Файл: Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие.pdf

спектра, часто применяют сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Спект­ ральная характеристика ФЭУ-38 с сурьмяно-цериевым катодом показана на рис. 125, в пунктирной линией. В фотоумножителях, предназначенных для приема световой энергии инфракрасного диа­ пазона, применяют серебряно-кислородно-пезиевые фотокатоды. Спектральная характеристика ФЭУ-28, относящегося к приборам второго типа, показана на рис. 125, в сплошной линией.

Важнейшими параметрами ФЭУ являются коэффициент усиления

ичувствительность, а также уровень собственных шумов. Коэффициент усиления к фотоумножителя характеризует от­

ношение анодного тока к току фотокатода и связан с коэффициентом вторичной эмиссии о формулой

к = оп,

где п — число эмиттеров ФЭУ.

Под чувствительностью ФЭУ понимают отношение приращения

ная чувствительность) и немонохроматическому (интегральная чув­ ствительность) излучениям.

Собственные шумы ФЭУ обусловлены протекающими в нем стохастическими процессами. Их уровень можно полагать пропор­ циональным анодному току фотоумножителя. В анодной цепи фото­ умножителя протекает ток и без освещения фотокатода. Этот ток называют темновым током.

§ 34. М О Д У Л Я Т О Р Ы СВЕТА

Как указывалось ранее, источником информации о пройденном световыми колебаниями расстоянии служит параметр световых волн, периодически изменяющийся во времени. В связи с этим воз­ никает необходимость модуляции светового потока. В светодально­ мерах модуляция света осуществляется путем воздействия управля­ ющего (модулирующего) электрического напряжения или непосред­ ственно на источник света, вследствие чего периодически изменяется мощность излучения, ( или на специальное устройство (модулятор),

о внешней. В современных светодальномерах и при внутренней, и при внешней модуляции чаще всего осуществляется управление интен­ сивностью света, т. е. происходит амплитудная модуляция.

Для обеспечения необходимой точности измерения расстояний модуляции света в дальномерах должна быть малоинерционной, вы­ сокостабильной и обеспечивать плавное или дискретное изменение

235

частоты в заданном диапазоне при максимальной глубине модуля­ ции светового потока. Модулирующее устройство должно быть эко­ номичным, простым в регулировке и эксплуатации, а потери света в нем должны быть минимальными.

Внутренняя модуляция возможна в газоразрядных источниках света, оптических квантовых генераторах и электролюминесцент­ ных диодах. В первом случае модуляция, осуществляемая за счет

Внутреннюю модуляцию ОКГ можно осуществлять за счет из­ менения геометрической или оптической длины резонатора. Перио­ дическое изменение геометрической длины достигается колебаниями пьезоэлектрической пластинки, из которой изготовлено одно из зеркал под воздействием приложенного к ней электрического напряжения. Оптическую длину резонатора можно изменять периодическим из­ менением показателя преломления рабочего тела, если оно изгото­ влено из вещества, обладающего искусственной анизотропией. Эти и другие способы модуляции находятся в стадии разработок и в се­ рийных светодальномерах пока не используются.

Всуществующих светодальномерах внутренняя модуляция осу­ ществляется только в светодиодах. В последних, как это говорилось

впредыдущем параграфе, амплитудная модуляция происходит за счет изменения тока, управляющего интенсивностью процесса ре­ комбинации электронов и дырок в р — п-переходе.

Вбольшинстве светодальномеров осуществляется внешняя моду­ ляция светового потока при помощи специальных модуляторов, которые по принципу действия подразделяются на механические, интерференционные, дифракционные, электрооптические и др.

Наиболее проста по идее механическая модуляция, осуще­ ствленная впервые Физо для определения скорости света (см. § 4). Позднее, в светодальномере Элленбергера, механическая модуляция осуществлялась при помощи прозрачного диска с нанесенными не­ прозрачными штрихами прямоугольной формы, в промежутках ме­ жду которыми проходил свет. Диск вращался мотором, число обо­ ротов которого можно было плавно изменять в заданном диапазоне.

Очевидно, частота модуляции светового потока в этом случае будет

F = nf,

где п — число делений на диске, а / — число оборотов диска. Для получения частоты модуляции F = 107 Гц при / = 250 об/с (15 ООО

оборотов в мин) необходимо нанести на диск 107 : 250 = 40 000 штри­ хов. При диаметре диска 150 мм расстояние между штрихами должно быть 150-10 3 jt : 40 000 = 12 мкм. Если потребовать, чтобы ста­ бильность частоты была в пределах 10"3 , то необходимо штрихи наносить с ошибкой не грубее 0,01 мкм. Приведенные расчеты пока­ зывают исключительную трудность изготовления такого модулятора. Механические модуляторы применения в светодальномерах не нашли.

