3. Фазовые светодальномеры

В этих светодальномерах излучается гармонически модулированный световой поток и время определяют косвенным способом – сравнением фаз излучаемого и принимаемого световых потоков.

Если в начальный момент времени t₁ фаза излучаемого модулированного по интенсивности с угловой частотой ω потока равна ωt₁, то в момент времени t₂ = t + t она будет равна ωt₂ . Измеренная в момент времени разность фаз Δ будет пропорциональна времени t, затраченному потоком на прохождение двойного измеряемого расстояния, т.е. , а следовательно (4)

Частота модуляции ω выбирается в зависимости от величины допустимой погрешности измерения минимального расстояния и от погрешности определения разности фаз Δ и в практически реализованных приборах составляет 10-1000 МГц. При измерении расстояний светодальномерами действительное значение разности фаз Δ излучемого и принимаемого световых потоков во много раз больше фазового цикла

(5)

где N – число целых фазовых циклов (N = 1,2,3);

Δ - измеряемая разность фаз в пределах фазового цикла.

Чем больше частота модуляции, тем точнее можно измерить расстояние и соответственно возрастает число целых фазовых циклов, которое необходимо определить.

Число N определяют путем изменения модулирующей частоты, следя при этом за изменением разности фаз. Возможны два варианта изменения частоты модуляции: плавное и дискретное. Обычно используется способ измерения расстояния на нескольких фиксированных частотах. Минимальное число частот модуляции 2: основная f₁ и вспомогательная f₂, которая необходима для определения N на основной частоте. Вспомогальная частота меньше основной в Κ раз, т.е.

(6)

где К – коэффициент многозначности, принимаемый равным 100 или 10.

Значение минимальной вспомогательной частоты (при нескольких фиксированных частотах) определяется из условия однозначного измерения максимальной дальности S_мах

(7)

т.е. разность фаз Δ , измеренная на частоте , не должна быть больше фазового цикла.

Следовательно величина измеряемого расстояния определяется дважды

(8)

где Δ <2 - разность фаз в пределах последнего фазового цикла на частоте f₁

Отсюда

Максимальное расстояние, однозначно определяемое с помощью дальномера с тремя масштабными частотами, равно

(9)

Число n вспомогательных частот, необходимое для однозначного определения числа N при заданных значениях S_мах и K , вычисляются по формуле

(10)

Разность фаз в пределах фазового цикла 2 π может измеряться непосредственно или компенсационным способом.

Функциональная схема фазового дальномера с непосредственным измерением разности фаз Δ излучаемого и принимаемого световых потоков представлена на рис. 3.

ГМЧ

ФУ

Пер ОС

Пр ОС

ф

Рис. 3

Электрический сигнал от генератора модулирующей частоты (ГМЧ) модулирует световой поток лазера и одновременно поступает в фазоизмерительное устройство (ФУ), так что фаза излучаемого светового потока соответствует фазе этого сигнала. От приёмной системы (ПрОС) на другой вход ФУ поступает электрический сигнал, фаза которого соответствует фазе принимаемого светового потока. В качестве ФУ в настоящее время используют цифровые фазометры, в которых при помощи специальных квантующих устройств из синусоидальных электрических сигналов, подаваемых в ФУ, создают импульсы, каждый из которых соответствует определенной фазе светового потока. ФУ в этом случае состоит из генератора калиброванных импульсов, счётчика этих импульсов и триггерной ячейки (подобно измерителю времени в импульсном дальномере). Старт-импульс, соответствующий определенной фазе излучаемого потока открывает триггерную ячейку, счётчик считает калиброванные импульсы, пока стоп-импульс, соответствующий определенной фазе принимаемого светового потока, не закроет ячейку. Погрешность измерения Δ устройством не превышает 0,5^о. Итак схема дальномера с непосредственным отсчётом разности фаз отличается простотой, но малоинерционного фотоэлектрического приёмника. В этом случае приёмник регистрирует мгновенное значение интенсивности ванного, поступающего в приёмную систему светового потока, у которого разность фаз измеряется непосредственно, т.е.

ГМЧ

Пер ОС

ф

Ф

Пр ОС

И

Рис. 4

(11)

Первое выражение соответствует внешней модуляции излучения по интенсивности, а второе для внутренней модуляции непосредственного в источнике. В этих выражениях Φ_л – мощность лазерного излучения; m – глубина модуляции; - коэффициент пропускания, учитывающий потери лучистой энергии при прохождении потока в приемопередатчике, отражателе и атмосфере.

