Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Фазовый метод основан на том, что фаза гармонического колебания есть линейная функция времени, и, следовательно, изменение фазы за некоторый промежуток времени будет ли­нейной функцией расстояния, пройденного за это время гармо­ническим колебанием.

Основное уравнение фазовой дальнометрии. Пусть передат­чик (рис. 8) излучает гармонические колебания круговой ча­стоты с фазой

фі = ю[3] + Фо. (1.26)

На расстоянии D установлен отражатель. Пройдя расстояние 2D до отражателя и обратно, колебания поступают на прием­ник*. При этом их фаза с тем же началом счета времени будет

Фа = ю (*—та0) + фо. (1-27)

Рис. 8. Принципиальная схема осуществления фазового метода измерения расстоя­ний

где t2d—время распространения излучения вдоль дистанции в прямом и обратном направлениях.

Фазометр измеряет разность фаз излучаемых и принимае­мых колебаний: •

ф20 = фі—фа = юта£> = 2я/та£>, (1.28)

откуда время

т2£) = фго/2я/. (1.29)

Зная скорость распространения колебаний v, получим:

D = JbD_ = ОФ*D. (1.30)

2 4nfi v ‘

Таким образом, расстояние D можно вычислить (при изве­стной скорости v), если измерить сдвиг фаз ф2к на частоте f, возникший в результате прохождения электромагнитными ко­лебаниями расстояния до отражателя и обратно.

Очевидно, что сдвиг фаз фгв в общем случае всегда можно представить в виде

ф20 = 2яЛГ + ф, (1.31)

где N — целое число, а ф — величина, меньшая 2я (0<ф<2я). Любой фазометр может измерить сдвиг фаз лишь в пределах от 0 до 2я, т. е. только величину ф, а следовательно, число N остается неизвестным.

Подставив выражение (1.31) в уравнение (1.30), получим:

D=ir(w+^r)- <‘-32)

Формула (1.32) есть основное уравнение фазовой дально — метрии. В нем два неизвестных: расстояние D и целое число N, для определения которого необходимо предпринимать некото­
рые специальные меры, о чем речь будет идти ниже. Уравне­ние (1.32) часто записывают в виде

(1.33)

или

ницы (0<Д1У<1). ‘

Масштабная частота. Формула (1.34) показывает, что из­меряемое расстояние равно некоторому числу (N+AN) полу­волн Я/2. Другими словами, величина К/2 представляет собой ту линейную меру, при помощи которой проводится измерение расстояния — своеобразную масштабную единицу длины, «ук­ладываемую» на измеряемом отрезке. Поэтому соответствую­щую длине волны А, частоту f, к которой относится измеряемый фазовый сдвиг, называют масштабной частотой.

В схеме, изображенной на рис. 8, масштабной частотой яв­ляется частота колебаний, излучаемых передатчиком (несущая частота). Фазовые измерения на сравнительно низких несу­щих частотах реализуются во многих радиогеодезических си­стемах (§ 21).

В современных геодезических фазовых дальномерах, как правило, применяется модуляция излучаемых колебаний, и масштабной частотой является частота модуляции. Поясним, чем обусловлено такое техническое решение.

Роль модуляции и функциональная схема фазового дально­мера. При достаточно высокой частоте излучения (начиная примерно с частот СВЧ диапазона) весьма сложно произво­дить фазовые измерения и резко усложняется, особенно на оп­тических частотах, определение числа N. Измерения на таких частотах целесообразно выполнять не при помощи фазометра, а регистрируя результат непосредственной интерференции из­лучаемых и принимаемых колебаний в точке приема, т. е. при­меняя интерференционный метод измерения расстояний (§ 6). В этом случае дальномер превращается в интерферометр (СВЧ или оптический). Интерферометры обеспечивают очень высо­кую точность измерений, но интерференционному методу при­сущи специфические трудности и ограничения, и он пока что может использоваться лишь в отдельных случаях для решения специальных задач.

Для фазовых измерений в геодезических дальномерах об­щего назначения оптимальными, как считается в настоящее

время, являются частоты, лежащие в диапазоне 10—500 МГц. Однако непосредственное излучение колебаний с такими срав­нительно низкими частотами, для точных измерений непри­годно по ряду причин (отражения от подстилающей поверх­ности, дифракция, значительные размеры антенн).

Таким образом, возникает противоречие, состоящее в том, что с точки зрения условий излучения и распространения наи­более подходящими оказываются электромагнитные волны СВЧ и оптического диапазонов, а с точки зрения фазовых из­мерений— волны, соответствующие значительно более низким частотам.

Для разрешения этого противоречия в фазовых дальномерах и используют модуляцию излучаемых колебаний. Передатчик излучает колебания СВЧ или оптического диапазона, кото­рые служат несущими. Они модулируются колебаниями частот 10-ь500 МГц, к которым относятся фазовые измерения и ко­торые, следовательно, являются измерительными, масштаб­ными.

Итак, передатчик излучает модулированные колебания. По­скольку несущая частота нужна лишь как переносчик масштаб­ной частоты, после приема модулированных колебаний от не­сущей в общем случае необходимо избавиться, т. е. выделить из принятого модулированного сигнала только колебания мас­штабной частоты — частоты модуляции. Для этого нужно при­менить операцию детектирования.

В соответствии со сказанным обобщенная схема фазового дальномера, показанная на рис. 8, должна быть заменена сле­дующей функциональной схемой (рис. 9).

В зависимости от используемого диапазона несущих частот геодезические фазовые дальномеры делятся на два качественно различных класса — свето — и радиодальномеры.

Светодальномеры— это дальномеры, в которых в качестве несущих используются частоты оптического диапазона — види­мый свет или инфракрасное (ИК) излучение.

Радиодальномеры — это дальномеры, в которых в качестве несущих используются частоты СВЧ радиодиапазона (санти­метровые или миллиметровые радиоволны).

Таким образом, основное различие свето — и радиодальноме­ров заключается в диапазоне используемых несущих колеба­ний. Это различие влечет за собой резкое несходство свето — и радиодальномеров в схемном и конструктивном отношениях, обусловленное различными методами передачи, модуляции и приема оптических волн и радиоволн. Поэтому более подробное изложение способов построения схем свето — и радиодальноме­ров приходится давать для них раздельно (см. § 15, 19).

Фазовые дальномеры можно подразделить на две группы.

Первую группу составляют дальномеры, в которых разность фаз <р измеряется на определенной заданной частоте модуля­ции f, предусмотренной при конструировании дальномера.

Рис. 9. Функциональная схема фазового дальномера

В дальномере может быть несколько фиксированных частот, значения которых точно известны, и такие дальномеры назы­ваются дальномерами с фиксированными частотами.

Вторую группу составляют дальномеры, в которых частоту модуляции I можно плавно менять в некотором диапазоне. При этом используется то обстоятельство, что при изменении частоты меняется и разность фаз <р. В таких дальномерах вместо ф измеряют частоту /, при которой ф становится равной определенному известному значению. Дальномеры такого типа называются дальномерами с переменной частотой модуляции. Переменная частота модуляции используется сейчас значи­тельно реже, чем фиксированные частоты, и применяется лишь в некоторых светодальномерах. ‘

Свето- и радиодальномеры измеряют расстояния между двумя неподвижными пунктами на земной поверхности. Для измерения расстояний до подвижных объектов с целью опреде­ления их координат применяется особый класс устройств, назы­ваемых радиогеодезичебкими системами (РГС). Схема на рис. 9 относится к геодезическим наземным дальномерам, т. е. к свето — и радиодальномерам. Радиогеодезические системы рассматриваются в § 21.

Комментарии запрещены.