Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

—в

Рис. 123. Оптическая схема светодальномера СМ-2

и приемной систем необходимо сводить на отражателе, что весьма слож-

но.

Стремление к упрощению решения задачи по оптимальному исполь-

зованию отраженного потока на любых расстояниях привело к появле-

нию совмещенных и коаксиальных приемопередающих систем свето-

дальномеров.

В совмещенных системах используется общий приемопередаю-

щий объектив, обслуживающий оба канала, причем одна часть площади

зрачка работает в передающем, а другая часть - в приемном канале.

Это может быть осуществлено, например, использованием двугранного

разделительного зеркала, разделяющего зрачок объектива по диаметру

(советский светодальномер ТД-1), использованием евстоделительного

зеркала в виде наклонной пластины с зеркальными полосами (совет-

ский светодальномер КДГ-3). Чаще такое разделение осуществляется

наклонным кольцевым зеркалом. Такая схема применена в светодаль-

номере СМ-2 (рис. 123). Основной объектив - трехкомпонентный ахро-

мат 4, центральная часть зрачка которого является передающей, а пери-

ферийная кольцевая часть - приемной зонами. Центральная часть зрачка

объектива, обслуживающая передающий канал, работает также в каче-

стве объектива визира, с сеткой 13 и симметричным окуляром 14.

Разделение пучков достигается наклонным зеркалом 5 с центральным

отверстием.

Совмещение передающего и визирного каналов осуществляется

с помощью дихроичного зеркала 5, отражающего излучение полупро-

водникового свето диода 1 после конденсорной линзы 2 (предающий

канал) и пропускающего излучение видимой области спектра (визир-

ный канал). Возвратившееся от отражателя излучение, пройдя перифе-

рийную зону объектива и отразившись от кольцевого зеркала, соби-

рается в плоскости нолевой диафрагмы 6. Изображение этой диафраг-

мы объективом 7 через призму 8 м интерференционный фильтр 9 пере-

дается на фотокатод ФЭУ 10. Для получения нулевого отсчета в систе-

му периодически вводится блок оптического короткого замыкания,

состоящий из трипельпризмы 12 и линзы 11.

* 3 3" 9 Ю ft

Рис. 124. Оптическая схема светодальномера "Кристалл**

Чтобы получить возможность совместить в одном объективе пере-

дающий и приемный канал с использованием всей площади зрачка

в обоих каналах, необходимо передаваемый и принимаемый потоки

поляризовать во взаимно перпендикулярных плоскостях, а разделение

их в оптической системе производить с помощью какого-либо биполя-

ризационного устройства. Для того чтобы лучистый поток, вьпледший

из приемопередающей системы через один из каналов биполяризацион-

ного устройства, после отражателя прошел через другой канал, его

необходимо дважды пропустить через пластину Х/4.

Поляризационное совмещение передающего и приемного каналов

делает их полностью идентичными, что существенно уменьшает систе-

матические погрешности и дает возможность использовать модулятор

одновременно и для демодуляции принятого сигнала. На рис. 124 пред-

ставлена оптическая схема отечественного визуального топографичес-

кого светодальномера "Кристалл", где использован изложенный прин-

цип. Основной приемопередающий зеркально-линзовый объектив 8

имеет относительное отверстие

1:5,4;

свободное отверстие 100 мм;

перемещением линзового объектива 6 осуществляется фокусировка

от 10 м до °°.

Перед линзовым объективом расположена Х/4 пластинка 7, а его

задняя фокальная плоскость совпадает с серединой пластин конден-

сатора Керра 5. Между ячейкой Керра и окуляром 11 установлена обо-

рачивающая система из двух ахроматических объективов 4 и 9 с парал-

лельным ходом лучей между ними, В передней фокальной плоскости

окуляров установлена сетка-коллектив 10, рассчитанная с учетом необ-

ходимого вынесения выходного зрачка при каждом сменном окуляре

(увеличение

28,35

и 48

). Между объективами оборачивающей системы

установлен призменный биполяризатор 5. С целью снижения коэффи-

циента рассеяния света около биполяризатора в каналах осветителя

и визира помещены поляроиды 3' и 3".

