СВЕТОДАЛЬНОМЕТРИЯ

СВЕТОДАЛЬНОМЕТРИЯ

       

измерение расстояний по времени распространения оптического излучения (света) от точки, в к-рой расположен источник излучения, до объекта, отражающего или рассеивающего это излучение. При этом измеряемое расстояние

D =(v/2)t,

где v — скорость распространения света в среде, а t — время прохождения им двойного измеряемого расстояния.

Величина t может измеряться и м п у л ь с н ы м или ф а з о в ы м методом. В первом случае излучение посылается короткими импульсами и измеряется интервал между фронтами или энергетич. максимумами излучённого и отражённого импульсов. Во втором случае непрерывное излучение модулируется с высокой частотой f и значение t определяется по запаздыванию фазы принимаемого отражённого излучения Dj по отношению к фазе испускаемого: D=(v/4pf)Dj. При этом однозначный результат получается лишь при измерении расстояний, дающих сдвиг фазы Dj<2p. Для однозначного определения больших расстояний измерения производятся последовательно на неск. разл. частотах модуляции.

Существенным для С. явл. значение скорости распространения оптич. излучения вдоль измеряемого расстояния, определяемой показателем преломления. Последний изменяется с темп-рой (ок. 10-6 на 1 К), давлением и влажностью и зависит от длины волны излучения. Определить его ср. значение в момент измерения позволяет последоват. измерение расстояния на неск. длинах волн излучения (т. н. р е ф р а к т о м е т р и ч е с к а я С.).

Идея С. была высказана А. Майкельсоном (США), первый светодальномер был реализован А. А. Лебедевым в 1936, большое развитие С. получила после разработки лазеров. Импульсная лазерная С. обеспечивает при длительности импульсов излучения 20—100 нс ошибку измерения 5—10 м. Применение систем с накоплением сигнала даёт ошибку менее 1 м. При энергии излучения в импульсе ок. 0,3 Дж достигается дальность действия по протяжённым объектам до 20 км.

Лазерная импульсная С. применяется для измерения высоты облаков, для измерения высот полёта летательных аппаратов при аэрофотосъёмке, для точного определения орбиты ИСЗ, снабжённого уголковым отражателем, что важно для геодезич. целей, и т. д.

Фазовая С. находит применение в основном в топографо-геодезич. работах, инженерных изысканиях, машиностроении, гляциологии, гидротехнике (СВЧ светодальномеры, позволяющие при частоте модуляции выше 108 Гц снизить инструментальную ошибку до 0,2—0,5 мм).

Дифференцирование данных о расстоянии до объекта как в фазовой, так и в импульсной С. позволяет получить значение радиальной скорости его перемещения (светодальномерные системы стыковки в космосе). Определяя пространств. распределение расстояний до отражающих поверхностей, получают данные о профиле этих поверхностей (светодальномерная профилометрия). Последняя используется для определения профиля антенн радиотелескопов, корпусов судов, при изучении подвижек льда и т. д. Светодальномерный профилометр применим для автономного ориентирования планетоходов.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

СВЕТОДАЛЬНОМЕТРИЯ

- измерение расстояний повремени распространенияоптич. излучения (света) от источника излучения до объекта, отражающегоили рассеивающего это излучение, и обратно. При этом измеряемое расстояние , где - время прохождения сигналом двойного измеряемого расстояния, п - ср. <значение показателя преломления среды (обычно воздуха), в к-рой распространяетсясигнал.

Идея С. была высказана А. А. Майкельсоном (A. A. Michelson), первыйсветодальномер был реализован А. А. Лебедевым в 1936. Большое развитиеС. получила после разработки лазеров.

Величина может измеряться импульсным или фазовым методом. В первом случае излучениепосылается короткими импульсами и измеряется непосредственно временнойинтервал между излучённым сигналом S(t )и принятым сигналом Устанавливается критерий отсчёта начала и конца временного интервала поопределённым (пороговым) параметрам импульсов, напр. по фронту импульсаили энергетич. максимуму. Этот порог должен быть достаточно высоким, чтобыпревышать шумы. Собственно измерение интервала времени между посылаемыми отражённым импульсами осуществляется аналоговыми или цифровыми методами. <В аналоговом измерителе временной интервал преобразуется в амплитуду напряжения. <В цифровом методе интервал времени определяется по числу импульсов тактовогогенератора, прошедших на счётчик за этот интервал времени.

Импульсная лазерная С. при длительности импульсов излучения 20-40 нсимеет ошибку измерения неск. м. Применение систем с накоплением сигналадаёт ошибку менее 1 м. При энергии излучения в импульсе ок. 0,3 Дж достигаетсядальность действия по протяжённым объектам до 20 км.

