ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 183
Скачиваний: 0
Лазеры в метрологии и геодезии |
159 |
быть измерены в дневное время только при использовании высокомощных лазеров, тогда как ночью возможно про ведение измерений на дистанциях в десятки километров.
4.5.8. Использование импульсных лазеров
По некоторым причинам иногда требуется модулятор, работающий в импульсном режиме. Если коэффициент заполнения в режиме работы модулятора равен D и СВЧмощность возрастает в 1/D раз относительно используемой
внепрерывном режиме, то требования к мощности лазера остаются неизменными. Однако характеристики импульс ного дальномера можно значительно улучшить при сохра нении средней мощности лазера, если лазер также работает
вимпульсном режиме. Так, например, если модулятор работает со скважностью 10%, то лазеры могут работать
со скважностью от 5 до 10% в зависимости от длины пути и длительности импульса (модулятор должен быть открыт как для излучаемого, так и принимаемого оптического им пульса). При той же средней мощности лазера это дает десятикратное увеличение эффективности использования оптической мощности, поскольку в этом случае исполь зуется весь свет (а не его 10%). Более того, если оптичес кий импульс достаточно короток, так что излучаемый и при нимаемый импульсы не перекрываются, то проблема устранения рассеянного света от оптических элементов при бора значительно упрощается.
4.5.9. Системы с использованием ретрансляторов
Диапазон измеряемых расстояний может быть увели чен в несколько раз при сохранении данного уровня мощ ности лазера, если отражатель заменить ретранслятором, хотя это и связано с некоторым усложнением устройства [651. В этом случае свет излучается только в одном направлении трассы, модулированный свет детектируется на дальнем конце трассы и этот сигнал используется для модуляции света другого лазера на дальнем конце трассы. Излучение этого лазера посылается назад к исходной точке трассы. Реализуемый диапазон измерений зависит, конечно, от метода детектирования сигнала, но если используемые моду-
160 |
Джеймс Оуэнс |
лятор света и фотоумножитель идентичны в обоих случаях, то нетрудно убедиться, что геометрическое ослабление бу дет пропорционально L2 (а не L4), и в экспоненте показа тель затухания за счет рассеяния будет L (а не 2L). По этому необходимая мощность лазера будет существенно меньшей и, что более важно, будет значительно слабее возрастать с расстоянием.
4. 6. Трехчастотный дальномер
Измерения с очень высокой точностью на больших трас сах, необходимые при изучении картины накопления и ре лаксации крупномасштабных напряжений земной коры, требуют применения трехчастотных дальномеров с актив ными элементами на обоих концах трассы. В качестве трех сигналов могут быть использованы красный и синий свет, модулированные на частоте 3 ГГц, и немодулированное излучение с частотой 3 Ггц. Для определения расстояния необходимо измерить время двойного прохода для одного сигнала, разность времен прохождения в одном направле нии двух оптических сигналов и разность времен прохож дения в одном направлении одного из оптических сигналов и СВЧ-сигнала.
Для пути длиной 50 км в сухом воздухе при давлении 1013,25 мбар и температуре 15° С сдвиг фазы для одного прохода несущей волны 633 нм, промодулированной час тотой 3 ГГц, составляет (5,1-104)° по отношению к волне, распространяющейся в вакууме. Если парциальное дав ление водяного пара 10 мбар, а полное давление прежнее, то атмосферный фазовый сдвиг уменьшается на 77°. Изме нение фазового сдвига, вызванного таким же содержанием водяного пара, для СВЧ-сигнала с частотой 3 ГГц со ставляет (8,1- ІО3)0. В разд. 4.3 было отмечено, что ошибка в определении давления водяного пара в 9 мбар вызывает погрешность ІО“6 в откорректированном значении рас стояния.
Следовательно, если мы хотим измерить, например, дистанцию длиной 50 км с точностью 5- ІО"8, то должны определить среднее давление водяного пара с точностью 0,45 мбар, которая требует измерения разности фаз между СВЧ- и оптическим сигналом с точностью
Лазеры, в метрологии и геодезии |
161 |
(0,45) (8,2 • ІО3)/10 = 370°.