Тело накала лампы СЦ-78 1 с помощью конденсора 2 и первого объ-

ектива 4 оборачивающей системы изображается с уменьшением в середи-

не рабочего зазора конденсатора Керра 5.

Отражатель светодальномера состоит из блока трипельпризм, накле-

19*

291

Рис. 125. Оптическая схема геодиметра, модель 6 (Швеция)

енных входными гранями на круглую плоскопараллельную стеклянную

пластинку. Для исключения деполяризации отраженного света отража-

ющие грани призм алюминированы.

Коаксиальные системы занимают промежуточное положение

между разнесенными и совмещенными. Передающая и приемная системы

расположены на одной общей оси, но являются совершенно самостоя-

тельными. Коаксиальная приемопередающая система впервые была

реализована в советском светодальномере ГД 300.

Приведем описанную в [20] схему геодиметра модели 6 шведской

фирмы АСА, в котором коаксиальная система реализована в довольно

удачном конструктивном варианте (рис. 125). Основные оптические

элементы передающей и приемной систем расположены в наклоняемой

трубе, поддерживаемой двумя полыми горизонтальными полуосями.

Конденсатор Керра с поляроидом расположен слева от трубы на

геометрической оси ее вращения. Свет от лампы накаливания 1 направ-

ляется в конденсатор Керра 4 при помощи конденсора 2 и прямоуголь-

ной призмы 3. Далее свет через фокусирующий компонент 5 проходит

в наклоняемую трубу и зеркальным кубиком б, расположенным на пере-

сечении оптической оси трубы и оси ее вращения, отклоняется на 90°.

Затем он проходит через отрицательный компонент 7 и заполняет всю

поверхность кольцевого сферического зеркала 8 с Онар — 100 мм

и £>

вн

= 50 мм. После отражения от зеркала свет параллельным пучком

через плоскопараллельные стеклянные пластины 9 и 70, поддержива-

ющие элементы приемной системы выходит на дистанцию. Если при

измерениях используют ртутную лампу 77, располагаемую вне корпуса

прибора, то ее излучение фокусируется дополнительным конденсором

72 через прямоугольную призму 13 на то место, где располагается нить

лампы накаливания.

Приемная система с весьма тщательной коррекцией имеет D

50 мм и /„р = 600 мм. Попавший в нее световой поток проходит

трехлинзовый положительный компонент 14, отрицательный компонент

75 и после отклонения зеркальным кубиком 6 проходит через пару

котировочных клиньев 16. Они необходимы для того, чтобы направить

ось принятого пучка точно вдоль горизонтальной оси вращения трубы.

За клиньями расположен фокусирующий компонент 77 такого же ти-

па, как и 5. Фокусировка (от 15 м до

) осуществляется одновремен-

но перемещением фокусирующих компонентов 5 и 77. Дальнейший

ход лучей зависит от положения переключателя светового потока. Если

он находится в положении "отражатель", то свет попадает непосред-

ственно на переменную полевую диафрагму 18, расположенную в фо-

кальной плоскости приемной системы вне наклоняемой трубы. Затем

свет проходит круговой переменный нейтральный фильтр 79, одна

половина которого объединена с оранжевым фильтром, и астигматиче-

ской линзовой системой 20 собирается на фотокатоде 21 ФЭУ в виде

пятна размером

1,5x0,3

мм. Если же переключатель светового потока

находится в положении "калибровка", то непрозрачный экран закры-

вает приемный канал и открывает калибровочный канал. В этом случае

свет из передающей системы при помощи неподвижных призм 22, 23, 24

и наклонной плоскопараллельной пластины 25 попадает непосредственно

в фокальную плоскость приемной системы.

