Конспект лекцій для студентів спеціальностей 07 09 04 "Землевпорядкування та кадастр"


Всі фазові віддалеміри складаються з чотирьох основних вузлів:передавача, приймача, фазовимірювального пристрою та відбивача. Три перші вузли розміщують на одному кінці лінії,а відбивач – на другому



Сторінка5/9
Дата конвертації18.04.2016
Розмір2.99 Mb.
#12824
ТипКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Всі фазові віддалеміри складаються з чотирьох основних вузлів:передавача, приймача, фазовимірювального пристрою та відбивача. Три перші вузли розміщують на одному кінці лінії,а відбивач – на другому.
  • 4.1 Загальна функціональна схема віддалеміра.

    Загальна функціональна схема віддалеміра.

    Передавач випромінює високочастотні несучі ЕМ коливання , які є модульованими вимірюваними коливаннями. У СД несучими є ЕM коливання оптичного діапазону , джерелом яких може бути лампа, світлодіод або лазер. Джерелом випромінювання коливань є генератор, напруга з якого прикладається до модулятора. Світловий промінь з джерела проходить через модулятор і в ньому під впливом виміряної напруги відбувається модуляція світлового променя. У СД використовують тільки два види модуляції: за інтенсивністю або за еліпсом поляризації. Передавальна оптична система посилає модульований промінь вздовж лінії яку вимірюють. Якщо джерелом світла є світлодіод то модуляцію інтенсивності його випромінювання переводять прикладанням виміряної напруги безпосередньо до світлодіода. Відбивачі СД пасивні, бо вони тільки відбивають світловий промінь в напрямку на приймач, який знаходиться біля передавача. Основною їх частиною є дзеркальна поверхня, яка відбиває присланий промінь. Приймачем СД є приймальна оптична система. Вона вловлює світло , відбите відбивачем, і скеровує його на фазометр. На фазометр крім коливань з приймача , подають виміряну напругу із генератора передавача. Біжуча фаза цієї напруги дорівнює фазі модуляції φпер променя на початку його шляху. Фаза модуляції світлового потоку дорівнює фазі модулюючої напруги в точці його виходу з модулятора. Тому початком вимірюваної лінії у СД є вихід з модулятора. Фазою φв вважають фазу модуляції відбитого світлового променя на вході в фазометр, бо там закінчується шлях світлового променя. (4.1). Істотне значення в принципі дії та конструкції СД має його фазовимірювальний пристрій. Тому, в основі поділу СД на 3 покоління лежить спосіб вимірювання різниці фаз або тип фазометра.


    4.2 Загальна функціональна схема світловіддалеміра першого покоління.

    Загальна функціональна схема світловіддалеміра першого покоління.


    У СД 1-го покоління використовують оптичні фазометри, які вимірюють різницю фаз на частоті модуляції світла. Основною частиною оптичного фазометра є модулятор, який працює синхронно з модулятором передавача. Модулятор фазометра називається демодулятором. Синхронність роботи модулятора і демодулятора полягає в тому , щоб їх частота роботи була однакова. Це забезпечується тим , що вони працюють під впливом напруги від одного генератора , а саме генератора випромінюваних коливань. Крім цього обов’язково мусить бути відома різниця фаз α модулятора і демодулятора: (4.2), де і - частоти роботи модулятора і демодулятора;

    - фаза їх роботи;

    - відома величина, яка може бути змінною або постійною.

    При виконані рівностей (4.3) сила сигналу після проходження через модулятор і демодулятор є функцією різниці фаз . Вона може мати, наприклад такий вигляд :), де А і В – коефіцієнти. Якщо визначити силу сигналу І, то отримаємо потрібну різницю фаз . В цьому і полягає суть роботи фазометрів СД 1-го покоління. Силу сигналу на виході з демодулятора вимірює або реєструє індикатор. Ним може бути око спостерігача – тоді реєстрація є візуальною. Відповідно до цього СД 1-го покоління поділяють на дві групи : з візуальною та приладовою реєстрацію різниць фаз. При візуальній реєстрації роль демодулятора і модулятора виконують однакові пристрої , які модулюють світло або за інтенсивністю , або за формою еліпса поляризації. Візуально можна фіксувати лише екстремальні значення інтенсивності світла, тобто мінімуми або максимуми , які відповідають визначеним значенням фазових домірів , наприклад, такі , які дорівнюють 0. Для встановлення максимумів екстремальних інтенсивностей світла або потрібних значень фазових домірів найчастіше плавно змінюють виміри частоти, рідше – різницю фаз роботи модулятора і демодулятора , тобто α. Слід відзначити, що віддалеміри 1-го покоління з візуальною реєстрацією різниці фаз мають просту будову , але зустрічаються вже рідко. Інколи візуальна реєстрація виконується для грубого виміру ліній (на приклад у СГ-3).

    У віддалемірах з приладовою реєстрацією різниці фаз індикатором служить мікроамперметр, тому необхідно світловий потік перетворити в фотострум. Це можна зробити після його демодуляції (як у СГ-3) або перед нею (як у геодиметрі NASM2).

    В першому випадку модулятором і демодулятором у віддалемірі є однакові пристрої, які можуть модулювати як інтенсивність випромінювання, так і форму еліпса його поляризації. Перетворення світлового потоку після проходження демодулятора виконується за допомогою фотоелектричного помножувача(ФЕП). Якщо перетворення світлового потоку у фотострум проходить перед демодуляцією, то демодулювати треба струм, сила якого змінюється за гармонійним законом з частотою модуляції світла і фазою . Для перетворення у фазометрі відбитого світлового потоку у фотострум і його демодуляції використовують ФЕП. В цьому варіанті у віддалемірі 1-го покоління світловий потік потрібно модулювати тільки за інтенсивністю.

