Загальні принципи електронної віддалеметрії. Світловіддалеміри

Газові лазери генерують безперервне випромінювання. Окрім вже згадуваного гелій-неонового (Не-Ne) лазера, що використовується в наземних світловіддалемірах і випромінюючого червоне світло з довжиною хвилі 0,63 мкм, в двохвильових світловіддалемірах можуть використовуватися гелій-кадмієвий (Не-Сd) лазер з довжиною хвилі 0,44 мкм (синє світло) і аргоновий (Аr) лазер, що може одночасно генерувати випромінювання на двох довжинах хвиль: 0,46 мкм (синє світло) і 0,51 мкм (зелене світло). Газові лазери мають найбільший ступінь монохроматичності випромінювання. Лазери на фарбниках володіють чудовою властивістю – можливістю перебудови довжини хвилі в широкому діапазоні, але геодезичного застосування вони поки не отримали. Напівпровідникові лазери складають особливий клас лазерів, зважаючи на їх вельми специфічні властивості, вони широко використовуються в сучасних наземних світловіддалемірах і електронних тахеометрах. Однією з найпривабливіших їх якостей є дуже малі розміри (менше 1см) і маса. Напівпровідниковий лазер на арсеніді галію, частіше всього вживається у віддалемірній техніці, є лазерним діодом, виконаним у вигляді кристала, складеного з двох «половинок» з різними типами провідності – електронної (n-провідність) і дірчастої (p-провідність). Між ними утворюється зона, що називається p-n-переходом. Якщо на ці «половинки» подати постійну напругу живлення (підключивши позитивний полюс до p-області), то в зоні p-n-переходу утворюються фотони і звідти виходить випромінювання. Так виходить світлодіод, але його випромінювання некогерентне. Щоб перетворити світлодіод на лазерний діод, треба відполірувати торцеві грані кристала, які служитимуть дзеркалами резонатора, і збільшать густину струму через діод. Тоді випромінювання стає когерентним – і ми одержуємо напівпровідниковий лазер. Окрім малих габаритів, такий лазер володіє ще однією цінною властивістю – можливістю внутрішньої модуляції випромінювання. Тобто якщо в віддалемірі джерелом випромінювання служить напівпровідниковий лазер, то модулятора, як окремого пристрою не треба – достатньо подати напругу живлення на лазерний діод, як змінну моделюючу напругу від генератора і випромінювання, що виходить з діода буде модульованим. При цьому можлива модуляція з дуже високою частотою - до 1 ГГц.

2.2.Ефект Допплера.
Цей ефект полягає в тому, що при зближенні або віддаленні випромінювача (передавача) і приймача частота коливань, що приймається, відрізнятиметься від частоти випромінюваних коливань. При цьому байдуже, що саме рухається – випромінювач або приймач; важливо їх відносний рух, тобто зміна відстані між ними. (Це справедливо у разі нехтування релятивістськими, тобто пов'язаними з теорією відносності, ефектами, якими у всіх що цікавлять нас випадках можна нехтувати через малу частку швидкості руху в порівнянні з швидкістю світла). Якщо, скажімо, випромінювач віддаляється від нерухомого приймача, то останній прийматиме в одиницю часу менше хвиль в порівнянні з випадком незмінної відстані між випромінювачем і приймачем. Тобто довжини хвиль збільшуються, а частота відповідно зменшується. У разі наближення випромінювача до приймача картина міняється на зворотну – в одиницю часу сприймається
більше хвиль, тобто хвилі стають коротшими і частота збільшується.
Якщо передавач, встановлений, наприклад, на супутнику що рухається, випромінює радіохвилі з незмінною частотою f, то сприймана приймачем частота рівна:
f_пр = f [1 ± (V/v)], (2.21)
де V – радіальна швидкість супутника (проекція вектора швидкості на напрям «супутник – приймач»), v – швидкість електромагнітних хвиль (в середовищі). Знак в дужках залежить від напряму руху.
Таким чином, частота, що приймається, відрізняється від випромінюваної на величину
Δf_д = |fпр – f | = f (V/v) (2.22)

звану допплерівським зсувом (або зсувом) частоти, або просто допплерівською частотою.
Окрім «супутникового випадку» з випромінюванням радіохвиль, допплерівський зсув має місце і в оптичному діапазоні, зокрема, при віддзеркаленні світла від дзеркала, що рухається, при роботі лазерних інтерферометрів переміщень. В цьому випадку світло від лазера з частотою ν (цією буквою прийнято позначати частоту в оптичному діапазоні), перш ніж потрапити в приймач, проходить подвійну відстань – до дзеркала (відбивача), що рухається, і назад, і формула (2.22) набуває вигляд:
Δν_д = ν (2V/v) (2.23)

де V – швидкість руху відбивача, v – швидкість світла в повітрі.
Оскільки V/v = 1/λ, то (2.23) можна переписати у вигляді:
Δν_д = 2V/λ. (2.24)

Тема 3. Електронні вимірювання відстаней та кутів.
(Лекція 4 год.)

Дата добавления: 2014-01-07