Лекция Устройство светодальномера СТ5 «Блеск». Оптические системы светодальномеров. Передающая оптическая система. Отражательная оптическая система.

    Скачать с Depositfiles 

                                       Лекция 7

Пристрій світловіддалеміра СТ-5 «Блиск». Потрібні аксесуари. Відбивачі. Вимоги до відбивачамВиди відбивачів. Тріпельпризма..

Правила вимірів довжин ліній з використанням світловіддалемиіра. 
Прилади для виміру метеопараметров атмосфери. Обробка результатів вимірювань. Циклічна похибка і її облікПостійна віддалеміра і її облікПохибка через атмосферних умов і її облік. Поправка за приведення до горизонтальної площини (обчислення горизонтального прокладання).Поправки за приведення до поверхні референц-еліпсоїду і площини проекції ГауссаКрюгеру.

Устройство светодальномера СТ5 «Блеск»

Светодальномер СТ5 «Блеск» является модернизированным светодальномером СМ5. Функциональные и оптические схема этих дальномеров являются одинаковыми. Функциональная схема светодальномера показана на рис. 4.17.

 

Рис. 4.17 – Упрощенная функциональная схема светодальномера СТ-5

В светодальномере использован импульсный метод измерения расстояний с преобразованием временного интервала. Измерение осуществляется с применением 2-х частот следования излучаемых импульсов: f1=14985.5 кГц и f2=149.855 кГц. Длительность импульсов 10 нс. Источником излучения является полупроводниковый лазерный диод с длиной волны излучения 860 нм, приемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Для исключения влияния временных задержек, обусловленных прохождением информационного и опорного сигналов по электрическим цепям прибора, в светодальномере СТ5 предусмотрена линия оптического короткого замыкания (ОКЗ), показанная на рис. 4.18.

а) б)

Рис. – Схема оптического кортокого замыкания (ОКЗ) светодальномера СТ-5

При работе в режиме ОКЗ переключаемая с помощью электромагнитного устройства диафрагма поворачивается на заданный угол, в результате чего световой поток от излучателя проходит через дополнительное отверстие в этой диафрагме непосредственно в приемное устройство дальномера, минуя разделительную призму. Поворот переключаемой диафрагмы осуществляется в дальномере автоматически по команде, поступающей из программного устройства счетного блока в те моменты времени, когда завершается счет при посылке световых сигналов на удаленный отражатель. При этом используемый в дальномере счетный узел позволяет непосредственно на световом табло получать разность отсчетов Dдист-Dокз.

4.6.4 Оптические системы светодальномеров

Светодальномеры имеют три основных оптических системы: передающую, отражательную и приемную. Кроме этого, в них может быть еще ряд вспомогательных оптических систем, таких как визирная система, короткое оптическое замыкание, оптическая линия задержки и др. Наличие тех или иных вспомогательных систем обусловлено принципом действия дальномера.

Основные оптические системы посылают модулированный световой поток вдоль измеряемой линии, отражают его и затем принимают. Все это должно производиться с минимальными потерями световой энергии и с минимальными искажениями закона модуляции. Каждая из этих систем должна обеспечивать высокую направленность излучения.

4.6.4.1 Передающая оптическая система

Передающая оптическая система включает в себя оптические элементы, которые находятся на пути излучения источника света в передатчике. Он должен сформировать из этого излучения узкий пучок, направленный вдоль направления на отражатель. Если поверхность источника света не является точкой, что практически всегда так и есть, то оптическая система формирует из этого излучения не параллельный, а расходящийся пучок лучей. Чем больший размер поверхности излучения, тем больше расхождение пучка.

Для уменьшения расхождения увеличивают фокусное расстояние передающей оптической системы, потому что размер сечения пучка в плоскости отражателя, который установлен ан расстоянии , имеет диаметр

(4.44)

где — диаметр сечения светового пучка в фокальной плоскости передающей оптической системы; — фокусное расстояние системы.

Если диаметр сечения светового пучка в фокальной плоскости передающей оптической системы равен 0.1 мм, а ее фокусное расстояние 600 мм, то оптическая система сформирует пучок, диаметр сечения которого на расстоянии 3 км будет равен 0.5 м, на расстоянии 15 км – 2.5 м. При меньшем фокусном расстоянии диаметр светового пучка будет еще больше.

В светодальномерах, предназначенных для измерения коротких расстояний, фокусное расстояние передающей оптической системы может быть меньше, чем в дальномерах, которые имеют больший радиус действия.

Передающие оптические системы дальномеров являются разнообразными. Их конструкция и параметры в значительной мере зависят от радиуса действия дальномера, типа источника света и способа модуляции.

Передающими оптическими система во многих светодальномерах являются обычные телескопические трубы, т.е линзовые системы. Они состоят из сложного объектива и фокусирующей линзы. Эти системы являются простыми, дешевыми и помехоустойчивыми. Единственным их недостатком является значительный продольный размер, который равен приблизительно фокусному расстоянию линзовой системы.

Для уменьшения массы и габаритов передающих оптических систем с большими фокусными расстояниями линзовые системы заменяют зеркально-линзовыми. Они состоят из объектива 1, большого сферического зеркала 2, зеркально-линзового компонента 3, который приклеивают к защитной стеклянной пластинке 4 (рис. 4.17).

Рис. 6.14 – Зеркально-линзовая передающая система.