    У віддалемірах з приладовою реєстрацією різниці фаз вимірювальна частота може змінюватися плавно або дискретно. Зараз поширені віддалеміри 1-го покоління з приладовою реєстрацією, в яких світловий потік перетворюється у фотострум після демодуляції. При цьому застосовують модуляцію світла, тільки за формою еліпса поляризації. Процес вимірювань цими віддалемірами вдалося значною мірою автоматизувати.

    Лекція 5.

    Світловіддалеміри другого і третього поколінь.
    У світловіддалемірах другого покоління використовують радіоелектронні аналогові фазометри. В них перед вимірюванням різниці фаз перетворюють відбитий модульований світловий промінь в струм, сила якого змінюється з частотою і фазою, що дорівнює частоті і фазі модуляції відбитого світлового потоку. Це перетворення відбувається в ФЕП, тому у віддалемірах 2-го покоління світло може бути модульованим тільки за інтенсивністю. Роль коливання з фазою, що дорівнює , виконує вимірювальна напруга, яку подають на фазометр.

    Аналогові фазометри можуть точно вимірювати різницю фаз двох коливань на низьких частотах. Тому виникає необхідність зниження частоти прямого і відбитого коливань перед подачею їх на фазометр, що у віддалемірах виконують способом гетеродинування. Він знижує частоти коливань. У цьому способі зберігається різниця фаз коливань, тобто різниця фаз коливань після зниження їх частоти є такою ж, як перед зниженням. Для гетеродинування у ФЕП потрібно мати допоміжний генератор, який називається гетеродином, і 2 змішувачі: опорний і сигнальний. Частота гетеродина є близькою до вимірювальної частоти. Різницю цих частот вибирають такою, на якій найкраще працює фазометр, застосований у віддалемірі , це, частіше, є низька частота, що дорівнює декільком кГц. На опорний змішувач подають коливання з генератора вимірювальної напруги і з гетеродина. З опорного змішувача отримують коливання низької різничної частоти, фаза яких є прямо пропорційною до фази . Сигнальний змішувач змішує коливання з ФЕП та з гетеродина. З цього змішувача виділяють коливання з частотою, яка дорівнює різниці частот вимірювальних коливань, отриманих з ФЕП, і коливань гетеродина, тобто коливань такої ж частоти, як і ті, що йдуть з опорного змішувача. Їх фаза є прямо пропорційною до фази . Фазометр визначає різницю фаз коливань з опорного і сигнального змішувачей, яка дорівнює .


    1. 5.1 Загальна функціональна схема віддалеміра 2-го, і 3-го поколінь.

    Загальна функціональна схема віддалемірів другого і третього поколінь.



    5.2 Віддалеміри 3-го покоління.

    Віддалеміри 3-го покоління відрізняються від віддалемірів 2-го покоління, в основному тим, що в них замість аналогового, використовується цифровий фазометр , який вимірює різницю фаз коливань після зниження їх частоти способом гетеродинування. Але ця, на перший погляд , незначна різниця істотно змінила віддалемірну техніку, дала змогу перейти на економний імпульсний режим роботи та автоматизувати процес вимірювань і режим опрацювання. Це стало можливо завдяки тому , що процес вимірювань цифровими фазометрами триває дуже малі проміжки часу , а результат вимірювання є в кодовій формі. У віддалемірах 2-го та 3-го поколінь використовують посереднє визначення фазових домірів (для частот , які потрібні для виключення багатозначності ). У віддалемірах 3-го покоління генератор генерує коливання вимірювальних частот, потрібних для виключення багатозначності; отже фазові доміри виміряють безпосередньо. Передавач , приймач і ФВП віддалеміра монтують звичайно в одному блоці , який називається прийомопередавачем. Він і відбивач – основні блоки віддалеміра , які під час вимірювань встановлюють на кінцях вимірювальної лінії. Якщо у віддалемірі виміряну частоту змінювати плавно, то в його комплекті є частотовимірний пристрій. Якщо частоти змінити дискретно, тобто їх перемикають, тоді зменшення частот приводять в паспорті віддалеміра і частотомір не потрібний. Прийомопередавач, а також частотомір (коли він є), живляться від акумулятора або бензоагрегата через перетворювач і розподільник напруги.




    Лекція 6.

    Джерела світла світловіддалемірів.

    6.1 Електромагнітні хвилі оптичного діапазону

    Електромагнітні хвилі оптичного діапазону у світловіддалемірів є несучими коливаннями, на яких розповсюджуються вимірювальні коливання між прийомопередавачем і відбивачем. У перших світловіддалемірах джерелом несучих коливань були лампи розжарювання, пізніше стали використовуватись також газорозрядні лампи. У сучасних світловіддалемірах джерелами світла служать лазери і світлодіоди. Для світловіддалемірів важливими характеристиками джерел світла є потужність випромінювання і його спрямованість, розміри поверхні випромінювання, спектральний склад випромінювання світлового потоку, потужність живлення і простота обслуговування. Від потужності випромінювання джерела залежить радіус дії світловіддалемірів. У світловіддалемірів ,призначених для вимірювання коротких ліній , використовують джерела світла з невисокою потужністю випромінювання. Вони , як правило, вимагають і малої потужності живлення. До таких джерел належать світлодіоди і напівпровідникові лазери. Газові лазери, потужність випромінювання яких є більшою, використовують у світловіддалемірах з великим радіусом дії, призначеними в основному для вимірювання сторін ДГМ. Потужність випромінювання джерела світла вимірюється у Вт. Але нерідко її оцінюють за дією випромінювання на око людини, тобто в фотометричних одиницях. Людське око чутливе до електромагнітних хвиль з довжиною 0,4-0,76 мкм. При цьому його чутливість неоднакова до випромінювання різних кольорів і залежить від довжини хвилі випромінювання. Максимальна чутливість припадає на довжину 0,555 мкм, тобто на випромінювання жовтого кольору. У фотометрії відповідником потужності випромінювання є світловий потік. Одиниця світлового потоку є люмен. Для переходу від Вт до Лм використовують відносну спектральну чутливість ока К. Вона дорівнює відношенню чутливості ока до випромінювання з довжиною хвилі і його чутливість до випромінювання з довжиною хвилі 0 =0,555 мкм.



