CC BY
50
ВЕСТНИК
4/2013
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 528.517
В.А. Маркарян
ЕГУАС
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО МАКЕТА СВЕТОДАЛЬНОМЕРА ДВСД-1200
Непрерывный технический прогресс производства геодезических измерений оказывает существенное влияние на методы и средства как для определения осадок, так и для выявления горизонтальных смещений таких уникальных инженерных сооружений, как ускорители элементарных частиц, высокоточные направляющие пути, радиотелескопы, телебашни и т.д. А в связи с быстрым темпом развития СВЧ-техники широко и эффективно применяются высокоточные светодальномеры, позволяющие выполнять линейные измерения с ошибками порядка 0,2.. .0,5 мм. В проблемной лаборатории геодезических измерений Ереванского государственного университета архитектуры и строительства (ЕГУАС) продолжаются начатые с конца прошлого столетия работы по усовершенствованию и модернизации высокоточного светодальномера ДВСД-1200.
Приведены отличительные особенности новой разработки ДВСД-1200 по сравнению с предыдущими. Выполненные исследования светодальномера и эксперименты с различными видами отражателей позволили сделать вывод, указывающий на необходимость применения в приборе приемной оптики.
Ключевые слова: светодальномер, модулятор, генератор, лазер, отражатель.
Для расширения сферы применения разработанного в Ереванском государственном университете архитектуры и строительства (ЕГУАС) светодальномера ДВСД-1200 необходимо было модернизировать работу таких узлов, как модулятор света, усилительно-индикаторное устройство, отсчетное устройство домера фазового цикла и СВЧ-генератор [1].
Макет новой разработки светодальномера, как и предыдущие, состоит из трех основных блоков: оптико-механического (приемопередатчик), генератора и отражателя.
Работа приемопередатчика построена по принципу внешней модуляции с использованием компенсационного метода фиксации экстремума. В нем скомпонованы: источник поляризованного света (He-Ne-й лазер ЛГН-207), узлы ориентации зеркал, модулятор (тороидальный резонатор), фотоэлектрический умножитель (ФЭУ-115), блоки регистрации и индикации [2]. Функциональная схема светодальномера приведена на рисунке.
Во время измерения при достижении минимального сигнала, соответствующего условию ^ = N гкт/ 2 + гкт/ 4, берется отсчет с цифрового табло, а измеряемое расстояние при данной частоте /т вычисляется по формуле
^ = N К/2 + К/4 + 5-*, (1)
где N — целое число модулированных полуволн, уложившихся в измеряемом расстоянии; Хт — длина волны, соответствующая /т, вычисляемая по формуле Ат = С0/ пгр/т ; С0— скорость света в вакууме; пгр — групповой показатель преломления среды; /т — частота модуляции; 5 — домер фазового цикла (величина перемещения модулятора-демодулятора); К — постоянная поправка.
5
-------!
Функциональная схема светодальномера: 1 — плоскополяризованный луч лазера; 2 — зеркало; 3 — модулятор; 4 — электрооптический кристалл; 5 — генератор масштабных колебаний; 6 — петля связи; 7 — отражатель; 8 — анализатор; 9 — световод; 10 — интерференционный фильтр; 11 — отокатод ФЭУ; 13 — усилитель; 14 — электронно-лучевая трубка; 15 — винт перемещения модулятора-демодулятора; 16 — отсчетное устройство; 17 — блок питания лазера; 18 — подстроечные кристаллы
Отличительные особенности новой разработки ДВСД-1200 по сравнению с предыдущими следующие:
1) расширен температурный диапазон работы модулятора-демодулятора света путем введения в резонатор диэлектриков, изменяющих резонансную частоту около 200 МГц;
2) функции индикатора минимума, настройки резонатора, амплитуды приемного света и анализатора совмещены на одной электронно-лучевой трубке;
3) механизм перемещения модулятора усовершенствован и связан с электронным счетным устройством, в результате чего точность фиксации минимального сигнала повысилась до 0,01 мм;
4) канал демодуляции света связан с фотоприемником через световод, что существенно уменьшает влияние оптических шумов на приемный сигнал;
5) для уменьшения мощности питания и расширения функционального назначения модулятора света предложен модулятор, где электрический нулевой контакт кристалла выполнен в виде двух внутренне-ортогонально отражающих плоскостей с линией пересечения, параллельной одной из наведенных осей кристалла [3, 4]. В таких модуляторах увеличивается число прохождения света через него, что приводит к уменьшению мощности модуляции в 4 раза и позволяет на частотах 300...600 МГц на линейном участке модуляционной
ВЕСТНИК AI-iMt.
4/2013
характеристики света реализовать режим работы модулятора света без нагрева кристаллов. Это открывает для кристаллических модуляторов-демодуляторов света новые области применения, позволяет повысить точность и дальность измерения СВЧ-светодальномеров.