Для визирования через приемную систему выдвижным зеркалом 26

перехватывают пучок после фокусирующего компонента и направляют

его в плоскость сетки 27, которая рассматривается через систему линз

28, призм 29 и окуляр 30. Увеличение визирного канала 25

. Прибор

имеет также дополнительный поисковый визир и прожектор для отыска-

ния отражателя.

§ 64. Источники и приемники излучения, применяемые

в светодальномерах

В качестве источников излучения в светодальномерах применяют лампы

накаливания, газоразрядные источники излучения, светодиоды и лазеры.

При выборе источника излучения учитывают следующие их характерис-

тики: мощность, степень направленности излучения, спектральные харак-

теристики лучистого потока, портативность, экономичность и стоимость,

надежность работы в различных физико-географических условиях и при

транспортных перегрузках, срок службы, простоту конструкции и экс-

плуатации, возможность осуществления внутренней модуляции.

В настоящее время преимущественное применение получили лазер-

ные излучатели, все реже применяют лампы накаливания и газоразряд-

ные источники излучения.

Лазерные излучатели. В геодезических светодальномерах в настоя-

щее время используются в большинстве случаев газовые и полупровод-

никовые лазеры, а в импульсных светодальномерах - твердотельные

лазеры.

Из газовых лазеров наибольшее практическое применение нашли

гелий-неоновые лазеры непрерывного излучения, обеспечивающие наи-

большую мощность на длине волны

0,6328

мкм. Пульсации мощности

излучения не превышают 10%, потребляемая электрическая мощность

не более 100 Вт, мощность излучения 2

—

мВт, диаметр пучка не более

10 мм, расходимость

8-10'.

Гелий-неоновые лазеры удовлетворительно

работают при изменении температуры окружающей среды от —40 до

+40 °С и при ударных нагрузках до 10#. К их положительным свойствам

можно отнести также малый уровень шумов (менее

10~

высокую

стабильность частоты (выше

10~

)

и оси диаграммы направленности

излучения (лучше

10~

простоту эксплуатации и относительно большой

ресурс работы (до

5000

ч).

В светодальномерах-рефрактометрах, работающих на двух длинах

волн, может быть использован вместе с гелий-неоновым лазером гелий-

кадмиевый

(He-Cd)

лазер, наибольшая мощность излучения в котором

(до Ю

-1

Вт) получена в непрерывном режиме на длине волны

0,4416

мкм. Параметры пучка гелий-кадмиевого лазера близки к анало-

гичным параметрам гелий-неонового лазера, однако гелий-кадмиевый

лазер характеризуется повышенным уровнем собственных шумов излу-

чения и малым ресурсом работы (до 1000 ч).

В § 63 отмечалось, что при расчете лазерный излучатель рассматри-

вается как светящийся круг диаметром £>

ист

, помещенный в фокальной

плоскости безаберрационной оптической системы с фокусным расстоя-

нием /„ер- В этом случае

HCT

-20/

пер

где 20 - расходимость ла-

зерного пучка. Если имеется конденсор с фокусным расстоянием /

, то

в его фокальной плоскости получим пятно (расчетный излучатель) раз-

мером D„

^Г-^ист

=26

fL-

•'пор

Тогда без учета потерь в конденсоре энергетическая яркость расчет-

ного излучателя составит

'л

= ,

(10.75)

— (D )

ист'

Таблица

Лазер

Вт

рад

СО,

£,

Вт'м

стер

ЛГ-56

ЛПЫ05

ЛГ-75

"Спектра

Фи-

зик"

тип 120

2 10"

25-10"

5-КГ

310"

1,2 10

-з

3 •

10"

410"

К7

10"

0,65 10"

2.5 10

310

6.6 10

где

мощность лазера,

-~-

(0^

ст

)