    (6.1)

    де Флм –світловий потік випромінювання з довжиною хвилі в Лм;

    При 0=0,555 мкм К=1 і 1Вт =650Лм або 1Лм= 0,0016 Вт.

    Не менш важливою характеристикою , ніж потужність, є спрямованість випромінювання джерела світла. Якщо випромінювання джерела світла має велику інтенсивність, але заповнює собою великий тілесний кут, то ми використовуємо з нього тільки ту невелику частину, яка збігається з напрямком від передавача на відбивач, тобто тільки невелику частину потужності випромінювання. Якщо ця спрямованість є високою, то практично вся випромінювальна енергія може бути використана. Оптична схема формує випромінювання у вузькоспрямований промінь тільки тоді, коли поверхня випромінювання джерела має мінімальну площу. В ідеалі вона повинна бути близькою до точки. Важливим фактором також є спектральний склад та широта спектрального випромінювання джерела. Для того щоб втрати світлової енергії були мінімальні, максимальна інтенсивність випромінювання повинна припадати на ту ділянку спектра, до якої має максимальну чутливість перетворювач світла у фотострум або індикатор світловіддалеміра, а також для якої атмосфера є максимально прозорою. Ідеально узгодити ці характеристики не вдається. Але до цього прямують. Перетворення світлового потоку у фотострум відбувається у ФЕП. Їх спектральна чутливість залежить від матеріалу, з якого виготовлений фотокатод. Так сурмяно-цезієві фотокатоди найбільш чутливі до голубого та зеленого випромінювання, а киснево-цезієві - до ультрафіолетового, червоного та інфрачервоного. Атмосфера найбільш прозора для червоного випромінювання. У світловіддалемірах бажано мати джерела світла з випромінюванням, близьким до монохроматичного, або з вузьким спектром випромінювання. Такі джерела, по-перше, дають можливість фільтрувати вузькосмуговими інтерференційними фільтрами того світлового потоку , що потрапив у приймач оптичної системи, виділити відбитий промінь, тобто корисний сигнал, тому що на них потрапляє не тільки відбитий світловий потік, а й розсіювання сонячного випромінювання та випромінювання сторонніх джерел. Здатність виділення корисного сигналу є дуже важливою , бо дає можливість працювати вдень.



    6.2 Будова газового лазера показана на рис.6.1.

    Будова газового лазера

    Розглянемо коротко функціонування гелій-неонового лазера. Суміш газів Ne і He у відношенні 1:10 є в ньому активною речовиною. Цією сумішшю заповнена капілярна трубка 4 при р від 0,7 до 2 ГПа. На кінцях трубка розширена, і її кінці герметично закриті плоско паралельними пластинками 2, які розташовані під кутом Брюстера до вісі труби. Таке розташування пластинок забезпечує плоску поляризацію випромінювання лазера і зменшує втрати в ньому. Трубку встановлюють між двома дзеркалами 1,які утворюють активний оптичний резонанс. Ці дзеркала можуть бути вгнутими або плоскими. Для виходу випромінювання одне з дзеркал резонатора роблять частково прозорим. Збудження газу відбувається як під дією високочастотної, так і під дією постійної напруги. Для її підведення на трубу накладають або в неї впаюють електроди 3.

    Енергетичні рівні лазера показано на рис. 6.2.



    Енергетичні рівні лазера

    Атоми гелію і неону мають близькі енергетичні рівні. Атоми гелію збуджуються при електричному розряді і переходять на метастабільний рівень23S. Призіткнні ні вони передають свою енергію атомам неону. Атоми неону збуджуються метастабільного рівня 2S. Перехід 2S→2р дає інфрачервоне випромінювання. З рівня 2р атоми переходять на рівень 1S, що супроводжується червоним випромінюванням. З рівня 1S атоми повертаються у вихідний стан в результаті зіткнення з іншими атомами або стінками трубки.

    Рівні 2S,2Р,1S є багатократні , тому випромінювання лазера здійснюється на багатьох червоних і інфрачервоних лініях. Щоб одержати випромінювання певної довжини хвилі, необхідно мати в резонаторі селективні дзеркала з високим коефіцієнтом відбиття для цієї довжини хвилі. Випромінювання, що виходить з трубки в напрямку її осі, багаторазово відбивається дзеркалами резонатора і, при проходженні через суміш газів, підсилюється. При цьому воно формується у вузький пучок , тобто є високо спрямованим. Розбіжність пучка , що виходить через частково прозоре дзеркало резонатора складає від 20″ до декількох мінут (в залежності від будови резонатора ). Кут розбіжності випромінювання можна визначити за формулою:



    (6.2) де λ-довжина хвилі випромінювання;

    l- довжина резонатора в мм.

    Така мала розбіжність дозволяє передавальній оптичній системі спрямувати на відбивач практично все випромінювання лазера. Газовий лазер працює в безперервному режимі , тому його потужність відносно невелика і залежить від довжини трубки. При довжині трубки 25 см потужність випромінювання 2-3 мВт, а при довжині 1м потужність 25-36мВт. Потужність живлення лазера –декілька десятків Вт. Отже його ККД не перевищує 0,01%. Цей недолік компенсує висока спрямованість випромінювання. Газовий лазер не вимагає охолодження, що зручно для польових умов. Ширина випромінюваних ним ліній спектру мала (10 кГц ). У СД застосовують лазери з довжиною хвилі випромінювання 0,6328 мкм, тому що є фотоелементи, чутливі до цієї ділянки спектра , та атмосфера її мало поглинає.
    Лекція 7.

    Принцип дії напівпровідникових оптичних генераторів.

    Напівпровідниковий лазер показано на рис 7.1:

    а)енергетичні зони;

    б)схематичний вигляд напівпровідникового лазера.

