Лекция Общие сведения о методах измерения расстояний при помощи электромагнитных волн.Классификация методов измерения расстояний

    Скачать с Depositfiles 

4 Общие сведения о методах измерения расстояний при помощи электромагнитных волн

4.1 Физическая основа методов

Возможность измерения расстояний при помощи электромагнитных волн основана на зависимости пути, проходимого волной, от времени его прохождения. В предположении, что электромагнитная волна распространяется строго прямолинейно с постоянной скоростью , эта зависимость представляет собой уравнение прямолинейного равномерного движения

, (4.1)

и, следовательно, за некоторый конечный интервал времени  волна пройдет конечное расстояние

,

для определения которого необходимо измерить интервал времени  и знать скорость распространения волны .

Пусть расстояние  соответствует некоторому отрезку  между точками  и  (рис. 4.1,а). Чтобы измерить время , надо зафиксировать момент  выхода волны из точки  и момент  прихода волны в точку . Технически это легче всего сделать в том случае, если оба момента будут фиксироваться одной и той же аппаратурой. Поскольку невозможно иметь одно и то же устройство одновременно в точках  и , поступают следующим образом. В точке  волну заставляют отражаться обратно в точку, в которой располагают измерительную аппаратуру, и производят фиксацию моментов выхода и возвращения волны в точке  (рис. 4.1,б). Таким образом, реально определяемый интервал времени есть , т.е. соответствует двойному расстоянию , и поэтому искомое расстояние определяется соотношением

. (4.2)

а)

б)

Рис. 4.1 – Иллюстрация к методу измерения расстояния D с использованием электромагнитных волн

Измерительный процесс сводится, следовательно, к измерению интервала времени . Так как скорость электромагнитных волн очень велика (~3·108 м/с), то этот интервал времени чрезвычайно мал даже при больших расстояниях. Например, при  величина  составляет всего  (миллисекунд)

Столь малые временные интервалы требуется измерять с очень высокой точностью, чтобы получить удовлетворяющую геодезическим требованиям точность измерения расстояния. Непосредственно из уравнения (4.2) следует, что погрешность измерения времени можно оценить по формуле (пояснить)

(4.3)

Если, например, поставить требование, чтобы расстояние  было определено с погрешностью , что при  соответствует относительной погрешности , то интервал времени  необходимо измерить с погрешностью не более  (соответственно, наносекунд и пикосекунд). Это означает, что все 10 цифр после запятой в числе секунд являются значащими (пояснить).

Для достижения такой точности необходимы специальные методы измерений. К настоящему времени разработан ряд таких методов, различающихся по техническим принципам. Этими методами измеряют либо непосредственно временной интервал, либо другой параметр, являющийся определенной функцией этого интервала. В зависимости от конкретного метода реализуется та или иная схема измерения расстояний, определяющая соответствующую функциональную схему построения измерительной аппаратуры.

Физическая сущность всех методов измерения расстояний заключается в сравнении одного и того же параметра, связанного с электромагнитным излучением, до и послепрохождения излучением измеряемой дистанции.

Обычно аппаратура на одном конце измеряемой линии содержит передатчик и приемник, а на другом конце – отражатель. Один и тот же сигнал от передатчика направляется на приемник одновременно по двум различным путям: непосредственно (без выхода на дистанцию) и через измеряемую дистанцию (путь от отражателя и обратно), как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2 – Общая схема измерения расстояний при помощи электромагнитных волн

Первый путь называется опорным каналом или трактом, а идущий по нему сигнал – опорным сигналом. Второй путь образует дистанционный или информационный канал. Соответственно приходящий от отражателя сигнал называется дистанционным или информационным сигналом.

В приемнике осуществляется сравнении опорного и информационного сигналов по избранному параметру, или, другими словами, измеряется их различие по этому параметру. Так как эти сигналы образованы от одного и того же сигнала передатчика, то указанное различие обусловлено только тем, что они проходят различные пути: опорный сигнал проходит путь  внутри прибора, а информационный – путь , т.е. измеряемое различие является функцией разности путей , содержащей искомую величину .

4.2 Классификация методов измерения расстояний

Выбор параметра, по которому производится сравнение опорного и информационного сигналов, определяет метод измерения расстояния. Существуют следующие основные методы измерения расстояний:

— временной или импульсный;

— частотный;

— фазовый.

Фазовый метод может быть реализован в двух вариантах:

— на несущей частоте, т.е. без модуляции;

— на частоте модуляции.

Фазовый метод на несущей частоте называют интерференционным методом. Особенно применимо это название к оптическому диапазону.

В некоторых случаях используют сочетание импульсного и фазового методов, и такой комбинированный метод называют импульсно-фазовым.

 
    Скачать с Depositfiles