Для отражателя исследуемого дальномера, работающего без приемо-пе-редающей оптики и предназначеного для работы на коротких линиях длиной 100...300 м, устанавливаются следующие основные требования: максимальная отражательная способность при минимальных размерах; сохранение равномерной освещенности приемной зоны прибора при флуктуациях атмосферы и перепадах температуры; сохранение поляризации демодулированного и фазы модулированного света; концентрация интенсивности приемного луча. Указанные требования выполнимы такими известными отражателями, как фокусирующее зеркало, трипельпризмы и зеркально-линзовые системы. Работа этих отражателей рассмотрена для модулированного и демодулированного света, так как деполяризация в обоих случаях может привести к нарушению или ухудшению работы светодальномера [5].
Фокусирующее зеркало. Определение допусков на ориентацию отражателя в виде фокусирующего зеркала связано с наименьшим диаметром луча, который можно получить в фокусе зеркала, и диаметром самого зеркала, обычно равного 120.150 мм. Для этого учитывается максимальная длина измеряемой линии и неплоскостность зеркала, которая обычно равна 10.15 и образует рассеивание в отраженном свете, удвоенное значение этого угла. Выполненные исследования показали, что погрешность ориентации фокусирующего зеркала при раскрыве лазерного луча 6" равна погрешности ориентации плоского зеркала, когда на него направляется параллельный пучок. А поскольку диаметр приемного канала ДВСД-1200 намного меньше, чем диаметр луча в плоскости приема, то статистические изменения выходного сигнала фотоприемника при сцинтиляции приемного луча могут быть очень большими.
Выполненные измерения с использованием фокусирующего зеркала показали, что на линии длиной 150 м, при разности температур на концах линии, равной ±2 °C, амплитуда колебаний светлых участков отраженного луча составляет 8.10 мм, а временами полностью нарушалась и работа прибора. Применение приемной оптики диаметром, равным 25.30 мм, или фокусирующего зеркально-линзового отражателя может решить этот вопрос.
Уголковый отражатель, или трипельпризма. Основным недостатком уголковых отражателей является сложность их изготовления и большие потери интенсивности отраженного света. Для полой призмы при среднем коэффициенте отражения от одной плоскости, равном 0,85, потери составляют около 40 %. Несмотря на то, что при поляризационной модуляции света не рекомендуется применение уголкового отражателя, на основе анализа поляризационных свойств этих отражателей показано, что в некоторых случаях их можно использовать [5]. Поскольку импульсный режим модуляции света в ДВСД-1200 позволяет на экране осциллографа следить за изменением амплитуды как модулированного, так и немодулированного света, эксперименты с применением уголкового отражателя показали, что:
в положении минимума света остаточного света в импульсе модуляции не наблюдается;
глубина модуляции при одинаковых интенсивностях приемного света уменьшается на 10 % для отражателя с внутренним отражением, на 5 % — для отражателя, грани которого покрыты отражающим слоем, и на 3 % — для отражателя в виде полой призмы;
остаточный свет наблюдается в смодулированном луче в таком же процентном отношении, как и уменьшение модуляции света для каждого вида отражателя. Кроме того, чем меньше размеры уголкового отражателя, тем меньше остаточный свет.
Зеркально-линзовый отражатель. Для оценки особенности работы таких систем принято, что работа объектива не отличается от работы тонкой линзы. С целью выполнения экспериментов в проблемной лаборатории геодезических измерений ЕГУАС был разработан новый малогабаритный отражатель на объективах диаметром 15 мм и фокусным расстоянием 150 мм. Максимальное изменение фокусного расстояния составляет 15 мм. Количество объективов в отражателе определялось исходя из максимального диаметра зеркала, равного 120.150 мм. Результаты выполненных экспериментов показали следующее:
работа светодальномера сохраняется при ошибке ориентации отражателя, равной 1°;
интенсивность приемного света на линии длиной 500 м при работе с зеркально-линзовым отражателем в два раза больше, чем от фокусирующего зеркала;
по мере увеличения измеряемого расстояния величина перемещения объективов в отношении зеркала уменьшается;
начиная с расстояния 100.120 м, в приемном свете наблюдается сетка, состоящая из ярких и темных точек и, по мере увеличения расстояния, шаг сетки увеличивается тем больше, чем меньше диаметр объективов.
Выполненные в ЕГУАС исследования новой разработки высокоточного светодальномера ДВСД-1200 и эксперименты с различными видами отражателей указывают на необходимость применения в приборе приемной оптики.
В следующих разработках новых дальномеров намечается повышение точности измерения до предела 0,01.0,02 мм путем перехода на новые методы модуляции-демодуляции света и дальности измерения применением зеркально-линзовой оптики диаметром 50 мм [6].
Библиографический список
1. Об основе светодальномера «0» разряда / А.Г. Бегларян, К.С. Гюнашян, Е.А. Айрапетян, К.Х. Хачатрян // Геодезия и аэрофотосъемка. 2005. № 2. С. 109—117.
2. Бегларян А.Г. Айрапетян Е.А. Парафазный светодальномер для специальных инженерно-геодезических работ // Сб. науч. тр. ЕГУАС. 2008. Т. 2(32). С. 65—67.
3. Синанян Р.Р., Айрапетян Е.А., Гюнашян К.С. Особенности построения модулятора света эталонного светодальномера // Геодезия и аэрофотосъемка. 1999. № 3. С. 130—136.
