Электронные дальномеры (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

 

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ

Лекция по геодезии для студентов специальностей 56 01 01 – землеустройство и 56 01 02 – земельный кадастр

Горки 2003

УДК 528.517 (075)

ББК 26.12я7

П 551

Одобрено методической комиссией землеустроительного факультета

Компьютерный набор и верстку выполнила

Электронные дальномеры: Лекция. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2003. с

Рассмотрен физический принцип и методы измерения расстояний, сделан обзор современных свето - и радиодальномеров, описано устройство и порядок работы со светодальномером СТ5.

Для студентов очного и заочного обучения специальностей 56 01 01 – землеустройство, 56 01 02 – земельный кадастр.

Рисунков 8 Библиограф. 5.

Рецензенты: зав. кафедрой управления земельными ресурсами Новгородского государственного университета д. т.н., профессор А. С. ЯРМОЛЕНКО, зав. кафедрой геодезии и кадастров Полоцкого государственного университета к. т.н., доцент И. Г.КАРТАВЕНКОВ.

© Составление , 2003.

© Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2003.

1.ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

Научно-технический прогресс в области физики и радиоэлектроники позволили создать принципиально новые приборы для измерения расстояний. Электронные (электромагнитные). Физический принцип их действия основан на определении времени прохождения измеряемого расстояния электромагнитными волнами.

Электронные дальномеры подразделяются на светодальномеры и радиодальномеры. В первых, используются электромагнитные волны светового диапазона (видимые и инфрокрасные длины волн), а во втором – электромагнитные волны радиодиапазона.

Приоритет в разработке теории светодальномеров принадлежит советским ученым. Первый светодальномер был сконструирован в 1936 г. под руководством академика в Государственном оптическом институте. Широкое практическое применение электронные дальномеры находят около 40 лет. Особенно большой прогресс достигнут в связи с освоением лазеров, светодиодов, новых типов транзисторов и интегральных микросхем. В настоящее время геодезические линейные измерения выполняют в основном, электронными дальномерами.

Рис.1.

Идея определения расстояний электромагнитными дальномерами довольно проста. Для измерения расстояния между точки А и В (рис.1) в одной из них устанавливают приемопередатчик, а в другой – отражатель (ретранслятор).

Электормагнитные волны, посланные из точки А, отражаются в точке В и возвращаются обратно. Если определить время прохождения волн вперед и обратно, то искомое расстояние можно вычислить по формуле

(1)

где – скорость распространения волн;

– время.

В настоящее время скорость распространения электоромагнитных волн в вакууме известна с высокой точностью и принята равной:

с = 299792458 м/с ± 1,2 м/с.

В связи с этим заметим, что с 1 января 1985 г. в СССР, введен в действие новый Государственный эталон времени и частоты. Основу измерительного комплекса составляет цезиевый репер частоты. Роль маятника выполняет в нем «колеблющийся атом». Секунда – это 9 192 631 770 колебаний, происходящих внутри атомов металла цезия – 133. Колебания настолько стабильны, что такой атомный хронометр за 700 тысяч лет непрерывной работы может накопить ошибку не более одной секунды. В октябре 1983 г. международный форум метрологов принял новое определение метра, связавшее единицы длины и времени. Теперь метр – это расстояние, которое свет, испускаемый лазером, проходит за 1:299792 458-ю долю секунды.

Действительную скорость распространения электромагнитных волн при измерении расстояний определяют по формуле

(2)

где n – показатель преломления воздуха, зависящий от температуры, давления и влажности (n » 1,000296).

Как видно из формулы (1), задача сводится к определению времени . В зависимости от способов ее решения различают следующие методы измерения расстояний.

Временной (импульсный) метод. Это метод прямого измерения времени распространения электромагнитных волн. Импульсный дальномер содержит измеритель временных интервалов, запускаемый опорным импульсом от передатчика и, останавливаемый импульсом, пришедшим с дистанции. До недавнего времени импульсные дальномеры в основном применялись для измерения больших расстояний с невысокой точностью. Сейчас благодаря использованию лазерной техники, точность этого метода резко увеличилась. (Можно получить сверхкороткие оптические импульсы длительностью вплоть до пикасекунд (10-12 с). Пикосекундные лазеры применяют для оптической локации искусственных спутников Земли.

Частотный метод. Основан на использовании частотно-модулированных колебаний и сводится к измерению приращения частоты за время распространения этих колебаний до объекта и обратно. Точность таких приборов порядка 1:1000. Применяется он главным образом в самолетных радиовысотомерах и радиолакационных системах.

Интерференционный метод. Основан на непосредственном наблюдении результата интерференции двух (или более) когерентных световых волн, прошедших различные расстояния. Применяется для измерения небольших расстояний с высокой точностью. Например, интерферометром ДИП-2 можно измерить расстояние до 60 м с точностью 1×10-7 Д, т. е. 5 мкм.

Фазовый метод. Этот метод измерения расстояний наиболее распространен в геодезии. Применяется для измерения расстояний от нескольких метров до десятков ( а в радиодиапазоне – до сотен) километров.

2.ФАЗОВЫЙ МЕТОД

В большинстве устройств для измерения расстояний используются модулированные электромагнитные колебания. Модуляция – это изменение какого-либо параметра, (амплитуды, частоты или фазы) по какому-либо закону. В качестве модулятора в настоящее время широко применяют полупроводниковые лазеры на основе кристалла арсенида Галлия с длиной волны излучения 0,9 мкм.

Амплитудная модуляция показана на рис. 2.

Рис.2.

До прохождения модулятора электромагнитные волны имеют частоту собственных колебаний, которая называется несущей. Этой частоте соответствует определенная длина волны l¢. После прохождения модулятора длина несущей волны сохраняется, но амплитуда колебаний будет изменяться с заданной частотой. Частота модулирования колебаний называется измерительной. Ей соответствует измерительная длина волны l, которая и выполняет роль «мерной ленты». Для светодальномеров l¢ составляет 0,6–0,9 мкм, а l 10 и более метров. В дальнейшем будет идти речь об измерительных частотах и длинах волн.

Рассмотрим сущность фазового метода.

Пусть передатчик излучает электромагнитные колебания с частотой f , которой соответствует длина волны

. (3)

Эти колебания направляются на отражатель, а также минуя дистанцию в приемную часть. Приемник усиливает их и направляет на индикатор сдвига фаз.

Пусть для какого-то момента времени t колебания, пришедшие с дистанции, имеют фазу

где – круговая частота.

Колебания, поступающие в приемник, минуя дистанцию, для этого же момента будут иметь фазу

Разность фаз составит

Отсюда

Здесь – целое число волн, уложившихся в расстоянии 2D;

– домер фазового цикла или некоторая для периода, измеряемая фазометром.

Подставляя значение в (1) и учитывая (3), получим

(4)

В этой формуле величину можно вычислить по известной частоте, – измерить фазометром, – остается неизвестным.