    а). б).



    рис7.1. Напівпровідниковий лазер

    7.2 Принцип дії напівпровідникових оптичних генераторів

    Принцип дії напівпровідникових оптичних генераторів є іншим, ніж газових лазерів, так як в напівпровідниках атоми мають сильний взаємний зв’язок. Тому в них енергетичні рівні вироджуються в зони. Верхню зону називають порожньою або зоною провідності, а нижню – валентною або заповненою. Між ними знаходиться заборонена зона. Якщо електрону, який знаходиться в заповненій зоні , надати відповідну кількість енергії , то він перейде у верхню зону – зону провідності. При його повернені у верхню зону відбувається рекомбінація електрона і дірки з виділенням кванту енергії. НПЛ складаються з двох частин : р- область і n- область. Перша з яких має електрону провідність , а друга – діркову. Межею між них є р-n-перехід. Він є енергетичним бар’єром , для подолання якого електронам і діркам потрібно надати деяку кількість енергії. Якщо через діод пропускати струм з області р до області n , не менший від деякого мінімального значення, яке називається пороговим струмом, то енергія електронів в n- області зростає і вони починають рухатись в напрямку р- області. В зоні р - n- переходу електрони впадають в дірки, що супроводжується випромінюванням. Зона р - n- переходу, яка є перпендикулярною до напряму струму, є активною зоною НПЛ. Товщина цього переходу декілька мкм, а ширина – десяті частки мм. Дві грані діода, перпендикулярні до р - n- переходу, полірують і покривають діелектриком, завдяки чому вони набувають здатності відбивати випромінювання. Ці грані виконують роль оптичного резонатора НПЛ (резонатора Фабрі – Перо). Одна з цих граней є частково прозорою. З неї отримуємо випромінювання. Інші грані діода є неполірованими (шорсткими). Розташування НПЛ лежить в ближній інфрачервоній ділянці спектра; його довжина хвилі 0,8 – 0,9 мкм. Ширина випромінювання залежить від температури кристала та сили струму і складає від 0,001 до 0,005 мкм. Розміри лазера дуже малі , наприклад 0,1 х 0,1 х 1,25 мм. потужність випромінювання при охолоджуванні в рідкому азоті складає 10-25 мВт. Потужність живлення – 50 мВт. Отже, ККД НПЛ може досягати 50 % , тобто є дуже високим. Використання НПЛ ускладнене тим , що через велику щільність струму(≈1000 А/см2 ), яку потрібно пропускати через них, вони дуже швидко нагріваються і руйнуються. Щільністю струму (j) називають величину струму, що проходить через одиницю поперечного перерізу провідника, за одиницю щільності приймають А/см2 тобто таку щільність, при якій через площадку в 1 кв. см , перпендикулярну до напрямку руху зарядів іде струм 1 ампер. Тому , для отримання безперервного випромінювання їх потрібно сильно охолоджувати. Це не дозволяє використовувати у світловіддалемірах НПЛ в режимі безперервного випромінювання ( без охолоджування вони можуть працювати тільки в імпульсному режимі ). Тому, сучасні розробки імпульсно – фазових світловіддалемірів дали можливість використовувати НПЛ. Коли через напівпровідник пропускати струм, менший від порогового , то рекомбінація відбувається хаотично, спонтанно. При цьому виникає некогерентне і немонохроматичне випромінювання , яке отримало назву рекомбінаційного. Діод який працює в такому режимі називавється люмінесцентним діодом. Потужність випромінювання світлодіода набагато менша , ніж лазера (вона не перевищує 0,2мВт). Ширина спектра його випромінювання складає 0,01-0,03 мкм. ККД менше або дорівнює 1 %. Будова світлодіода не відрізняється від будови НПЛ. В ньому тільки не шліфують граней, бо оптичний резонатор для їх роботи не потрібний. Світлодіод працює безперервно при будь - яких температурах навколишнього середовища. Це робить його зручним джерелом світла для світловіддалемірів. Світловий потік , отриманий з світлодіодів та НПЛ , прямопропорційний силі струму, який протікає через нього. Це дає можливість в них проводити модуляцію (внутрішню) інтенсивності випромінювання. Недоліком напівпровідникових джерел світла є так звана фазовість випромінювання. Причини цього - дефекти в будові напівпровідника , які призводять до появи в них ділянок в зоні р - n- переходу з менш сприятливими умовами для виникнення випромінювання. Внаслідок цього, в поперечному перерізі пучка, густина світлового потоку не є однаковою по всій поверхні перерізу. При модуляції випромінювання напівпровідникових джерел в площині поперечного перерізу пучка фаза модуляції інтенсивності через фазовість не є однаковою.

    Лекція 8.

    Способи модуляції світла.

    8.1 Модуляція і інтенсивність світла

    Модуляція – закономірна зміна вибраного параметра світлового потоку. У світловіддалемірах модулюють інтенсивність світлового випромінювання , або форму еліпса поляризації. Інтенсивність світла – це середня в часі густина світлового потоку. Вона прямо пропорційна до квадрата амплітуди електромагнітних коливань. Тому, модуляцію інтенсивності світла можна вважати різновидністю амплітудної модуляції. До модуляції світла у світловіддалемірі ставлять декілька вимог: по–перше, в зв’язку з тим, що модулюючі коливання є вимірювальними , закон модуляції світла повинен бути гармонійним або близьким до нього. По друге, частота модуляції світла повинна бути більшою або дорівнювати 10 мГц. По третє, потрібно мати можливість без складних перетворювань змінити плавно або дискретно частоту модуляції світла. Інші два способи модуляції світла - внутрішня і зовнішня. Внутрішньою модуляцією називається такий спосіб, при якому періодичні зміни параметра світлового променя відбуваються безпосередньо в джерелі світла під впливом зміни напруги його живлення. Цим способом найпростіше модулювати інтенсивність випромінювання. Внутрішня модуляція можлива в газорозрядних лампах, НПЛ і світлодіодах. Найпростіше її здійснювати в двох останніх джерелах завдяки тому, що між інтенсивністю випромінювання і силою струму, який проходить через них, існує практично лінійна залежність. Для отримання модульованого за інтенсивністю випромінювання через напівпровідник пропускають крім постійного струму І0 ще змінний струм.