— площадь расчетного излуча-

7ГСО

теля,

£2 = ——

— телесный угол,

а 2

со

диаметр пучка лазера. Выра-

жение

(10.75)

можно переписать

виде

= 0,1 ——Л

Вт-м

-2

-стер"

(10.76)

(со0)

Для импульсного лазера

формулу

(10.76)

необходимо подставить

значение импульсной мощности

в Дж/с,

тогда получим энергетичес-

кую яркость

импульсе [Дж-м"

-стер"

•

с"

Вычисленные

но

формуле

(10.76)

энергетические яркости различ-

ных лазеров позволяют сопоставить влияние отдельных параметров

из-

лучаемого пучка (табл.9).

Полупроводниковые лазеры созданы

на

основе различных химиче-

ских элементов

и в

настоящее время весьма разнообразны

[20, 36].

Особый интерес

для

геодезических светодальномеров представляет

полупроводниковый лазер (полупроводниковый диод)

на

арсеииде

галлия (GaAr).

отличие

от

газовых

твердотельных лазеров расходи-

мость полупроводниковых лазеров может достигать

до 30° и

более.

Непрерывное индуцированное излучение возможно только

при

глубоком

охлаждении (например,

жидком азоте),

при

этом плотность тока,

проходящего через диод, превышает некоторое критическое значение.

При обычной температуре кристалл

таком режиме работы быстро

перегревается, излучение прекращается, возможно даже разрушение

кристалла.

При

температурах

от -50 до +50 °С

работа полупроводнико-

вого лазера возможна

двух режимах:

режиме импульсного индуци-

рованного излучения

или в

режиме непрерывного,

но

рекомбинацион-

ного излучения —

режиме светодиода.

Так как

основное условие

ра-

боты фазового светодальномера

непрерывный характер светового

излучения,

то

единственным приемлемым режимом работы является

режим рекомбинационного излучения,

т.е.

режим светодиода, хотя

эксплуатационные характеристики полупроводникового лазера

этом

случае существенно хуже,

чем при

индуцированном излучении. Особенно

сильно уменьшается мощность излучения.

Так,

если выходная мощность

индуцированного непрерывного излучения

при

охлаждении кристалла

из

GaAs в

жидком азоте

мощности возбуждения

50 мВт

составляет

10-25 мВт (т.е. КПД

может достигать

50%),

излучаемая мощность

ре-

комбинационного излучения составляет доли милливатта

0,2 мВт).

Для светодиода

на

арсениде галлия максимум рекомбинационного

излучения происходит

на

волне около

0,9 мкм,

ширина спектра около

0,03 мкм.

Незначительная инерционность инжекционных источников

излучения (светодиодов

полупроводниковых лазеров) позволяет осу-

ществить внутреннюю модуляцию излучения практически

по

линейному

закону

на

частотах

до 1 ГГц.

Следует отметить,

что

глубина модуляции

полупроводниковых

лазерах примерно соответствует току,

а в

светодиодах

она в

—

3 раза

меньше глубины модуляции тока.

Положительные характеристики светодиодов

—

легкость осущест-

вления внутренней модуляции излучения, портативность (размеры

не

превышают

5-6 мм,

масса

3 г),

устойчивость

вибрациям

амплитудой

до

5^ и

ударным нагрузкам

до 35 g

возможность работы

при

темпера-

турах

от -60 до +80 °С,

значительный срок службы

(до 10 000 ч) - об-

условили применение светодиода

из GaAs в

качестве источника излуче-

ния

при

создании современных фазовых геодезических светодальноме-

ров

для

измерения коротких расстояний

(до 2-5 км).

К основным недостаткам светодиодов относится малая мощность

излучения, значительная расходимость

значительная фазовая неодно-

родность

(до

30-40°) модулированного излучения.

Представляют интерес исследования

по

работе полупроводниковых

лазеров

режиме длительных импульсов

целью уменьшения перегрева

и разработке

на

этой основе светодальномеров, работающих

импульс-

но-фазовом режиме.

