Дальномер
Дальноме́р, прибор для определения расстояния до объекта. Широко применяется в геодезии, фотографии, при топографической съёмке, астрономических исследованиях, в навигации, военном деле и других областях.
По принципу действия дальномеры подразделяются на две основные группы. Первую группу составляют оптические дальномеры – приборы с визуальной наводкой на объект, работа которых основана на использовании законов геометрической (лучевой) оптики. Измерение расстояний такими дальномерами сводится к решению равнобедренного или прямоугольного треугольника по известным основанию (базе) и противолежащему (т. н. параллактическому) углу. Одна из величин обычно является постоянной, а другая – переменной (измеряемой). По этому признаку различают дальномеры с постоянным углом и дальномеры с постоянной базой. Простейший оптический дальномер с постоянным углом (т. н. нитяной) представляет собой зрительную трубу, в поле зрения которой нанесена метка в виде двух параллельных нитей; базой служит переносная рейка с делениями. Дальномеры наводят на рейку (визируют), расстояние до базы определяют по числу делений, видимых в зрительную трубу между нитями. Нитяным дальномером снабжены некоторые геодезические инструменты (теодолиты, нивелиры и др.).
Более сложные оптические дальномеры имеют постоянную внутреннюю базу; в свою очередь, они подразделяются на монокулярные и бинокулярные (стереоскопические). Монокулярные дальномеры широко применяются в качестве фотографических дальномеров, предназначенных для определения расстояния до объекта съёмки при фокусировке (наводке на резкость) съёмочного объектива. Такой дальномер обычно встроен в корпус фото- или киноаппарата и объединён с видоискателем в единую оптико-механическую систему. Лучи света от объекта съёмки проходят в дальномеры через две различные оптические системы – основную и вспомогательную. Изображения, создаваемые двумя системами, видны в окуляре дальномера несовмещёнными. Для наведения на резкость и получения чёткого фотоснимка оба изображения совмещают в одно перемещением оптического компенсатора, связанного с механизмом фокусировки объектива фотоаппарата. Стереоскопический дальномер представляет собой двойную зрительную трубу с двумя окулярами; действие основано на стереоскопическом эффекте: рассматриваемые отдельно каждым глазом изображения объединяются в одно объёмное, в котором ощущается различие в расположении предметов по глубине. Для определения расстояния до объекта (цели) изображение объекта совмещают с изображением специальной метки («марки»), находящейся в фокальной плоскости дальномера. Смещение оптического компенсатора, требуемое для совмещения «марки» и цели, пропорционально измеряемому расстоянию. Дальномеры с постоянной базой получили распространение также в военном деле (например, в артиллерии), топографии и некоторых других областях. Относительная погрешность оптического дальномера составляет от сотых долей до 1 %.
Ко второй группе относятся акустические дальномеры, радио- и светодальномеры; их действие основано на измерении временны́х (или фазовых) соотношений между посылаемыми в направлении объекта акустическими или электромагнитными сигналами и принимаемыми эхосигналами (отражёнными от объекта).
В светодальномерах используется оптическое излучение видимого и инфракрасного диапазонов спектра. Такие дальномеры содержат источник излучения, устройство управления его параметрами, передающую и приёмную системы, фотоприёмное устройство и устройство измерения временны́х интервалов. В зависимости от методов определения времени прохождения оптического излучения до объекта и обратно светодальномеры разделяются на импульсные и фазовые. Импульсными светодальномерами измеряют расстояния непосредственно по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, отражённого от объекта. Источником излучения обычно служат твердотельные и полупроводниковые лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне (0,8–1,6 мкм), излучение которых формируется в виде коротких импульсов (длительностью до десятков наносекунд). Медленно меняющиеся расстояния измеряют с помощью одиночных импульсов; при быстро меняющихся расстояниях применяется непрерывно-импульсный режим излучения. Импульсные светодальномеры используются в основном для измерения расстояний (от сотен метров до десятков километров) до диффузно рассеивающих объектов с точностью до единиц метров (например, для определения высоты облаков, высоты полёта летательных аппаратов при аэрофотосъёмке, орбиты искусственных спутников Земли).