    Інтенсивність випромінювання:



    (8.1)

    (8.2)

    (8.3)

    К- коефіцієнт пропорційності , залежить від властивостей світлодіода чи лазера:



    - постійна складова інтенсивності;

    (8.4)

    (8.5)

    - амплітуда змішаної складової , яка у відалемірі з’являється під впливом вимірювальних коливань.

    і – сумарний струм.


    8.2 Два способи модуляції світла

    Таким чином, при живленні НПЛ чи світлодіода постійним і змінним струмом отримаємо гармонічний закон модуляції. Частота і фаза модуляції інтенсивності дорівнює частоті і фазі вимірювальних коливань. Зміна струму на світловіддалемірі чи НПЛ приводить до миттєвої зміни інтенсивності вимірювання, тобто можна вважати, що в них відсутня інерційність. Завдяки цьому, в цих джерелах світла можна модулювати інтенсивність випромінювання на дуже високих частотах (до декількох гГц). Цей спосіб модуляції використовується в топографічних віддалемірах. При зовнішній модуляції джерело світла дає постійний світловий потік, а його модуляція здійснюється під впливом вимірювальної напруги в окремому пристрої, крізь який проходить світловий потік. Цей пристрій називається модулятором. Таким способом модулюють світло в сучасних віддалемірах з газовими лазерами. Його використовують також тоді, коли джерелами світла служили лампи розпарювання та газорозрядні лампи. Модулятори світла у віддалемірах мають відповідати вимогам, про які говорилося вище. Крім цього вони повинні бути простими , мати малу масу та мінімальну потужність живлення, приведення їх до робочого стану не повинно викликати труднощів. На їх роботу не повинні впливати зміни метеорологічних умов. Бажано , щоб їх прозорість була високою, щоб забезпечити мінімальні втрати світлової енергії. На жаль, модулятора, який задовольняє всім вимогам не має. Модулятори світла поділяються на 3 класи:



    1. Механічні (найбільш прості);

    2. Фізико-оптичні;

    3. Електрооптичні.


    8.3 Механічні і фізико-оптичні модулятори.

    Механічні модулятори модулюють інтенсивність світла, але їми важко досягнути потрібної у віддалемірах частоти модуляції.

    Фізико - оптичні модулятори теж модулюють інтенсивність світла. В них використовуються явища інтерференції або дифракції. В дифракційних модуляторах збуджують зміну дифракційної гратки в рідині або в кристалі. Недоліком цих модуляторів є те, що вони модулюють світло на одній частоті. В історії розвитку світловіддалемірної техніки відомі факти використання фізико-оптичних модуляторів, але широкого розповсюдження вони не отримали. Тепер у світловіддалемірах застосовують тільки електрооптичні модулятори, робота яких основана на явищі штучного подвійного променезаломлення, що виникає під дією електричного поля.



    Рис. 8.1 Фізико-оптичні модулятори


    Природний промінь після проходження поляризатора стає плоскополяризованим. В природних умовах подвійне променезаломлення спостерігають при проходженні світла через деякі кристали. Із теорії Максвелла відомо, що світло – це поперечні електромагнітні хвилі, бо в них електричний і магнітний вектори коливаються в площинах , перпендикулярних до напрямку розповсюдження хвиль. В природі промені коливання векторів однаково можливі у всіх перпендикулярних до променя напрямках. Якщо вектори коливань якимось чином впорядковані , то промінь називається поляризованим. В плоскополяризованому промені коливання електронного вектора відбувається в одній площині, а магнітного вектора в перпендикулярній до неї площині. Площина, в якій відбуваються коливання електронного вектора променя , називається площиною коливань. Площина поляризації променя є перпендикулярною до площини коливань. Природний промінь потрапивши в кристал розкладається на два плоскополяризовані промені, площини коливань яких взаємно перпендикулярні.

    Лекція9.

    Фазовий зсув променів.

    9.1 Оптичні осі кристала

    Показник заломлення цих променів в кристалі не однаковий. Тому вони розділяються в просторі і проходять крізь кристал з різними швидкостями. Але в кристалі є 1 або 2 напрямки , вздовж яких показники заломлення променів є однаковими. Ці напрямки називаються оптичними осями кристала. Залежно від кількості таких напрямків кристали поділяються на одно – і двовісні. В одновісних кристалах площину , яка проходить через падаючий промінь і оптичну вісь називають головною або головним перерізом. В одному з променів, який з’явився у кристалі, коливання відбуваються в площині, перпендикулярній головному перерізу, а в другому – в паралельній до нього площині. Перший з променів називається звичайним , бо його показник заломлення в кристалі є постійним. Тому шлях його в кристалі підпорядковується законам оптики. Показник заломлення другого променя в кристалі залежить від кута падіння променя на кристал, і його шлях в кристалі не відповідає законам оптики. Цей промінь називається незвичайним. Показник заломлення обох променів у двовісному кристалі залежить від кута падіння на кристал. Тому вони обидва є незвичайними. Існують кристали в яких один з двох променів суттєво поглинається, тобто в них спостерігається дихроїзм. При певній товщині кристалу цей промінь повністю поглинається і з кристала виходить тільки один плоскополяризований промінь. Такі кристали використовуються для поляризації світла і їх називають поляроїдами. У світловіддалемірах для поляризації використовують полівінілові поляроїди. Це полівінілова плівка з нанесеним тонким шаром голкоподібних, паралельно-орієнтованих кристалів геропатиту (йодохініну). Цю плівку закріплюють між двома плоско паралельними скельцями. Поляроїд , що стоїть перший на шляху природного променя, називається поляризатором, а поляроїд, на який потрапляє вже поляризований промінь, називається аналізатором. Площину, в якій відбувається коливання електричного вектора променя після проходження поляризатора, називають його площиною поляризації. Коли обертати поляризатор навколо вісі, що збігається з променем, то обертається і його площина поляризації. На оправі поляризатора часто наносять риски, які вказують на розташування його площини поляризації. Аналізатор, як і поляризатор, теж має площину поляризації. Коли на аналізатор падає плоскополяризований промінь, то з нього виходить тільки та складова частина променя , яка має коливання в його площині поляризації. Амплітуда цієї складової : (9.1) , де

    А0- амплітуда вектора променя , що падає на аналізатор;

    γ- кут між площиною коливань променя і площиною аналізатора.