Лазерная импульсная С. применяется для измерения высоты облаков, высотполёта летательных аппаратов при аэрофотосъёмке, для точного определенияорбиты ИСЗ, снабжённого уголковым отражателем, и т. д.

В фазовом методе непрерывное излучение модулируется (напр., по синусоидальномузакону) с высокой частотой w и значение т определяется по запаздываниюфазы принимаемого отражённого излучения по отношению к фазе испускаемого(опорного). Измерения проводят след. образом. На входы фазометра поступаютопорный сигнал с выхода генератора синусоидальных колебаний и сигнал с выхода фотоприёмника (прошедший измеряемое расстояние)=, где ( - фазовыйсдвиг, вносимый измерит. установкой). Для частот модуляции w, соответствующаядлина волны к-рых , измеренное значение (за вычетом фазового сдвига )однозначно определяет расстояние d. Выполнение условия противоречитполучению высокой точности на больших расстояниях, т. к. для этой целинеобходимо повышать частоту модуляции. Для следует учитывать целое число N волн модуляции, укладывающихся наинтервале 2d. При этом

где - разность фаз, измеряемая фазометром. Устранить неоднозначность в (*)можно использованием неск. частот модуляции - т. н. фиксированных частот. <При плавном изменении частоты, напр. по линейному закону, учитывается числонулевых значений фазового сдвига на выходе фазометра при изменении частотымодуляции в заданном интервале частот от w_m1 до w_m2.

Реальное макс. расстояние, к-рое можно измерить светодальномером, зависитот дальности действия прибора, определяемой как расстояние, на к-ром мощностьпринимаемого сигнала равна пороговому значению. Пороговая чувствительностьопределяется заданной ошибкой (или точностью) измерения временного интервалаили разности фаз и способом регистрации сигнала и может быть рассчитанадля каждой конкретной дальномерной системы.

Наличие атмосферы приводит к ослаблению и рассеянию оптич. излучения, <что уменьшает дальность действия и понижает точность измерений. Кроме того, <атмосфера уменьшает скорость распространения эл.-магн. волн по сравнениюс вакуумом, поскольку для оптич. диапазона показатель преломления воздухав каждой точке является ф-цией длины волны излучения, темп-ры среды, давленияи влажности. Это существенно ограничивает точность светодальномерных измерений. <Скорость распространения оптич. излучения в атмосфере , где - среднеинтегральный показатель преломления:

Для определения необходимо измерить метеопараметры в достаточно большом кол-ве отд. точек. <Точность измерения можно повысить с помощью дисперсионного метода, в к-ромизмеряются не метеопараметры, а разность оптич. путей для двух разл. длинволн света, зависящая от .Двухволновый дисперсионный метод по измерениям в конечных точках можетобеспечить точность до 10^-7.

Учитывая все источники ошибок и принимая во внимание повышение инструментальнойточности за счёт многократных измерений, результирующую ошибку измеренийрасстояний совр. светодальноме-рами с частотами модуляции до неск. десятковМГц можно довести до величины ] мм. В прецизионных светодальномерах, где применяются частоты модуляциив сотни МГц, инструментальная ошибка составляет доли мм.

Фазовая С. применяется для бесконтактного измерения расстояний, в основномв топографо-геодезич. работах, в гляциологии, при измерении крупногабаритныхдеталей в машиностроении, при измерении и юстировке профиля радиотелескопови др. Дифференцирование данных о расстоянии до объекта как в фазовой, таки в импульсной С. позволяет получить значение радиальной скорости его перемещений(светодальномерные системы стыковки в космосе).

Развивается новое направление С.- лазерная профилометрия, к-рая на основенепрерывного измерения расстояния позволяет осуществлять автоматич. детальнуюрегистрацию профиля разл. объектов, в т. ч. профиля земной поверхности. <Светодальномерный про-филометр применим для автономного ориентированияпланетоходов.

Лит.: Вафиади В. Г., Попов Ю. В., Скорость света и ее значениев науке и технике, Минск, 1970; Волконский В. В., Яковлев В. В., Высокоточныелазерные светодальномеры для геофизики, гидротехники и машиностроения,«Труды ГОИ», 1985, т. 58, в. 192, с. 217; Радиогеодезические и электрооптическиеизмерения, М., 1985; Мусьяков М. П., Миценко Н. Д., Оптико-электронныесистемы ближней дальнометрии, М., 1991. Ю. В. Попов, В. Б. Волконский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.