En avståndsljusmätare är en geodetisk anordning som gör det möjligt att mäta avstånd på tiotals (ibland hundratals) kilometer med hög noggrannhet (upp till flera millimeter).
Så till exempel mättes avståndet från jorden till månen med en ljusavståndsmätare med en noggrannhet på flera centimeter (se Applicering av lasrar ).
Avstånden mäts genom fasskillnaden mellan den emitterade och mottagna strålen, som modulerar ljuset med olika frekvenser (fasljusavståndsmätare) eller av den tid strålen färdas det uppmätta avståndet (pulsljusavståndsmätare).
Ljusmätare består av:
Reflektorn kan vara prisma eller spegellins. Den vanligast använda är en prismatisk reflektor, bestående av ett annat antal hörnprismor ( trippelprismor ) monterade i ett gemensamt hus. Installerad i slutet av den uppmätta linjen.
TransceiverTransceivern i en fasljusavståndsmätare består i allmänhet av följande element: en strålningskälla, en strålningsmodulator, en modulerande (skala) frekvensgenerator, sändande och mottagande optiska system och en fasmottagande del, inklusive en strålningsmottagare, en analog eller digital fasmätare och en terminalindikator. Som strålningskälla, med sällsynta undantag, antingen en gaslaser baserad på en blandning av heliumneon (He Ne), som emitterar i den röda delen av spektrumet (strålningsvåglängd A, = 0,63 μm), eller en galliumarsenid-LED (GaAs) ), emitterar i IR-regionen (A,=0,9 μm) [8].
I avståndsmätare med lasrar används en Pockels-cell på en kristall av KDP-typ eller en Kerr-cell med nitrobensen som modulator . Avståndsmätare med lysdioder använder intern strålningsmodulering. Strålningsmottagaren är vanligtvis antingen ett fotomultiplikatorrör (PMT) eller, mer sällan, en fotodiod: Beroende på typen av krets delas avståndsmätare in i två grupper:
1) ljusavståndsmätare, där fasjämförelsen av referens- och reflekterade signaler sker vid en hög frekvens av ljusmodulering, och
2) heterodyna ljusavståndsmätare, där fasjämförelsen överförs till en låg frekvens, bildad som ett resultat av blandning av modulationsfrekvensen och frekvensen hos hjälpgeneratorn ( lokaloscillatorn ) i referens- och signalkanalerna.
Otydligheten i moderna enheter löses, i de allra flesta fall, genom att införa en uppsättning av flera fasta ljusmodulationsfrekvenser. För att eliminera påverkan av instabiliteten hos den konstanta korrigeringen av enheten under mätningsprocessen tillhandahålls en optisk kortslutningsledning (OSC).
Fasmätningar görs antingen med analog (kompenserad) eller digital metod. I det senare fallet kan mätningar automatiseras fram till utfärdandet av resultatet till en elektronisk digital display och till en extern datalagringsenhet ( hålband , magnetiska media , etc.). I de senaste enheterna löses uppgifterna styrning, beräkning och styrning med hjälp av mikroprocessorer eller mikrodatorer. De är avsedda att mäta sidorna i statliga geodetiska nätverk, såväl som baserna för rymdtriangulering och triangulering av högre klasser.
En ökning av emittereffekten ledde till möjligheten att få en stabil reflekterad signal från en diffus yta, vilket gör det möjligt att mäta avståndet utan att använda reflektor. Detta leder i sin tur till tidsbesparingar.
Ljusavståndsmätare med kort räckvidd, som kan mäta avstånd upp till flera kilometer (upp till 1 3) med ett fel på 2 cm. De är avsedda för att mäta avstånd i geodetiska nätverk av kondens och för att utföra topografiska undersökningar. I vissa fall kan räckvidden för enheter i denna grupp överskrida den specificerade gränsen och nå 10 15 km. Ljusavståndsmätare med ökad och högsta noggrannhet för korta avstånd, med vilka du kan mäta avstånd 0 1 3 km med ett fel på 2 mm eller mindre.
De är designade för precisionsmätning av avstånd för att lösa olika problem med tillämpad geodesi, vid gruvmätning och specialmätningar. I Sovjetunionen, i enlighet med GOST 19223 82, tilldelades de angivna grupperna av ljusavståndsmätare motsvarande bokstavsindex: G (geodesisk), T (topografisk), P (används i tillämpad geodesi ). Dessa bokstäver läggs till bokstaven C, som betecknar ordet "ljusavståndsmätare", varefter siffrorna som indikerar enhetens räckvidd indikeras. Till exempel betyder ST-3: topografisk avståndsmätare med en räckvidd på 3 km.
Ljusavståndsmätare av den andra gruppen (topografiska) görs ofta i form av kombinerade enheter. Detta innebär att de inte bara kan användas som fristående ljusavståndsmätare, utan också som avståndsmätare för teodolit, vilket ger det resulterande instrumentklustret funktionen av en elektronisk totalstation . I detta fall läggs bokstaven H (munstycke) till den alfanumeriska beteckningen. Minmätningsversionen av anordningen indikeras med tilläggsbokstaven M. En separat kategori av enheter består av elektroniska varvräknare i ett stycke.
Geodetiska ljusavståndsmätare: "Granat" ljusavståndsmätare: "Granat" laseravståndsmätare utvecklad på TsNIIGAiK , en uppgraderad version av den tidigare "Quartz" avståndsmätaren. Den skiljer sig från Quartz i mindre dimensioner och vikt, lägre strömförbrukning på grund av användningen av transistorer istället för lampor. En något mindre diameter på optiken minskade räckvidden till 20 km istället för 30 (vid Quartz-avståndsmätaren på dagtid).