В светодальномерах, которые выпускались в СССР, использовали лазеры с расхождением в несколько угловых минут. При расхождении 2’ на расстоянии в 10 км диаметр сечения пуска лучей при отсутствии оптической системы составляет 6 м. Линзовая телескопическая колимматорная оптическая система уменьшает его до 0.4-0.6 м, т.е. уменьшает расхождение светового пучка приблизительно в 10 раз.

В светодальномерах с малым радиусом действия источниками света служат светодиоды или полупроводниковые лазеры. В них используется внутренняя модуляция, т.е. модулятор отсутствует. Несмотря на то, что расхождение пучка, излучаемого этим источниками, является большим, больше, чем в газовых лазерах, здесь не возникает необходимости сужения его перед подачей в передающую систему.. Поэтому при таких источниках света, а также при модуляции света в ячейках Поккельса, которые модулируют параллельный световой пучок, используют афокальные телескопические линзовые системы с мнимым фокусом, т.е трубы Галилея (рис. 6.15). Такая система состоит из рассеивающей линзы 1 и собирающей линзы 2. Использование афокальных телескопических систем позволяет уменьшить продольные габариты приемопередатчика.

Рис. 4.18 – Передающая афокальная телескопическая линзовая система

Угол расхождения света передающей оптической системой в значительной мере зависит от вида источника света. В случае источников белого света он будет порядка 22’. При использовании газовых лазеров угол расхождения уменьшается до 20”. В случае, когда источником света является светодиод или полупроводниковый лазер, которые дают инфракрасное излучение, угол расхождения составляет от 4’ до 15’. Поэтому эти источники света используют в дальномерах с малым радиусом действия (порядка 5 км).

Газовые лазеры используют в дальномерах, радиус действия которых может достигать 40 и более километров. Когда источником света является лазер, то диаметр сечения излучаемого передатчиком светового пучка на расстоянии в 30 км составляет 3.0 м. Для сравнения в случае использования источника белого света диаметр составлял бы 198 м, т.е. в 66 раз был бы больше.

4.6.4.2 Отражательная оптическая система

Основным элементом отражателей светодальномеров является зеркальная поверхность. Установленный на расстоянии  от приемопередатчика отражатель должен отражать как можно большую часть световой энергии, направленной на него передатчиком (рис. 4.16).

Рис. 4.16 – Схема светового потока между передатчиком, отражателем и приемником

Отражатель может отразить весь световой поток только в том случае, когда его отражающая поверхность имеет площадь, равную площади сечения светового пучка вблизи отражателя, так как эта поверхность полностью совпадает с сечением пучка. На небольших расстояниях сечение светового пучка является небольшим и поэтому это условие может быть выполнено. А на протяженных линиях его выполнить трудно, потому что диаметр отражающей поверхности отражателя при измерениях длинных линий составляет всего 400-700 мм, т.е. меньше 1 метра. Поэтому отражатель отражает только небольшую часть светового потока. Количество отраженной энергии определяется отношением площади отражающей поверхности  к площади сечения светового пучка , или отношением квадратов диаметра пучка и отражающей поверхности:

(4.45)

       где — световой поток, который пришел на отражатель; — отраженный отражателем световой поток; — диаметр отражателя;  — диаметр сечения пучка света возле отражателя.

     Если , то от отражателя отразится только 1/16 части световой энергии, которая дошла до него.

       Вследствие неизбежных неточностей в изготовлении отражателей отраженный световой поток также является расходящимся, т.е. световая энергия распространяется в середине телесного угла . Поэтому возле приемника диаметр сечения отраженного сигнала будет равен

(4.46)

Например, если , то .

Простейшим отражателем является плоское зеркало. При качественном изготовлении его угол расхождения не превышает 10”-15”. Но само зеркало требуется ориентировать с очень высокой точностью, порядка 3”-4”, что создает трудности. Поэтому такие отражатели не используют.

Наибольшее распространение получили призменные отражатели. Реже встречаются зеркально-линзовые отражатели. Положительной особенностью и тех и других является то, что их можно ориентировать на приемопередатчик с относительно низкой точностью.

Призменные отражатели состоят из трипель-призм.

Трипель-призмы — это треугольные пирамиды, боковые грани которых являются равнобедренными прямоугольными треугольниками, причем их прямые углы сходятся в вершине пирамиды (рис. 4.17). Поверхность боковых граней трипель-призм зеркальная. Основанием призмы является равносторонний треугольник.

Рис. 4.20 – Ход лучей в призменном отражателе

Световой луч падает на основу пирамиды, входит в середину призмы, отражается от трех ее боковых граней и выходит из призмы через ее основу параллельно к падающему лучу.

Параллельность падающего и отраженного лучей сохраняется, если направление светового потока отклоняется от перпендикуляра к основанию пирамиды не более, чем на. При этом угол расхождения не превышает 20”. Угол расхождения зависит от того, насколько точно выдерживается взаимная перпендикулярность боковых граней и от того, насколько их поверхность является близкой к плоскости.

При больших отклонениях направления светового потока от перпендикуляра к основанию призмы возникают ошибки измерений из-за того, что лучи, которые попали в разные точки основания призмы, проходят внутри кристалла пути разной длины. Луч, который падает перпендикулярно в середину основания, проходит в призме путь, длина которого равна удвоенной высоте призмы. Лучи, которые падают ближе к краю основания призмы под некоторым углом к нему, проходят в призму более длинный путь. Это ведет к так называемому размазыванию разницы фаз. Поэтому считают, что призменный отражатель следует ориентировать с точностью до .

 

    Скачать с Depositfiles