Твердотельные лазеры используют

при

разработке импульсных

светодальномеров, например,

для

спутниковой геодезии. Наибольшее

применение получили рубиновый лазер, легированный хромом,

длиной

волны излучения

0,6943

мкм и

стеклянный лазер, легированный неоди-

мом,

длиной волны

1,06 мкм. В

твердотельных лазерах

на

рубине

режиме модулированной добротности можно получить импульсы дли-

тельностью

4-40 не с

энергией излучения

0,2- 1,0 Дж.

Лазеры

на

неоди-

мовом стекле

связи

возможностью увеличения размеров стеклянно-

го стержня могут обеспечить

еще

большую энергию импульсного излу-

чения.

Получение очень коротких

мощных импульсов достигается благо-

даря использованию

лазере оптико-механического

или

электрооптичес-

кого затворов (модуляторов добротности).

качестве модуляторов

добротности используют электрооптический модулятор Поккельса,

ячейку Керра, механические

другие модуляторы.

В режиме свободной генерации длительность импульса составляет

2,0 Л (мкм) 0 Ofl Of 1,2 <£А(мкм)

0 0,5 UO 1,5 2,0

(мкм)

Рис. 126. Спектральные характеристики источников света:

а — зависимость спектральной плотности излучения от длины волны и температуры

тела накала: 1

—

лампа накаливания; 2

—

галогенная лампа накаливания; б

—

газо-

разрядные лампы: 1

—

цезиевая; 2

—

ртутная; в

—

светодиоды

не менее 0,2 мс, а мощность по сравнению с режимом модулированной

добротности уменьшается до 10"

раз.

Лампы накаливания относятся к тепловым источникам излуче-

ния, в которых под воздействием нагрева происходит излучение метал-

лическим телом накала и неравномерное распределение энергии излуче-

ния в зависимости от длины волны. Эффективную длину волны, соответ-

ствующую максимальному значению спектральной плотности излучения,

можно найти, пользуясь законом Голицына-Вина,

*эф = ' (Ю.77)

где Т - абсолютная температура.

Для повышения яркости свечения лампы накаливания до 15 х

х10

кд-м"

за счет увеличения цветовой температуры тела накала,

колбу изготовляют из кварца и заполняют газообразным соединением

галогена (йода, брома). Почти вся энергия, излучаемая лампами накали-

вания, сосредоточена в видимой и ближней инфракрасной областях опти-

ческого диапазона (рис. 126).

Отличаясь простотой конструкции и дешевизной, лампы накалива-

ния обладают существенными недостатками: малые световая отдача

и яркость свечения, значительная инерционность и небольшой срок служ-

бы (несколько сотен часов).

Люминесцентные газоразрядные источники излучения,

которым

относятся криптоновые, ксеноновые, ртутные

другие лампы, могут

обеспечить

как

непрерывное,

так и

импульсное

(до 1 мкс)

излучение,

но

более узком спектральном диапазоне

по

сравнению

лампами

на-

каливания

(рис. 126,6).

Криптоновые

ксеноновые лампы имеют сплошной спектр излуче-

ния

максимумом

от 0,76 до 1,00 мкм.

Яркость излучения этих ламп

достигает

кд-м"*

Основными недостатками газоразрядных источников излучения

яв-

ляются большие размеры, значительная потребляемая мощность, слож-

ность включения, нагрев

при

работе, высокое давление

колбе ртутных

ламп

[до

(7-8)'10

Па] и

сравнительно небольшой срок службы.

Промежуточное положение между лампами накаливания

газораз-

рядными источниками излучения занимают электродосветовые лампы,

дуговая аргон-циркониевая лампа типа

ДАЦ,

которой излучает капля

циркония, расплавленного

при

помощи дугового электрического раз-

ряда. Размеры капли

не

превышают

1 мм,

яркость свечения

не

менее

3-Ю

кд-м~

, спектральный состав излучения подобен спектру лампы

накаливания

с Х

ф « 1 мкм.