В фазовых светодальномерах источником излучения, как правило, служат светодиоды, а также газовые и полупроводниковые лазеры непрерывного действия; расстояние до объекта определяется по разности фаз посылаемого модулированного (например, по синусоидальному закону) излучения и принимаемого (отражённого) светового сигнала. Обычно модуляция гармоническим сигналом оптического излучения газовых лазеров осуществляется внешними электрооптическими или акустооптическими модуляторами на частотах до десятков и сотен мегагерц, а модуляция полупроводниковых излучателей – током накачки. Модулирующее световой поток переменное напряжение вырабатывается генератором масштабной частоты, называемой так потому, что соответствующая ей длина волны определяет масштаб перевода разности фаз в расстояния. Фазовые светодальномеры обеспечивают дальность действия при работе с оптическими отражателями на объекте от единиц до десятков километров, а при диффузном отражении от объектов – до сотен метров.
В качестве фотоприёмников чаще всего применяются фотодиоды или фотоумножители. Из-за нестабильности электронных элементов фазовый сдвиг сигналов за время измерений подвергается дрейфу. Для его учёта в светодальномер включается линия оптического короткого замыкания – система зеркал и призм или световодов, по которой модулированный свет направляется из передатчика в приёмник, минуя измеряемую дистанцию; измерение разности длин внешней и внутренней дистанции позволяет учитывать и компенсировать ошибку за счёт дрейфа масштабной частоты. Большинство светодальномеров построено по гетеродинной схеме с измерением разности фаз на низкой промежуточной частоте, что позволяет автоматизировать процесс измерений с использованием цифровых методов. При этом разность фаз между опорным (испускаемым) и измерительным сигналами представляется в виде последовательности импульсов, число которых подсчитывается. Современные светодальномеры позволяют измерять расстояния до 50 км с погрешностью 5–20 мм; разработаны также прецизионные светодальномеры с ошибкой измерения 0,3–0,5 мм и дальностью действия до 0,1–1 км.
В радиодальномерах обычно используют электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Различают радиодальномеры с пассивным и активным отражением, а по виду излучаемых радиосигналов – с импульсным и непрерывным излучением. В радиодальномерах с пассивным отражением на вход приёмника попадают два сигнала – прямой, непосредственно с радиопередатчика, и запаздывающий (относительно прямого), после отражения от объекта, расстояние до которого определяется. Для импульсных радиодальномеров измеряемое расстояние определяется как где скорость распространения радиоволн, время запаздывания отражённого импульса. В радиодальномерах с непрерывным излучением используются радиосигналы с периодически изменяющейся частотой, индикатор измеряет разность частот между прямыми и отражёнными колебаниями; измеряемое расстояние
где период модулирующих колебаний, диапазон частот модуляции. Пассивное отражение используется, например, в радиолокаторах и радиовысотомерах.
В радиодальномерах с активным отражением применяются две станции – ведущая и ведомая, располагаемые на концах измеряемой линии. Радиосигналы могут быть импульсные и непрерывные – на одной несущей частоте или с модулированной несущей частотой. Радиосигналы, принимаемые ведомой станцией, преобразуются и ретранслируются. При использовании непрерывных колебаний измерение расстояний производится фазовым методом. Наибольшая точность измерения (около 3 ·10–6 от измеряемого расстояния) достигнута в фазовых радиодальномерах, использующих модулированные радиосигналы в ультракоротковолновом диапазоне радиоволн с измерением расстояния по сдвигу фаз модулирующих колебаний. Радиодальномеры с активным отражением применяют в навигации, геодезии, в военном деле.
В связи с сильным поглощением и рассеянием света и радиоволн конденсированными средами (жидкостями и твёрдыми телами) свето- и радиодальномеры применяются только в атмосферных условиях и в космическом пространстве. Для определения расстояний в толще вод океанов и морей используют акустические дальномеры, поскольку поглощение водой ультразвука незначительно (см. Гидролокатор, Эхолот).