Strålningen från lasern riktas till modulatorn ( Kerr kondensator och polaroidanalysator ) och skickas till en fjärrreflektor med hjälp av ett optiskt system. Det mottagande optiska systemet samlar en del av den reflekterade strålen och fokuserar den på fotomultiplikatorns katod. En grå kil (ljusflödesdämpare) SC och ett smalbandigt interferensoptiskt filter IF är installerade framför PMT.
Möjligheten till visuell observation av ljus genom OK-okularet tillhandahålls. Instrumentet har en optisk kortslutningslinje (OCS) som ljus kan riktas in med hjälp av OT P OSC-omkopplaren. Den elektroniska delen av avståndsmätaren är gjord enligt en heterodynkrets med frekvensomvandling i en PMT . Moduleringsfrekvensen fM från generatorn matas till ljusmodulatorn och samtidigt till mixern, där den blandas med frekvensen fr från lokaloscillatorn och bildar en referenssignal med en låg skillnadsfrekvens D \u003d 5 kHz, emitterad av en resonansförstärkare och matas till en ingång på fasdetektorn .
Den andra ingången på fasdetektorn tar emot en signal med samma skillnadsfrekvens Af, som bildas genom att blanda frekvenserna m och r i PMT (frekvensen r matas till fotomultiplikatorns externa elektrod som tar emot ljus modulerat av frekvensen fM) och isoleras av den andra resonansförstärkaren. Pekarens nollindikator vid fasdetektorns utgång visar noll när fasskillnaden i referens- och signalkanalerna reduceras till 90° eller 270°. Denna reduktion utförs av en fasskiftare , på vars skala en avläsning tas.
Avståndsmätaren har fyra moduleringsfrekvenser, valda för att implementera ett bitvis sätt att bestämma det totala avståndet. Värdet på den första frekvensen är sådant att fasskiftarens hela skala motsvarar 5 m under standardförhållanden (temperatur 0°C och tryck 760 Torr i torr luft). Därför tillåter mätningar vid alla fyra frekvenserna dig att entydigt få ett avstånd inom 5 km; antalet kompletta 5-km-segment bestäms av det ungefärliga värdet på avståndet, som måste vara känt med ett fel på högst ± 2,5 km. Dessa avläsningar låter dig få på varandra följande decimaler med två gånger avståndsvärdet.
Att dividera resultatet med 2 ger det totala mätbara avståndet (inom 0,5 km), vilket bestäms inom 1 cm ("grova" mått). Förfining av den sista siffran (upp till 1 mm) utförs med två mätmetoder vid samma första frekvens ("exakta" mätningar). En exakt mätteknik innefattar att ta en reflektor och en kortslutningsavläsning vid vart och ett av de fyra lägena av fasbrytaren, vilket skiftar fasen för referenssignalen i steg om 90° för att mildra det cykliska felet hos fasskiftaren [8].
Elektrooptisk avståndsmätare, en anordning för att mäta avstånd med den tid det tar för det uppmätta avståndet att färdas av elektromagnetiska vågor i det optiska eller infraröda området. Elektrooptiska avståndsmätare är indelade i puls och fas (beroende på hur de bestämmer tiden det tar en ljuspuls att resa avståndet till ett objekt och tillbaka). Elektrooptiska avståndsmätare av den första typen mäter avståndet i tiden mellan det ögonblick då pulsen sänds ut av sändaren och återkomstögonblicket för pulsen som kommer från reflektorn installerad i slutet av den uppmätta linjen, den andra typen - av fasskillnaden mellan den sända sinusmodulerade strålningen och den mottagna. De mest använda faselektroptiska avståndsmätarna. Ljuskällor var tidigare glödlampor (3-30 W) och gaslampor (50-100 W), nu gas- och halvledaroptiska kvantgeneratorer (OQG). I elektrooptiska avståndsmätare används vanligtvis amplitudmodulering med frekvenser på 10-80 MHz, vid vilken en fasskillnad på 1 ° motsvarar en avståndsändring på mindre än 1 cm. Strukturellt är modulatorn och demodulatorn desamma, deras verkan är baserad på användningen av Kerr-effekten eller Pockels-effekten . Växelspänningen som modulerar ljusflödet producerar en skalfrekvensgenerator, så kallad eftersom våglängden som motsvarar den bestämmer skalan för omvandlingen av fasskillnaden till avstånd. Det modulerade ljuset formas av en lins eller spegel-lins optiskt system till en smalt riktad stråle som skickas till reflektorn. Det reflekterade ljuset fokuseras på demodulatorn av ett optiskt system som liknar det sändande. Intensiteten vid demodulatorutgången som registreras av fasskillnadsindikatorn beror på fasförhållandet i den mottagna ljussignalen och i spänningen som styr demodulatorn; fasförskjutaren låter dig ställa in ett givet förhållande och avläsa den resulterande fasskillnaden, enligt vilken avståndet beräknas. Ett observatörsöga (elektrooptiska avståndsmätare med visuell indikering) eller en fotoelektrisk anordning med en pekanordning vid utgången kan fungera som en indikator på fasskillnaden [4,8].
Verkningsområdet för elektrooptiska avståndsmätare når 50 km, rot-medelkvadratfelet är ± (1 + 0,2^D km) cm, där D är avståndet, massan på uppsättningen är 30-150 kg, strömförbrukningen är 5-150 watt.