Фазовый метод измерения расстояний. Светодальномеры и радиодальномеры

Наиболее распространенным методом измерения расстояния в геодезии является фазовый, позволяющий измерять расстояния от десятков метров до десятков (в радиодиапазоне — до сотен) километров. Практически во всех свето- и радиодальномерах и в большинстве радиогеодезических систем используют фазовый метод. Поэтому рассмотрим этот метод подробнее.

Передатчик излучает гармонические колебания частоты ƒ, которые проходят трассу D до отражателя и обратно и поступают на приемник со сдвигом фаз φ = 2π/τ = 2πƒ/ • D/ν. Подставляя в формулу (1.81) τ = φ/2πƒ, имеем

                  (1.83)

и сдвиг фаз равен

φ = 2πN + Δφ                       (1.84)

где N — целое число фазовых циклов (λ/2 — фазовый цикл); Δφ — разность фаз от 0 до 2π, измеряемая фазометром; N определяют по результатам измерения ΔN на двух или нескольких фиксированных частотах. Подставляя φ из (1.84) в (1.83), находим основное уравнение фазовой дальнометрии

                  (1.85)

где λ = ν/2ƒ - длина волны при частоте ƒ; ΔN = Δφ/2π — дробная часть фазового цикла (0 < ΔN < 1). Входящую в (1.85) ƒ называют масштабной (измерительной) частотой.

Если в дальномере частота колебаний может изменяться плавно, то используют такую частоту, при которой разность фаз между принятым и отправленным сигналами точно равна целому числу фазовых циклов. В этом случае

                       (1.86)

где N находят из измерений на двух или нескольких частотах.

Согласно ГОСТу 19223-82 в нашей стране в названиях светодальномеров после буквы С — светодальномер — используют индексы: Г — геодезические, Т — топографические, П — для прикладной геодезии. Цифры после буквенного обозначения указывают дальность действия прибора. Например, СТ-5 — светодальномер топографический, измеряющий расстояние до 5 км.

В современных светодальномерах управление, вычисление и контроль выполняются микропроцессором по заданной программе. Измерение расстояний таким светодальномером состоит в установке над пунктами свето-дальномера и отражателя, наведении светодальномера на отражатель и нажатии кнопки «пуск». Измерения выполняют в течение нескольких секунд.

В фазовом светодальномере (рис. 1.89) световой поток проходит через модулятор, управляемый напряжением от генератора стабильной частоты, на выходе из модулятора он модулирован на амплитуде с частотой, равной частоте генератора. Оптическая система собирает световой поток и направляет его на отражатель, установленный на конце измеряемой линии, от отражателя он поступает на фотоприемник, в котором световая энергия преобразуется в электрическую и после усиления и преобразования поступает на фазометр. На него же поступает сигнал от генератора, т. е. на фазометр поступают два сигнала одинаковой частоты, но различной фазы, разность фаз зависит от Длины измеряемой линии.

Рис. 1.89. Схема фазового светодальномера

Для контроля и повышения точности в светодальномерах имеется оптическая линия короткого замыкания, используемая как контрольное расстояние. Длина волны масштабной частоты генератора значительно меньше измеряемого расстояния, поэтому разность фаз гораздо больше 360°, а фазометр измеряет величину от 0 до 360°. Возникающую неоднозначность, как уже отмечалось, решают путем измерения расстояния на нескольких частотах генератора стабильной частоты. Точность светодальномеров зависит от стабильности и величины масштабной частоты генератора, точности фазоизмерительного блока, мощности светового потока и других факторов.

В радиодальномерах в качестве несущей частоты используют обычно 3-сантиметровые электромагнитные волны, а вместо используемого в светодальномерах пассивного отражателя — активный ответчик. На концах измеряемой линии устанавливают ведущую и ведомую станции, которые часто делают взаимозаменяемыми. При измерении обе станции работают как активные радиоэлектронные устройства, результат измерения получают на ведущей станции. На этой станции работают два генератора электромагнитных колебаний — несущей частоты ГМЧ1.

На ведомой станции работают три генератора — несущей частоты ГНЧ2, модулирующей частоты ГМЧ2 и поднесущей частоты ГПЧ2. Излучаемые ведущей станцией колебания несущей частоты ω_H1 модулированы колебаниями модулирующей частоты ω_M1. Ведомой станцией излучаются колебания несущей частоты ω_H2, модулированные колебаниями модулирующей частоты ω_M2 и колебаниями частоты ω_Пg, в свою очередь модулированные низкочастотными колебаниями частоты Ω = ω_М1 -  ω_М2

Сигналы низкой частоты получаются в смесителях ведущей и ведомой станций. Разность фаз этих двух низкочастотных сигналов, измеряемая фазометром, дает информацию об измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности используют несколько различных модулирующих частот.

Основные преимущества радиодальномера — возможность измерять большие расстояния и независимость от метеорологических условий. Недостатками являются: необходимость работы одновременно двух станций; возможные ошибки из-за отражения волн от подстилающей поверхности и от зданий и сооружений; большая (2-3 см) постоянная часть погрешности измерения.