ВЕСТНИК AI-iMt.
4/2013
4. Бегларян А.Г. Гюнашян К.С. Хачатрян К.Х., Айрапетян Е.А. Высокоточный светодальномер для компараторов / А.Г. Бегларян, К.С. Гюнашян, К.Х. Хачатрян, Е.А. Айрапетян // Сб. науч. тр. ЕГУАС. 2009. Т. 2 С. 62—65.
5. Айрапетян Е.А. Разработка и исследование светодальномера «0» разряда для специальных геодезических работ : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Ереван : ЕГУАС, 2005. 26 с.
6. Beglaryan A.G., Gyunashyan K.S., Hayrapetyan Ye.H. High precision light rangefinder DVCD-1200 for linear comparator // Proceedings of 3-rd int confer. On contemporary problems in architecture and construction. Beijing. China. Nov. 20-24. 2011. Pp. 9—14.
Поступила в редакцию в марте 2013 г.
Об авторе: Маркарян Венера Арцруновна — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой инженерной геодезии, Ереванский государственный университет архитектуры и строительства (ЕГУАС), Республика Армения, 0009, г. Ереван, ул. Теряна, д. 105, [email protected], [email protected].
Для цитирования: Маркарян В.А. Исследование модернизированного макета светодальномера ДВСД-1200 // Вестник МГСУ 2013. № 4. С. 70—75.
V.A. Markaryan
RESEARCH INTO UPGRADED MODEL OF OPTICAL RANGE FINDER DVSD-1200
Continuous technological advancements introduced into geodetic meters produce a significant influence on methods of and instruments for identification of settlements and horizontal displacements of such unique engineering structures as elementary particle accelerators, high-precision directional control equipment, radio telescopes, TV towers, etc. Against the background of intensive development, the microwave technology largely and effectively employs high-precision optical range finders capable of taking linear measurements with an error of 0.1—0.5 mm. Researchers of Yerevan State University of Architecture and Construction (YSUAC) continue the implementation of their geodetic meter project that contemplates mprovement and modernization of high-precision optical range finder DVSD-1200.
The author presents distinctive properties of new advancements introduced into optical range finder DVSD-1200. The research into the characteristics of the optical range finder and experiments with different types of reflectors have caused the author to make a conclusion that the receiving optics is to be incorporated into the item that serves as the subject of research.
Key words: optical range finder, modulator, oscillator, laser, reflector.
References
1. Beglaryan A.G., Gyunashyan K.S., Ayrapetyan E.A., Khachatryan K.Kh. Ob osnove svetodal'nomera «0» razryada [Operating Principle of Zero Grade Optical Range Finder]. Geodeziya i aerofotos"emka [Geodesy and Aerosurveying]. 2005, no. 2, pp. 109—117.
2. Beglaryan A.G. Ayrapetyan E.A. Parafaznyy svetodal'nomer dlya spetsial'nykh inzhenerno-geodezicheskikh rabot [Paraphase Optical Range Finder for Special-purpose Geodetic Assignments]. Sb. nauch. tr. EGUAS. [Collected Works of Yerevan State University of Architecture and Civil Engineering]. 2008, vol. 2(32), pp. 65—67.
3. Sinanyan R.R., Ayrapetyan E.A., Gyunashyan K.S. Osobennosti postroeniya modu-lyatora sveta etalonnogo svetodal'nomera [Peculiarities of Design of a Light Modulator of an Optical Range Finder]. Geodeziya i aerofotos"emka [Geodesy and Aerosurveying]. 1999, no. 3, pp. 130—136.
4. Beglaryan A.G. Gyunashyan K.S. Khachatryan K.Kh., Ayrapetyan E.A. Vysokotochnyy svetodal'nomer dlya komparatorov [High-precision Optical Range Finder Designated for Comparators]. Sb. nauch. tr. EGUAS. [Collected Works of Yerevan State University of Architecture and Civil Engineering]. 2009, vol. 2, pp. 62—65.
5. Ayrapetyan E.A. Razrabotka i issledovanie svetodal'nomera «0» razryada dlya spetsial'nykh geodezicheskikh rabot [Development and Research into Zero-grade Optical Range Finder Designated for Special-purpose Geodetic Assignments]. Yerevan, EGUAS Publ., 2005, 26 p.
6. Beglaryan A.G., Gyunashyan K.S., Hayrapetyan Ye.H. High Precision Light Rangefinder DVCD-1200 for Linear Comparator. Proceedings of 3rd int confer. On Contemporary Problems in Architecture and Construction. Beijing, China, Nov. 20-24, 2011, pp. 9—14.
About the author: Markaryan Venera Artsrunovna — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Chair, Department of Engineering Surveying, Yerevan State University of Architecture and Construction (YSUAC), 105 Teryana St., Yerevan, 0009, info@ysuac. am; [email protected].
For citation: Markaryan V.A. Issledovanie modernizirovannogo maketa sveto-dal'nomera DVSD-1200 [Research into Upgraded Model of Optical Range Finder DVSD-1200]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 4, pp. 70—75.