236

Интерференционный модулятор, основанный на принципе интер­ ферометра Майкельсона, был предложен академиком А. А. Лебеде­ вым для первого в мире светодальномера, созданного в Государ­ ственном оптическом институте в 1936 г. Модулятор состоит из двух стеклянных трехгранных призм (рис. 126), двух зеркал и фокуси­ рующей системы. Общая грань призм ПП, ориентированная под углом 45° к направлению лучей, является полупрозрачным зеркалом. Одно из зеркал наносится на пластину, вырезанную из кристалла кварца или другого материала с заметным обратным пьезоэлектриче­ ским эффектом * в направлении ее толщины. К пластине подводится переменное напряжение, близ­ кое к ее резонансной частоте, вследствие чего она возбужда­ ется и испытывает механиче­ ские колебания по толщине.

влению к неподвижному зеркалу, возвратившись от которого, прой­ дет поверхность ПП и также направится в передающий объектив. Таким образом, по одному направлению через объектив будут про­ ходить два когерентных пучка, один из которых отразился от зер­ кальной поверхности колеблющейся пластины, а другой — от не­ подвижного зеркала. Оба пучка будут интерферировать между собой. А так как разность хода вследствие изменения длины пути одного пучка периодически меняется, то возникнет амплитудная модуляция светового потока.

Частота модуляции светового потока в интерференционном мо­ дуляторе равна собственной частоте пьезоэлектрической пластины. Поэтому для разрешения неоднозначности необходимо иметь не­ сколько пластин с разными частотами. Потери света в модуляторе составляют около 45%, а потребляемая мощность — 1—2 Вт. В этом отношении интерференционный модулятор является наибо­ лее выгодным. Однако трудность юстировки, а также неоднородность

* Обратный пьезоэффект — изменение размеров тела под воздействием электрического поля.

237

колебаний пластины по толщине в разных ее участках заставили от­ казаться от его применения в серийных приборах.

В дифракционном модуляторе используется явление дифракции света на ультразвуковых волнах в жидкости или твердом теле. В пер­ вом случае модулятор (рис. 127) представляет собой стеклянный сосуд, заполненный жидкостью с высокой прозрачностью и малой вязкостью. -На дне сосуда помещается пластина из пьезоэлектриче­ ского материала, на которую подается электрическое напряжение высокой частоты, равной собственной частоте пластинки или одной из ее гармоник. Возбуждаемые механические колебания пластинки порождают в жидкости-наполнителе волны ультразвуковой частоты.

ных стенок сосуда. Модуляция на стоячих ультразвуковых волнах возможна до частот в несколько десятков мегагерц. Впервые дифрак­ ционный модулятор был применен в светодальномере ГД-300, раз­ работанном в ГОИ. В качестве излучателей в нем применялись пла­

При синусоидальном напряжении, подаваемом на пластинку, смещение частиц жидкости в стоячей ультразвуковой волне, согласно (20), можно выразить уравнением

S = 2 A cos ~ X sin Щ-1,

где X — расстояние от источника ультразвука; Л —длина звуковой волны и Г — период ее колебания. Из этой формулы следует, что при

cos -^- X = cos (2т - f 1) -— = 0

образуются узлы стоячей волны, а при

возникают максимальные, смещения частиц жидкости (пучности). Периодические колебания жидкости вызовут изменение плотности

238

в ней. Так как плотность р пропорциональна производной от смеще­ ния S по направлению распространения звука

то распределение плотности в жидкости также будет иметь характер стоячих волн. Однако узлы и пучности плотностей, как это видно из сравнения выражений (20) и (267), будут сдвинуты относительно

где no — показатель преломления жидкости при отсутствии ультразву­ ковой волны, a Are—амплитуда из­ менения показателя преломления. Следовательно, показатель прелом­ ления будет постоянным и равным

и о в узлах, на расстояниях х = Im —.

величины Ara для тех же моментов времени. При отсутствии напряжения световой поток проходит через модулятор параллельным пучком и направляется через отверстие в диафрагме к передающему объективу (см. рис. 127). При возбуждении в среде стоячей ультра­ звуковой волны в ней создается регулярная дифракционная решетка с переменными оптическими свойствами, приводящая к периодиче­ скому возникновению и исчезновению дифракционной картины за модулятором. Для получения модулированного светового потока при помощи диафрагмы выделяют только свет нулевого дифракци­ онного максимума. Как видно из рис. 128, частота модуляции будет в два раза выше частоты приложенного напряжения.