При измерении разности фаз компенсационным способом приёмник излучения может быть весьма инерционным, например при визуальном приёме, а точность измерения максимальной, за счёт повышения частоты модуляции. Однако в схеме такого дальномера (см. рис. 4) необходимо использовать демодулятор, находящийся в приёмной оптической системе, в качестве которого можно использовать помимо устройства, идентичного модулятора (или самого модулятора), непосредственно фотоэлектрический приёмник излучения (ФЗУ с дополнительным электродом). Кроме того ФУ заменено на фазовращатель (Ф) (например электрическая линия задержки) и добавлен индикатор, позволяющий по среднеинтегральному значению светового потока, прошедшего демодулятор, фиксировать предварительно установленную величину разности фаз излучаемого и принимаемого световых потоков. При помощи фазовращателя создают фазовый сдвиг, который компенсирует величину измеряемой разности фаз.

Измерение разности фаз компенсационным способом осуществляется следующим образом.

На модулятор подаётся электрический сигнал ГМЧ, который проходит фазовращатель. Об изменении разности фаз принимаемого светового потока и электрического сигнала, поступающего на демодулятор судят по изменению интенсивности среднеинтегрального светового потока, прошедшего через демодулятор.

Если глубина модуляции и демодуляции равна 1, то мгновенное значение интенсивности светового потока на входе демодулятора в соответствии с ( ) равно

(12)

Рассматривая действие демодулятора, как вторичное синхронное и синфазное модулирование интенсивности светового потока, и считая потери в демодуляторе незначительными, мгновенное значение интенсивности ранее модулированного и прошедшего через демодулятор потока представляется в виде

(13)

Средне интегральное значение интенсивности за период модулирующей частоты на выходе демодулятора (или электрического сигнала, соответствующего этому потоку) равно

(14)

т.е. зависит от измеряемой разности фаз.

Г

Ф_{ср max}

Ф_ср

Рис. 5

рафически зависимость этого потока от разности фаз Δ приведена на рис. 5.

ф

0 /2 /2 

Рис. 5

Электрический сигнал с демодулятора следует в индикатор. При фиксации момента, когда разность фаз Δ равна какому-либо определенному значению Δ можно, взяв отсчет по фазовращателю, определить значение Δ . Обычно фиксируют максимальные значения Ф_ср, когда разность фаз Δ = 0, тогда фазовращателем, равен измеряемой величине Δ .

Эффективным способом, позволяющим упростить конструкцию ФУ или Ф и повысить точность его, является измерение разности фаз на более низкой промежуточной частоте. Промежуточная частота значительно меньше модулирующей и обычно не превышает десятков кГц, поэтому уменьшение частоты электрического сигнала методом гетеродинирования позволяет существенно ослабить влияние временных задержек в цепях тракта, на точность измерения разности фаз Δ .

ГМЧ

Пер ОС

С₁

ГГ

ФУ

Пр ОС

ф

1

2

Рис. 6а

Поскольку ФЭУ с двумя специальными электродами могут выполнять одновременно функции и демодулятора и смесителя, можно построить дальномер по схеме 6а с непосредственным измерением разности фаз или 6в с компенсационным измерением. В этих схемах электрический сигнал соответствующий излучаемому модулированному потоку следует в электронный смеситель С₁, в который подаётся также сигнал с частотой ω_г от гетеродинного генератора ГГ. Одновременно сигнал с ГГ подается и на ФЭУ и гетеродинирование частот осуществляется непосредственно в ФЭУ. В остальном схемы 6а и 6б идентичны схемам 3 и 4 с учётом того,

что в схему 6а дополнительно линия оптического замыкания, состоящая из двух полупрозрачных зеркал.

Источники излучения лазерных дальномером.

При создании фазовых лазерных дальномеров качестве источника

н

И

Рис. 6б

епрерывного излучения обычно используют Не-Νе лазеры с малым у

ГМЧ

Пер ОС

С₁

Ф

ГГ

Пр ОС

ф

ровнем шумов и стабильные по частоте и диаграмме направленности ( = 0,6328 мкм).

Использование лазера на СО₂ с длиной волны излучения = 10,6 мкм, несмотря на ряд преимуществ (высокий КПД, большая мощность и т.д.) затруднено из-за отсутствия эффективных фотоприёмников. Другие газовые лазеры или слишком громоздки или требуют жидкостного охлаждения, поэтому их использование пока нецелесообразно.

Импульсные дальномеры строятся на основе твердотельных лазеров (рубин, стекло, АИГ), работающих в режимах свободной генерации или модулированной добротности.

Незначительная инерционность инжекционных источников излучения (полупроводниковых лазеров и светодиодов) ~ 1 не позволяет осуществить внутреннюю модуляцию излучения на частотах порядка до 50 МГц. Особенно перспективны инжекционные светодиоды из ΑsGа, обладающие малыми габаритами стабильностью и долговечностью. В качестве недостатков светодиодов следует отметить низкую силу излучения и значительную фазовую неоднородность модулированного потока.