    Інтенсивність складової , що пройшла аналізатор:

    (9.2)

    9.2 Комірка Керра

    Коли на шляху променя помістити поляризатор і аналізатор, то інтенсивність променя після їх проходження теж виражається формулою (9.2). В цьому випадку γ- кут між площинами поляризації поляризатора і аналізатора. Якщо ці площини є паралельними , то через поляризатор і аналізатор проходить максимальний світловий потік. Коли ці площини взаємноперпендикулярні, то аналізатор гасить поляризований поляризатором промінь. В такому випадку кажуть, що аналізатор і поляризатор встановлені “на темноту “. В природному світловому промені всі значення кута γ з площиною поляризатора рівноможливі. Тому після його проходження інтенсивність променя дорівнює середньоінтегральному значенню : , тобто 05 Ф0. Отже, поляризатор теоретично допускає половину природного світлового потоку. В 1875 р. Керр виявив , що деякі рідини під дією електромагнітного поля набувають властивості одновісного кристала, вісь якого збігається з напрямком силової лінії електричного поля. Така зміна оптичних властивостей рідини названа ефектом Керра. Цей ефект найбільш чітко проявляється в нітробензолі C6H5NO2. Нітробензол – це летка отруйна рідина жовто-зеленого кольору ; гігроскопічна, завдяки чому швидко розпадається; температура затвердіння +5,1 С0; температура кипіння -+212 С0. Модулятори, робота яких базуються на цьому ефекті , отримали назви комірок Керра.



    Неповна комірка Керра зображена на рисунку 9.1 (а – схема комірки), (б – розпадання променя в конденсаторі Керра).





    Рис. 9.1 Комірка Керра

    Неповна комірка Керра складається з поляризатора і конденсатора Керра, в якому діелектриком служить нітробензол. Пластинки конденсатора Керра впаюють в скляну посудину, яку заповнюють нітробензолом і герметизують. Відстань між пластинками 0,7-1мм. Ємність конденсатора Керра є пФ, а тангенс діелектричних втрат в змінному електричному полі на частоті 10 мГц складає . Скло для посудини конденсатора Керра вибирають таке, щоб його показник заломлення дорівнював показнику заломлення нітробензолу, а перпендикулярні до променя стінки посудини роблять паралельними. Тому, конденсатор Керра в оптичній системі можна вважати плоскопаралельною пластинкою. Для того, щоб проявився ефект Керра, необхідно, щоб в конденсатор входив плоскополяризований промінь. Тому світловий промінь із джерела проходить спочатку крізь поляризатор, а потім зустрічає на своєму шляху конденсатор Керра. Світловий промінь проходить через нітробензол між пластинками конденсатора, які перпендикулярні до силових ліній. Коли до нього не прикладається напруга, то промінь проходить через конденсатор без змін. Коли до конденсатора прикладається напруга, то нітробензол між його пластинками набуває властивостей одновісного кристала. Плоскополяризований промінь, ввійшовши між площинами конденсатора, розкладається на 2 промені: звичайний і незвичайний (рис. 9.1.(б)). Площина коливань першого з них є перпендикулярною до силових ліній, а 2-го паралельною до них. Введемо такі позначення:



    - амплітуда коливань електромагнітного вектора променя після проходження поляризатора;

    - амплітуди коливань векторів відповідно звичайного і незвичайного променів;

    - кут між площиною поляризатора і напрямком силових ліній в конденсаторі.

    Амплітуди векторів звичайного і незвичайного променів:



    ,(9.3)

    , (9.4).

    У світловіддалемірі поляризатор і конденсатор Керра розташовані так, щоб амплітуди звичайного і незвичайного променів були однаковими, або щоб промінь розділявся в конденсаторі на 2 однакові частини. Це буде мати місце, коли . Тоді:



    , (9.5).

    Показники заломлення звичайного і незвичайного променів в нітробензолі між пластинами конденсатора є різними, тому в цьому проміжку швидкості променів теж є різними. Це є причиною того, що промені виходять із конденсатора з різницею оптичних шляхів :



    , (9.6), де

    - показники заломлення нітробензолу між пластинами конденсатора відповідно звичайних і незвичайних променів;

    - довжина шляху променів в конденсаторі.

    9.3 Фазовий зсув променів.

    Цій різниці оптичних шляхів відповідає фазовий зсув променів:



    , (9.7), де

    i - показники переломлення звичайного та незвичайного променів в нітробензолі;

    - довжина хвилі випромінювання джерела світла;

    - шлях променів в нітробензолі.

    Керр встановив залежність між фазовим зсувом і прикладеною до конденсатора Керра напругою Е:



    - формула Керра (9.8), де

    - віддаль між пластинами конденсатора в см;

    - напруга в В;

    - постійна Керра;

    Для нітробензолу при і при випромінюванні з довжиною хвилі = 0,546 мкм, .



    Лекція 10.

    Ефект Керра.