Поэтому комбинированные измерения с использованием СВЧ-и оптических сигналов не требуют высокой точности: для рассматриваемого случая необходимо устранить неоп ределенность в целом числе длин волн для двух сигналов.
Для измерения времени двойного прохода можно ис пользовать только СВЧ-сигнал и стандартную аппаратуру [26, 59]. В работе [66] описаны измерения по методу диспер-
“ з
Ф и г . |
33. |
Блок-схема |
трехчастотного дальномера. |
|||||
/ — фазометр 1; 2 — фазометр 2; 3 — фазометр 3; |
4 — лазер 1, |
излучающий красный |
||||||
свет; 5 — фотодетектор 2; 6 |
— фотодетектор 3; 7 |
— модулятор |
1; 8 — модулятор 2; |
|||||
9 — лазер 2, излучающий |
красный |
свет; |
1 0 — лазер, |
излучающий синий свет; |
||||
1 1 — фотодетектор |
1; |
12 — основной |
генератор; |
13 — фазовосвязан іый генератор; |
||||
1 4 — фазовый детектор; 1 5 — узкополосный |
усилитель; |
1 6 ,1 9 |
— смеситель; 1 7, 2 0 — |
|||||
опорный генератор; 18 — дискриминатор; 2 1 |
— частотно-модулированный генератор. |
|||||||
сии с использованием СВЧ-сигнала и только одной опти ческой длины волны. Можно предположить, что наименее подверженной влиянию изменения атмосферной плотности будет фаза отраженного сигнала, несущей волной которого является красный свет. Блок-схема такого устройства показана на фиг. 33. Принцип работы его достаточно прост; напомним, что когда два синусоидальных сигнала скла-
6—901
162 Джеймс Оуэнс
дываются и детектируются квадратичным детектором с уз кополосным фильтром, то на выходе получается сигнал разностной частоты с фазой, равной разности фаз исходных сигналов. Обозначим сигнал с частотой <в и фазой <р сим волом (со, ср); в этом случае в процессе детектирования суммы сигналов (со0, ф0) и (сщ, ф^ на выходе получаем сиг нал (со0— cöj, фо— фі), если со0> ю1( и (coj— со0, фі— ф„),
если coj> со0. Знак разности фаз определяется тем, что всегда используется положительная разность частот. Из анализа материала, приведенного в разд. 4.2, легко пока зать, что детектирование модулированного сигнала с оп тической несущей при использовании модулятора и фото умножителя аналогично обычному детектированию двух СВЧ-сигналов с помощью диода.
Работа систем с фазовой автоподстройкой подробно из ложена в монографии [25].
Выходной сигнал задающего генератора обозначим (о)0, 0). Предположим далее, что в модуляторе 1 свет моду лируется этим сигналом без фазового сдвига. Красный свет от лазера 1 модулируется и пропускается слева напра во. При входе в модулятор 2 сигнал можно записать в виде
(ш0— Фл«)> где |
фл« означает фазовый сдвиг, |
возникший |
|
в |
результате прохождения красного света через |
атмосферу. |
|
В |
модуляторе |
2 свет модулируется сигналом |
(©lt фі) и |
приобретает вид (бш, — Фл« — фі). Разностная частота б©= ©о— ©1 обычно выбирается вблизи 100 кГц (при этом предполагается, что сщ < со0). Система автоподстройки син
хронизирует фазу сигнала с фазой опорного |
генератора |
Фг с некоторой погрешностью А, т. е. |
|
— <Р л * - <Рі = 'Рг + Д- |
(74) |
Отметим, что выходной сигнал детектора не несет никакой фазовой информации о пути. Сигнал синхронизированного генератора несет эту информацию; его фаза
<Рі = — - ?/■ — А- |
(75) |
Свет от лазера 2 модулируется в модуляторе 2 сигналом (©!, фі) и посылается к главному блоку на начальном пунк те трассы. Перед поступлением в модулятор 1 этот сигнал
имеет вид (%, ф4— флд), где фазовый сдвиг после прохож
Лазеры в метрологии и геодезии |
163 |