Эксплуатация дуговых ламп несколько

сложнее,

чем

ламп накаливания,

для

зажигания требуется подать

на их

рабочие электроды напряжения

несколько киловольт.

Роль приемников света

светодальномерах выполняют глаз челове-

ка, фотоэлектронный умножитель

ФЭУ

фотодиод

ФД.

При

использо-

вании светодальномера

дневных условиях максимальная чувствитель-

ность глаза наблюдателя соответствует

0,56

мкм,

спектральная

чувствительность лежит

диапазоне

от 0,38 до 0,78

мкм,

ночных усло-

виях

ф « 0,51

мкм.

При

"дневном зрении" глаз способен регистриро-

вать световые потоки

от 10"

до 10

лм,

при

"ночном зрении"

от 10*"

до

10**

лм.

Процесс перехода

от

одного вида зрения

другому назы-

вается адаптацией глаза. Адаптация

на

"ночное зрение" заканчивается

только через

30- 40

мин,

для

адаптации

на

"дневное зрение" достаточ-

но

30 с. При

переходе

от

дневного

ночному зрению диаметр зрачка

увеличивается

от 3-4 до 8-9 мм.

Наибольшая контрастная чувстви-

тельность глаза порядка

наблюдается

при

яркости

от 60 до

000

кд-м"

. Глаз обеспечивает высокую избирательность, однако

обладает значительной инерционностью порядка

0,1 с и

субъективностью

восприятия.

В светодальномерах часто используют фотоэлектронные умножители

ФЭУ.

Они

имеют высокую интегральную, пороговую

контрастную

чувствительность, практически линейную световую характеристику.

Спектральная характеристика

ФЭУ

зависит

от

состава светочувствитель-

ного слоя фотокатода

может быть очень широкой

(от

ультрафиолето-

вой

до

дальней инфракрасной области спектра).

При выборе приемника излучения учитывают спектральную харак-

теристику излучателя.

Так, для

приема излучения гелий-неонового

ла-

зера

(X = 0,6328 мкм)

выбирается

ФЭУ с

областью спектральной чув-

ствительности

0,30-0,82 мкм. В

общем случае, если известна интеграль-

нал чувствительность приемника

по

эталонному излучателю

, то его

чувствительность

по

реальному излучателю составляет:

где

и К

коэффициенты использования приемника

по

реальному

и эталонному излучателям, показывающие, какую долю сложного лучис-

того потока, падающего

на

приемник, составляет эффективный

для

этого приемника поток. Коэффициенты использования вычисляют

ме-

тодом графического

или

численного интегрирования, используя зави-

симости:

(\)S(\)d\ S

(X)S{\)d\

_ о .

к =

(A)<A

(X)JX

где

S(\) -

относительная спектральная чувствительность приемника.

Значения коэффициентов использования приводятся

специальной

литературе*.

Пороговая чувствительность Ф

пор

, интегральная чувствительность

Sj и

темновой

ток /

обычно известны

из

паспортных данных

ФЭУ.

Световой поток

<$h,

несущий измерительную информацию

при

конт-

растной чувствительности

ФЭУ,

можно определить

из

выражения

Т7Т-[(

по

—-2/:

)

2К

к 'т

J(ф 2К

Фл.)

+ 4£

(—К Ф1+Ф + Ф1ф

—>1

(10.78)

где

Фф -

световой поток

от

фона.

Контрастная чувствительность

может быть представлена отно-

шением

Ф'

пор

= — , (10.79)

Фф

где Ф

пор

значение порогового светового потока

при

значительных

уровнях световых потоков

и Фф

•См.,

например,

Павлов

А.В.,

Черников

А.И.

Приемники излучения

автомати-

ческих

ОЭП.

М.,

Энергия,

1972.