Файл: Применения лазеров..pdf

ведены в работе [46]. Этот метод заключается в следую­ щем: показатель преломления воздуха зависит от длины волны (фиг. 28), и, следовательно, свет с двумя различ­ ными длинами волн, распространяющихся по одному и тому же пути, будет проходить этот путь с несколько от­ личающимися скоростями. Поскольку рефракция для дан­ ной длины волны пропорциональна плотности воздуха, то разность значений рефракции и, следовательно, разность времен прохождения для двух длин волн пропорциональны средней плотности воздуха на трассе. Измерение времени прохождения для каждой длины волны и их разности мо­ жет быть использовано для*нахождения средней плотности воздуха на трассе и, следовательно, среднего показателя преломления для каждой длины волны.

Для пояснения рассмотрим геометрический путь дли­ ной L между источником света и отражателем. Оптическая длина пути за один проход может быть записана в виде (n ° )L — L + S, где дополнительный вклад, обуслов­ ленный наличием воздуха, обозначен через 5. Эта вели­

~300 см. Если используются линии Не—Ne-лазера с длиной волны в вакууме 632,99 нм и ртутной дуговой лам­ пы с длиной волны 368,36 нм, то приращения оптических путей SB для синего и Sr для красного света будут отли­ чаться примерно на 10%, а их разность AS = S B—S R примерно равна 30 см. Эту разность путей можно записать в виде

Поскольку параметр Ав не зависит от плотности атмос­ феры, как это видно из уравнения (59), и очень слабо за­

висит от состава атмосферы, мы можем заменить А п его средним значением и вынести из-под знака интеграла. В этом случае

Если разность длин оптического пути измерена с точнос­ тью 1/300 (1 мм для данного примера), то с такой же точ­ ностью будет найден путь SR, что соответствует точности измерения истинного расстояния порядка 10"6.

Наиболее важным источником ошибок, не связанных с недостатками приборов, является неточность опреде­ ления средней влажности, которая влияет на величину дисперсионного параметра Лн. Из уравнения (59) видно, что ошибка, примерно равная 9 мбар, в оценке среднего давления водяного пара приводит к ошибке измерения расстояния, равной 10"6, практически не зависящей от температуры. Поэтому в большинстве случаев будет дос­ таточна грубая оценка средней влажности. Полный ана­ лиз ошибок, связанных с оценкой влажности и рефракции, показал [57], что для приземных трасс ни одна из геометри­ ческих ошибок так не существенна, как 5%-ная погреш­ ность при определении относительной влажности; эта ошибка снижается при проведении измерений на обоих концах трассы. В этой работе также показано, что двух­ частотный метод может обеспечить точность ~ ІО"7 на трассах длиной не более 25 км или же не пролегающих в местности с тропическим климатом при повышенной влажности и температуре более 25° С.

Показатель преломления в радиодиапазоне примерно в 100 раз более чувствителен к влиянию водяных паров, чем в оптическом диапазоне [5]; парциальное давление водяного пара 10 мбар при 15° С вызывает увеличение показателя преломления для радиоволн на 45-ІО"6 отно­ сительно величины, характерной для сухого воздуха при том же полном давлении, тогда как оптический групповой показатель преломления для красного света уменьшается при этом на 0,4-10"6. Если дополнить две оптические волны третьей, лежащей в СВЧ-диапазоне, можно будет опреде­ лять среднее содержание водяного пара вдоль трассы. Анализ этого метода [57] позволил сделать вывод о возмож­ ности обеспечения точности измерений не хуже 3- ІО"8

для трасс длиной до 50 км при температуре 30° С и обычных условиях рефракции.

Погрешность в значении скорости света в вакууме не является источником ошибки с точки зрения проведенного выше анализа. Никакие геометрические несовместимости, подобные искажению треугольников, не могут возникать в результате этой погрешности; ее единственное влияние заключается в некоторой погрешности в масштабном фак­ торе геодезической сети.

