

для

обеспечения спектраль-

ной селекции принимаемого светового потока

от

фонового потока.

Освещенность

/Г,

создаваемую отраженным световым потоком

плоскости входного зрачка приемной системы, можно найти

по

фор-

муле

*ист *пер *отр

*а

а^

£•=

, (10.74)

где

тр

площадь кружка

плоскости входного зрачка прием-

ной оптической системы.

Поскольку приемная

передающая системы функционально

кон-

структивно объединены

одном блоке, целесообразно рассмотреть осо-

бенности общей системы приемопередатчика.

Оптические системы приемопередатчиков можно разделить

на три

группы: разнесенные, совмещенные

коаксиальные.

Разнесенные системы имеют раздельные передающую

приемную

части, оптические

оси

которых параллельны. Разнесенные системы при-

менены

таких светодальномерах,

как

геодиметры моделей

2, 3, 4

(Швеция);

EOS и БОК

(ГДР), советские светодальномеры

ЭОД-1,

СВВ-1,

СГ-2М

и др.

Разнесенные системы имеют некоторые светодально-

меры

газовыми лазерами, например советский "Кварц"

геодиметр,

модель

(Швеция),

также светодальномеры

полупроводниковыми

излучателями, например

МСД

(СССР),

БОК 2000

(ГДР), "Дистомат"

(Швейцария)

и др. При

использовании лазерных излучателей оказыва-

ется целесообразным выполнять передающие

приемные системы

неидентичными.

На

рис. 121

представлена схема приемопередатчика светодальномера

"Кварц".

качестве источника света используется газовый гелий-неоно-

вый лазер 1 типа ЛГ-56, излучение которого через призму 2 фокусиру-

ется конденсором 3 в рабочем зазоре конденсатора Керра 4> находя-

щегося в фокальной плоскости линзового передающего объектива 5

(Aiep

45 мм, /

пер

348,7

мм). Приемный зеркально-линзовый теле-

объектив б, 7, 8 имеет относительное отверстие 1:7, /

пр

= 966 мм;

Aip

138 мм. Зеркально-линзовый компонент наклеен на плоскопа-

раллельное защитное стекло б, что позволяет закрыть внутреннюю плос-

кость приемной трубы. Принимаемое излучение проходит через перемен-

ный нейтральный фильтр 9, состоящий из двух клиньев из стекла НС-10,

и прямоугольной призмой 10 направляется в плоскость раздвижной

диафрагмы 11. Также прямоугольной призмой 12 излучение направля-

ется на фотокатод 15 (ФЭУ-38) через интерференционный фильтр 13 и

конденсор 14. Двухлинзовая конденсорная система изображает на фото-

катоде с уменьшением выходной зрачок приемного объектива.

Для осуществления визирования через приемную систему после

17 18

V» V* «

ffl

rTTi

—*t——\

Рис. 122. Оптическая схема геодиметра, модель 8 (Швеция)

раздвижной диафрагмы 77 в пучок лучей может быть введена прямо-

угольная призма 76, отклоняющая принятый пучок в микроскоп 17

с сеткой нитей. Калибровка прибора осуществляется с помощью линии

короткого замыкания постоянной длины. Она состоит из двух просвет-

ленных плоскопараллельных пластинок 18 и 79, установленных под

углом 45° к оси после модулятора в передающей системе и перед фоку-

сирующим объективом в приемной системе. Между пластинками поме-

щена линзовая двухкомпонентная система 20, которая преобразует вы-

шедший из модулятора пучок в параллельный, полностью заполняющий

фокусирующий объектив 8 приемной системы.

Светодальномер "Кварц" имеет также отдельный визир 27, состоя-

щий из ахроматического объектива и симметричного окуляра с сеткой.

Отражатель светодальномера "Кварц" состоит из трех блоков по 19

трипельпризм со стороной входной грани С = 28 мм и точностью изго-

товления прямых углов ±2". При благоприятных условиях дальность

измерений достигала 70 км.

На

рис. 122

приведена оптическая схема шведского геодиметра

(модель

8),

которая отличается относительной простотой

небольши-

ми габаритами

[20]. В

качестве источника света используется

He-Ne

лазер

хорошими параметрами,

что

позволяет

благоприятных услови-

ях измерять расстояния

до 100 км.

В качестве передающей системы используется труба Галилея

Ц^р

= 20 мм. Она

обеспечивает

пер

= 10~

рад.

Излучение лазера

попадает

передающую систему

б,

пройдя призму

2 и

модулятор

на кристаллах DKDP.

корпусе модулятора смонтированы анализатор

и фазовая пластинка

Х/4 J,

обеспечивающая фиксированное положение

рабочей точки

на

середине линейного участка характеристики модуля-

тора

(Г

= я/2).

Для лучшего отыскания отражателя перед передающим объективом

может быть включена откидывающаяся анаморфотная система

кото-

рая растягивает передаваемый пучок

вертикальной плоскости

до 0,25

Приемная система

—

зеркально-линзовая

с = 90 мм, /

пр

= 600 мм.

нее

входят сферическое зеркало

9 и

отрицательный трехлинзовый

компонент

70,

который вместе

90-градусной призмой укреплен

на

защитном стекле

8л

Фокусировка приемной системы осуществляется

осевым перемещением сферического зеркала

9. В

фокальной плоскости

приемной системы могут быть помещены

три

сменные полевые диаф-

рагмы

13 (0,2; 0,3; 0,5 мм) или

прямоугольная призма

14,

отклоняю-

щая принятый пучок

визирное устройство, состоящее

из

оборачиваю-

щей системы

из

двух ахроматических объективов

79 и 21,

призмы Дове

между ними

окуляра

22. В

пучок лучей перед фокальной плос-

костью могут быть введены либо интерференционный фильтр

77,

либо

эквиралентная пластинка

72. За

фокальной плоскостью установлен

нейтральный фильтр переменной плотности

75 и

конденсорная линза

76,

которая через призму

оптически сопрягает фокальную плоскость

фотокатодом

18 ФЭУ. Для

калибровки прибора часть передаваемого

пучка может быть направлена непосредственно

приемную систему

с помощью призмы

23 с

крышей

(БкР

—

180°).

Эта

призма укреплена

на откидывающейся заслонке, закрывающей

при

калибровке приемную

и передающую системы.

Для

грубой ориентировки приемопередатчика

служит визир

типа оптического прицела

вынесенным зрачком.

Отражатель,

как и у

геодиметров других моделей, собирается

из

раз-

личного числа унифицированных призм фирмы

А.

Они

имеют размер

= 30 мм,

погрешность прямых углов

не

более

1".

Общей особенностью оптических систем приемопередатчиков

раз-

несенными осями является

то, что при

строго параллельных осях пере-

дающей

приемной систем оптимально использовать лучистый поток

отражателя удается только

на

сравнительно больших расстояниях.

При

измерении коротких расстояний системами

параллельными осями

трипельпризмам отражателя придают удлиненную форму

виде пря-

моугольной призмы

крышей (светодальномеры "Дистомат"

и МСД).

Если искусственно увеличить угол рассеяния трипельпризм,

то для

опти-

мального использования отраженного светового потока

оси

передающей

19 -

B.C. Плотников