    Фазовий зсув є прямопропорційний до квадрата прикладеної напруги, тому ефект Керра називають квадратичним або параболічним. Найближчою важливою характеристикою конденсатора Керра є критична напруга . Коли до конденсатора прикласти напругу , то промені вийдуть з нього з зсувом . Тоді (10.1) і (10.2). Ця формула показує, що змінюючи напругу на конденсаторі, можна змінювати фазовий зсув променів. Тому неповною коміркою Керра можна модулювати промені за фазовим зсувом.



    Рис. 10.1 Фазовий зсув променя



    10.1 Статична і модуляційна характеристики неповної комірки Керра.

    На рис.10.1 показана статична і модуляційна характеристики неповної комірки Керра.

    Залежність між фазовим зсувом і напругою на конденсаторі неповної комірки Керра показано на рис. 10.1. вона має форму параболи. Графічні залежності між величиною, яку модулює модулятор, і напругою називається статичною характеристикою модулятора. Побудуємо модуляційну характеристику неповної комірки, тобто графік залежності фазового зсуву від часу при заданій напрузі, прикладеній до його конденсатора. Щоб зміна фазового зсуву відбувалася по гармонічному закону, крім змінної напруги , потрібно прикладати постійну напругу зміщення Е0. Це дає можливість працювати на прямолінійній ділянці, або на ділянці статистичної характеристики. Графік напруги побудований під статичною характеристикою. (10.3). Величина Т=1/f є періодом змінної напруги, а праворуч від неї отримана модуляційна характеристика для проміжку часу t. Таким чином,на прямолінійній ділянці статичної характеристики при напрузі (10.3) відповідає гармонічний закон зміни фазового зсуву. При цьому частота і фаза зміни фазового зсуву дорівнює частоті і фазі змінної напруги. Плоскополяризований промінь йде в конденсатор Керра перпендикулярно до силової лінії, тобто перпендикулярно до оптичної осі, яка з’являється в нітробензолі. В такому випадку звичайний і незвичайний промені не розділяються в просторі. При суперпозиції (накладанні) двох когерентних променів з взаємно перпендикулярними площинами коливань одержимо сумарний, еліптично поляризований промінь. Електричний вектор коливань такого променя рівномірно обертається навколо нього, а його кінець описує еліпс. Форма його залежить від амплітуди коливань променя, які накладаються, і фази зсуву променя. В неповних комірках Керра амплітуди коливань є однакові завдяки відповідному розміщенню поляризатора і конденсатора Керра. Тому форма еліпса поляризації залежить тільки від фазового зсуву.

    10.2 Фотоелектронні помножувачі та фотодіоди.

    ФЕП – це електровакуумний прилад , робота якого базується на фотоелектронній та вторинній електронній емісії.



    Рис. 10.2 Фотоелектронний помножувач

    На рис. 10.2 зображено ФЕП. Основними елементами ФЕП є фотокатод К , від 7 до 14 емітерів Е і анод А. Все це впаяно в скляний балон. На ці електроди подають напругу так, щоб різниця потенціалів між анодом і першим емітером , першим і другим емітером постійно зростала. Емітер виготовляють з такого матеріалу, щоб при падінні електрону з достатньою кінетичною енергією вибивалося з них декілька електронів, тобто з матеріалу, в якому спостерігається явище вторинної електронної емісії. Світловий потік, що падає на фотокатод ФЕП, вибиває з нього електрони, тобто відбувається явище зовнішнього фотоефекту. Вибиті електрони, під впливом прискорюючого електричного поля, прямують на перший емітер і вибивають з нього електрони, які потрапляють на другий емітер і так далі. З кожного емітера вибивають більше електронів, ніж на нього їх падає, тому в процесі переходу від одного емітера до іншого відбувається помноження електронного потоку. Найбільший електронний потік потрапляє на анод. При 10 емітерах коефіцієнт помноження ФЕП досягає 105-106. Анодний струм Іа , який протікає через навантаження ФЕП, є пропорційний до інтенсивності світлового потоку Ф , який падає на фотокатод:

    ІаФФ (10.4), де Кф – коефіцієнт чутливості , який характеризує ФЕП.

    Розрізняють інтегрований і спектральний коефіцієнти чутливості. Інтенсивний коефіцієнт чутливості ФЕП дорівнює фотоструму в анодному колі ФЕП (в А) при освітленні його катода білим світлом в 1 Люмен. Спектральний коефіцієнт чутливості характеризує чутливість ФЕП до заданої ділянки спектра світлового потоку, який падає на фотокатод. Інтенсивний коефіцієнт чутливості ФЕП може приймати значення від 30-200 мкА/Лм.

    У віддалемірах використовують фотоелектронні помножувачі типів ФЕП –17 , ФЕП-28, ФЕП-38. в перших двох помножувачах катод масивний і працює на відбиття , а в третьому він напівпрозорий. Всі ці ФЕП локальної конструкції. У ФЕП-17 і ФЕП-38 є додаткові виводи на бокові станції балона.

    ФЕП мають ряд позитивних властивостей , завдяки чому їх широко використовують. Сюди слід віднести високу чутливість, на малий темновий струм, що дозволяє проводити вимірювання при слабких відбиттях світлових сигналів, малу інерційність, яка дає можливість використовувати високу частоту модуляції світлового потоку. На параметри ФЕП практично не впливають зміни зовнішніх умов, що є дуже важливим.

    Основним недоліком їх є те , що ФЕП живляться високою напругою.

    Це особливо незручно в малих топографічних віддалемірах. Тому в них тепер ФЕП замінюють фотодіодами.

    Рис. 10.3 Фотодіод

    На рис.11.1 показано будову фотодіода. В фотодіодах використане явище внутрішнього фотоефекту, що заключається в перерозподілі електронів по енергетичних рівнях під дією світлового потоку.

    Фотодіод – це напівпровідник з p-n-переходом. До нього прикладають напругу в запірному напрямку, при тому так, щоб не проходив струм через p-n- перехід. Коли світлодіод не освітлюється , то через опір R протікає дуже малий струм, який називається темновим. При падінні світлового потоку на p-n- перехід в ньому виникають пари “електрон - дірка”, для яких в p-n- переході є дуже малий опір. В наслідок цього в зовнішньому полі фотодіода з’являється струм, сила якого є прямо пропорційною до падаючого на p-n-перехід світлового потоку.