дения трассы фл« отличен от срл«, поскольку в этом случае частота модуляции равна оц, а не со0. Затем свет проходит через модулятор 1, где он повторно модулируется, и попа дает на детектор 2, выходной сигнал которого есть (б со, Ф2). Фаза ф2 задается выражением
Ъ = <Рлд + Тля + <Рг + А - |
(76) |
Луч от лазера, излучающего синий свет, также посылает ся от удаленного блока к главному. После прохождения модулятора 2 сигнал также записывается в виде («ц, фі),
но после прохождения трассы фазовый сдвиг будет флв. Выходной сигнал детектора 3 имеет вид (б со, ф3), где фаза равна
9з = <Рлд + ѵ 'ав + <Рг + А - |
(77) |
Выходные сигналы детекторов 2 и 3 имеют одну и ту же час тоту, а выходной сигнал фазометра 1 ф«в= ф2 — ф3 дает требуемое значение оптической дисперсии
®дв= 'Рлд ?лв. |
(78) |
Часть СВЧ-сигнала (wj, ф4) непосредственно посылается от удаленного участка к главному блоку. Сдвиг фазы после прохождения трассы для этого сигнала обозначим
через флль Этот сигнал смешивается с опорным сигналом (о)0, 0) и детектируется. Выходной сигнал проходит через узкополосный усилитель для исключения второго сигнала, имеющего другую частоту, но получаемого и принимаемого одной и той же парой антенн, что и для первого сигнала. Выходной сигнал усилителя имеет вид (б®, Ф4), где
?4 = |
+ А- |
(79) |
Фазометр 2 дает значение |
СВЧ-оптической |
дисперсии |
Ф2— ф4: |
|
|
VrM — ®AR ~ ? AM ■ |
(80) |
|
Поскольку контур системы синхронизации фазы уда ленного блока может создавать некоторую ошибку в фазе А, то необходимо часть сигнала (б®, фг + А) возвратить
6*
164 |
Джеймс Оуэнс |
к главному блоку с тем, чтобы точно измерить фазовый сдвиг за два прохода для красного света. Этот сигнал моду лируется по частоте и подается на выход отдельного гене ратора, работающего на центральной частоте со3, отли чающейся по меньшей мере на 30 МГц от со0, но отличающейся не настолько сильно, чтобы нельзя было использовать те же самые антенны. Принимаемый сигнал имеет фазовый сдвиг фуцг, который мало отличается от других атмосфер ных фазовых сдвигов, поскольку б со невелико. Сигнал смешивается с выходным сигналом от опорного генера тора, работающего на частоте со3, детектируется, а затем демодулируется дискриминатором, имеющим центральную частоту Асо= со3— со2. Выходной сигнал дискриминатора имеет вид (б со, ср3), где
<Рз = f r + А - yAF . |
(81) |
В этом случае фазометр 3 дает величину фазового сдви га для красного света после двойного прохождения. Его выходной сигнал срад= сра— ср3 дается выражением
'P r R ~ ^ A R "Ь ® A R |
'РA F ' |
Учет флр не вызывает трудностей. Для пути длиной 50 км и частоты б со = 100 кГц полный сдвиг составляет (6-103)°, однако изменения сдвига, связанные с изменением атмос ферных условий, малы. Изменение давления водяного пара в 10 мбар, вызывая изменение показателя преломле ния в радиодиапазоне на величину 45- ІО-6, изменяет флк только на 0,27°. То, что ср/у? содержит ц > л я + <p ' a r , а не 2ф'л«, легко учитывается при расчете. В результате выходные сигналы трех фазометров дают непосредственные сведения о фазовом сдвиге для красного света после двойного прохож дения, оптической дисперсии и СВЧ-оптической дисперсии.
5.ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ
5.1. Основы оптических допплеровских методов
Если одно из зеркал интерферометра Майкельсона движется вдоль оптической оси со скоростью V, то частота света в какой-либо точке выходной плоскости изменяется на V= 2ЕЛ. Для длины волны 633 нм частота 1000 по лос в секунду равна скорости зеркала 0,3 мм/с. Это равно