8.1.Загальні принципи

Світловіддалемір дозволяє вимірювати відстань безпосередньо, причому частота вимірювального сигналу лежить в інфрачервоному або видимому діапазоні. Серед електрооптичних методів вимірювань найбільш точним вважається фазовий метод, при якому час поширення сигналу визначається шляхом непрямих вимірювань. Методи вимірювання відстаней з безпосереднім вимірюванням часу поширення - імпульсні методи, дозволяють отримати точність, достатню для геодезичних цілей, лише при значних ускладненнях конструкції і великих відстанях (наприклад у супутниковій геодезії). При фазовому методі вимірювань передавач випромінює безперервні ВЧ, синусоїдальні АМ модульовані сигнали світлового діапазону, які після відбиття на протилежному кінці вимірюваної лінії попадають у приймач. У приймачі після демодуляції світлового сигналу можна виміряти різницю фаз між цими сигналами (випроміненим і прийнятим). Так визначають домір між кінцем останнього хвильового циклу і приймачем: він пропорційний різниці фаз. Для вилучення інструментальних похибок що виникають внаслідок дрейфу сигналів зовнішнього і внутрішнього світлових шляхів додатково відбувається вимір різниці фаз на внутрішній калібровочній лінії, а відстань обчислюється як різниця зовнішнього і внутрішнього шляхів. Точність приладів складає приблизно 1:1000 - 1:5000 точної міри довжини. При скороченні міри довжини значно ускладнюється електронна схема. Окремі високоточні масштабні частоти отримують за допомогою кварцових генераторів або об'ємних резонаторів.

Відоме основне рівняння для визначення подвійної відстані (туди і назад) 2 В = с і , (с - швидкість світла, і - час поширення сигналу) показує, що для вимірювання відстані можна використати пристрої подібні тим що спочатку були призначені для визначення швидкості світла. Класичний вимірювальний пристрій для визначення швидкості світла був розроблений Фізо в 1849р. Сучасні пристрої відрізняються лише тим, що замість механічних елементів використовують безінерційні електронні елементи. Схему досліду подано на рис.8.1.

Світло від джерела £ падало на напівпрозоре дзеркало. Світло що відбивалося від дзеркала попадало на край зубчатого диска. Кожного разу, як навпроти пучка світла попадав проріз між зубцями, виникав світловий імпульс, який доходив до дзеркала М і відбивався назад. Якщо в момент, коли світло поверталося до диска, навпроти пучка траплявся проріз, відбитий імпульс проходив частково через напівпрозоре дзеркало і попадав у око спостерігача.

За час ґ 2 = 2І / с , який світло затрачало на проходження шляху до

дзеркала М і назад, диск встигав повернутися на кут Аср = соґ2 = 2І со/ с , де

со - кутова швидкість обертання диска. Якщо число зубців диска дорівнює N, тоді кут між серединами сусідніх зубців  а = 2 к / N . Світло не поверталося в око спостерігача при таких швидкостях обертання диска, при яких за час ґ 2 диск встигав повернутися на кут а/2, 3а/2, ...(т -1 / 2) 2к/N. Таким чином, умова т -го затемнення має вигляд: Ар = (т-1 / 2) а,

або   21 со т / с = (т-1 / 2) 2 к / N . За цією формулою, знаючи І N і сот

можна розрахувати с.

У пристрої, що був запропонований Каролюсом і Мітельштедтом (рис.8.2), у ролі модулятора і демодулятора були використані дві синхронні схрещені комірки Кера, керовані одним ВЧ генератором. Світловий промінь джерела Ь призмою Ніколя N 2 поляризується лінійно , а конденсатором Кера

К 2 - еліптично. Після відбивання від дзеркала світло попадає на комірку Кера

К 2. Якщо відстань, пройдена світлом, дорівнює цілому числу хвиль модуляції,

то другий конденсатор ліквідує модулюючу дію першого конденсатора (ефект компенсації). При цьому отримують лінійно поляризоване світло з напрямком поляризації таким же як на виході призми N 2.

Після конденсатора Кера світло падає на другу призму N 2, що орієнтована перпендикулярно до N 2. Поки модулююча сила обох конденсаторів взаємно компенсується, призма N 2 блокує світловий потік і наматовому склі В спостерігається мінімум інтенсивності. При вимірюваннях ефект компенсації досягається зміною частоти модуляції. З рівнянь с = 2 В / ї = 2 В / а Т = 2 В / / а ,

де а - число повних довжин хвиль; Т - період і В = с а / 2 / при відомій відстані В обчислюється швидкість, а при відомій швидкості світла - відстань. Для швидкості світла за допомогою описаного пристрою отримали с 0 = (299 786 ± 20) км/с. Неточність результату обумовлена похибками візуальних

спостережень і похибками, джерелом яких є комірка Кера.

У пристрої розробленому Хютелем (рис.8.3) використовують комірку Кера К (модулятор) і фотоелемент і (демодулятор). Комірка Кера модулює світло за амплітудою. Фотоелемент синхронізований з коміркою Кера за допомогою змінної напруги ВЧ генератора. Оскільки фотоелемент пропускає струм тільки протягом позитивного півперіоду, то при різниці фаз між інтенсивністю світла й чутливістю фотоелемента, що дорівнює нулю або 2 ж N, виникає максимум фотоструму (рис.8.4.).

При різниці фаз Лср = ж / 2 або Лср = 2 ж N + ж / 2 струм мінімальний, при цьому середні значення струму однакові. При безперервній зміні світлового шляху середнє значення фотоструму, зареєстроване амперметром, змінюється синусоїдально. Оскільки найбільш точно можна встановити переходи синусоїдальної функції через нуль (функція змінюється тут найбільш круто) вибираються як точки вимірювання різниці фаз ж / 2, 3 ж/2 і т.д. Світловий

шлях регулюється переміщенням дзеркала, зміною частоти модуляції і зміною відповідного фотоструму. Для швидкості світла в вакуумі Хютель отримав с = (299771 ± 10) км/с.

Чутливість фотоелемента

Фотострум, А ф = 0 ... N 2 к Середній фотострум нуль-прибора. А ф = я..^ 2 к + к

Середній фотострум нуль-прибора А ф = к / 2,..., N 2 к + к / 2

Середній фотострум нуль-прибора А ф =3 к / 2,..., N 2 к + 3 к / 2

Згодом описаний метод був удосконалений і на його основі були створені світловіддалеміри, що були названі геодиметрами. В наш час найточнішим способом визначення швидкості світла в вакуумі є метод, оснований на

_ллл_вимірюванні частоти й довжини хвилі лазерного випромінювання, він дає для с 0 таке значення с = (299792,45 8 ± 0,001) км/с.