    Світловіддалеміри використовують кремнієві фотодіоди, які найбільш чутливі до випромінювання з довжинами хвилі 0,8-0,9 мкм, тобто до інфрачервоного випромінювання.

    Чутливість їх досягає 0,4-0,5 А/Вт. Енерційність фотодіодів не перевищує 10-7-10-8 секунди, тому їх можна застосовувати при частоті модуляції інтенсивності світла до 100 МГц. Недоліком фотодіодів є дуже низька вихідна напруга, особливо при слабких відбитих сигналах. Тому при використанні фотодіодів необхідні підсилювачі з дуже високим коефіцієнтом підсилювання, що є причиною появи шумів. Цей недолік відсутній у лавинних фотодіодах, принцип дії яких нагадує роботу ФЕП. До лавинних фотодіодів прикладають запірну напругу, дуже близьку до напруги пробиття. Тому електрони , які вибивають кванти світла, рухаються з дуже великою швидкістю. При зіткненні електронів з атомами гратки кристалу з’являються додаткові пари “електрон - дірка”. Нові електрони, які при цьому з’являються, і вибиті світловим потоком збільшують електричне поле, і вони продовжують при зіткненні з атомами гратки вибивати нові електрони. Отже, спостерігається лавинний ефект. Завдяки цьому, через опір навантаження в лавинних фотодіодах протікає набагато більший струм ніж в звичайних фотодіодах. Коефіцієнт помноження фотоструму в лавинних фотодіодах досягає 100, що значно менше, ніж у ФЕП, але вони є чутливішими від ФЕП до дуже слабких світлових потоків. Це робить їх застосування перспективним. Лавинні фотодіоди можна застосовувати при частоті модуляції світла до 40ГГц. Їх розміри дуже малі, а напруга живлення складає 15-30 В.



    Лекція 11.

    Оптичні системи світловіддалемірів.

    Світловіддалеміри мають 3 основні оптичні системи:

    1. Передавальну;

    2. Відбиваючу;

    3. Приймальну.

    Крім цього в них є ряд допоміжних систем, таких, як візуюча система, коротке оптичне замикання , оптичні лінії затримки, фільтри та інші. Наявність тих чи інших допоміжних оптичних систем обумовлена принципом дії світловіддалеміра. Розмір та маса передавальної, а також приймальної оптичної системи визначають габарити прийомопередавача в цілому та мають вплив на його масу. Тому, при конструюванні світловіддалемірів прагнуть вибрати такі оптичні системи, які б задовільняли усім вимогам і мали мінімальні розміри і масу. Основні оптичні системи посилають модульований світловий потік вздовж вимірюваної лінії, відбивають, а потім приймають його. Все це повинно відбуватися з мінімальними втратами світлової енергії і з мінімальним спотворюванням світлової модуляції. Кожна з цих систем повинна забезпечувати високу направленість випромінювання. Передавальний оптичний тракт включає в себе всі оптичні елементи, які знаходяться на шляху випромінювання джерела світла в передавачі. Він повинен сформувати з цього випромінювання вузький пучок, спрямований вздовж напрямку на відбивач. Якщо поверхня випромінювання джерела світла не є точною, що практично є завжди, то оптична система формує з цього випромінювання непаралельний розбіжний пучок променів. Чим більший розмір поверхні випромінювання, тим більша розбіжність пучка. Для зменшення розбіжності збільшують фокусну віддаль передавальної оптичної системи, бо розмір перерізу пучка в площині відбивача, що встановлюється на віддалі S, має діаметр d.

    (11.1)

    де l – діаметр перерізу світлового пучка в фокальній площині передавальної оптичної системи;

    f- фокусна віддаль системи.

    Перед овальними оптичними системами в багатьох світловіддалемірах є звичайні телескопічні труби, тобто лінзові системи. Вони складаються з складного об’єктива і фокусної лінзи. Ці системи є простими, дешевими і водостійкими. Єдиним їх недоліком є значний поздовжній розмір, який дорівнює фокусній віддалі системи (лінзової). Для зменшення маси та габаритів передавальної оптичної системи з великими фокусними віддалями лінзові системи змінюють дзеркально-лінзовими.



    Рис. 11.1 Передавальна оптична система

    На рис. 11.1 зображена дзеркально-лінзова передавальна система, що складається з об’єктива 1, великого сферичного дзеркала 2, дзеркально-лінзового компонента 3, який приклеюють до захисної скляної пластинки 4. У світловіддалемірах, які виготовлені в бувшому СРСР використовували лазери з розбіжністю в декілька мінут. При розбіжності в 2’ на S= 10 км переріз при відсутності оптичної системи = 6 м. Лінзова телескопічна колімуюча оптична система зменшує його до 0,4-0,6м, тобто в 10 разів.

    Широке застосування у віддалемірах отримали зеркально-лінзові і призменні відбивачі, в орієнтуванні. Зеркально-лінзовий відбивач складається із об*єктива і зеркала, розташованого у фокусі об*єктива перпендикулярно його оптичній осі. Тоді прийнятий і відбитий промені паралельні. Практично ця паралельність зберігається, якщо падаючий промінь складає кут з віссю об*єктива не більший . При точному виготовленні відбивача і кута падіння меншого , його розсіювання не перевищує 30”.

    Збільшення світло збору зеркально-лінзовим відбивачем можна досягнути тільки збільшуючи діаметр отвору об*єктива або встановлюючи декілька відбиваючих елементів. Тому застосовують мозаїчні і призмені відбивачі.

    Додатки.

  • 1   2   3   4   5   6   7   8   9




    База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2022
    звернутися до адміністрації

        Головна сторінка