4. 4. Прототип геодезического дальномера

Двухчастотный прибор, в котором использован метод Физо, был создан в исследовательских лабораториях Управ­ ления по изучению окружающей среды [Environmental Science Services Agency (ESSA)] для проведения измерений

сточностью по меньшей мере ІО-6 на расстояниях не менее 10 км. Блок-схема прибора приведена на фиг.29. Принцип работы этого прибора для одной длины волны уже был рассмотрен в разд. 4.2. В приборе одновременно исполь­ зуются два различных источника света: Не — Ne-лазер и ртутная дуговая лампа высокого давления с отфильтро­ ванной узкой спектральной полосой вблизи 368 нм. Пучки света от двух источников совмещаются, линейно поляри­ зуются в вертикальной плоскости, проходят через моду­ лятор с кристаллом KDP, который меняет их поляризацию

счастотой 3 ГГц от правонаправленной эллиптической до левонаправленной, и излучаются через 20-сантиметровый телескоп Кассегрена. Свет проходит измеряемую дистан­ цию и возвращается отражателем типа «кошачий глаз», изготовленным в виде 20-сантиметрового телескопа с плоским зеркалом в фокальной плоскости. Свет снова про­ ходит через модулятор, который либо удваивает сигнал модуляции, либо компенсирует его в зависимости от фазы отраженного света. Затем свет проходит через горизонталь­ ный поляризатор и разделяется на два пучка, попадающие на различные фотоумножители.

Поскольку модулируется поляризация, а не амплитуда света, призма Волластона выполняет функции как поляри­ затора и анализатора света, так и пространственного рас­ щепителя двух частот. Благодаря дисперсии призмы пуч­

ки можно совмещать без применения дихроичного зеркала, корректируя только углы падения для лучей каждого цве­ та. Кварцевая линза, используемая в качестве окуляра телескопа, обладает продольной хроматической аберра­ цией, которую можно скомпенсировать незначительной ре­ гулировкой расходимости синего пучка парой линз вблизи дуговой лампы так, чтобы и красный и синий пучки света от телескопа были хорошо сколлимированы.

Ф и г . 29. Блок-схема двухчастотного дальномера.

В устройстве для измерения разности оптических путей синий свет посылается от модулятора прямо на телескоп, а красный свет отклоняется дихроичным зеркалом и двумя призменными отражателями на регулируемый допол­ нительный контур. Поляризационный компенсатор устра­ няет влияние призм на поляризацию луча. При частоте

для синего света, одна из призм линии задержки переме­ щается до тех пор, пока не будет достигнут одновременно и максимум интенсивности для красного света. В этом случае оптические пути для лучей обоих цветов становят­ ся равными (с точностью до целого числа длин волн моду­ ляции), и разность длин оптического пути можно просто отсчитать по величине смещения призмы из исходного положения.

СВЧ-устройство должно обеспечивать достаточную мощ­ ность для получения разумной глубины модуляции на

зовый сдвиг, который можно получить, не превышает 0,1 рад. Поэтому предпочтительнее работать с высокомощ­ ными импульсами при высокой скважности. Длительность импульсов модуляции должна быть больше времени про­ хождения измеряемого пути светом, а частота повторения импульсов должна быть выше частоты флуктуации плот­ ности атмосферы. Устройство рассчитано на мощность 10 Вт при 10%-ной скважности, при частоте повторения импульсов 1 кГц (для расстояний до 8 км) или 500 Гц (для расстояний до 16 км).

Для обеспечения необходимой стабильности частоты СВЧ-генератор синхронизован по фазе с кварцевым гене­ ратором, а импульсы формируются СВЧ-диодом. По­ скольку добротность резонатора модулятора составляет несколько сотен, то системой автоподстройки он непрерыв­ но настраивается на резонанс с рабочей частотой. Сигнал ошибки в системе вырабатывается балансным смесителем, который сравнивает фазу СВЧ-волны, падающей на резона­ тор, с фазой отраженной от него волны. Второй контур системы автоподстройки подстраивает частоту модуляции к длине оптического пути так, чтобы при изменении атмос­ ферных условий путь для луча одной частоты оставался кратным целому числу длин волн модуляции. Третий кон­ тур системы можно использовать для управления линией задержки, поддерживая ее кратной целому числу длин волн, и для луча другой частоты. Эффекты мерцания в зна-