Дальномер

ДАЛЬНОМЕР, 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 2 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 (так называемому 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 (так называемый нитяной) представляет собой зрительную трубу, в поле зрения которой нанесена метка в виде двух параллельных нитей; базой служит переносная рейка с делениями. Дальномер  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 дальномере через две различные оптические системы - основную и вспомогательную (рис.). 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%.

Принципиальная схема монокулярного дальномера фотоаппарата (а) и видимые через окуляр изображения объекта при сфокусированном (б) и несфокусированном (в) объективе: I и II - основная и вспомогательная ветви, по которым световые лучи от объекта съёмки поступают в окуляр дальномера; 1 - объект съёмки; 2 - оптический компенсатор; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - окуляр; Θ - параллактический угол; Бд - база монокулярного дальномера; х - расстояние до объекта съёмки.

Ко второй группе относятся акустический дальномер, радио и светодальномеры; их действие основано на измерении временных (или фазовых) соотношений между посылаемыми в направлении объекта акустическими или электромагнитными сигналами и принимаемыми эхосигналами (отражёнными от объекта).

В светодальномерах (СД) используется оптическое излучение видимого и ИК-диапазонов. Такие дальномеры содержат источник излучения, устройство управления его параметрами, передающую и приёмную системы, фотоприёмное устройство и устройство измерения временных интервалов. В зависимости от методов определения времени прохождения оптического излучения до объекта и обратно СД разделяются на импульсные и фазовые. Импульсными СД измеряют расстояния непосредственно по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, отражённого от объекта. Источником излучения обычно служат твердотельные и ПП лазеры, работающие в ближнем ИК-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 СД 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 ИСЗ).

В фазовых СД источником излучения, как правило, служат светодиоды, а также газовые и ПП 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 электрооптическим или акустооптическим модуляторами на частотах до десятков и сотен МГц, а модуляция ПП излучателей - током накачки. Модулирующий световой поток переменное напряжение вырабатывается генератором масштабной частоты, называемой так потому, что соответствующая ей длина волны определяет масштаб перевода разности фаз в расстояния. Фазовые СД 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 СД 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 СД 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 СД позволяют измерять расстояния до 50 км с погрешностью 5-20 мм; разработаны также прецизионные СД с ошибкой измерения 0,3-0,5 мм и дальностью действия до 0,1-1 км.

В радиодальномерах (РД) обычно используют электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Различают РД с пассивным и активным отражением, а по виду излучаемых радиосигналов - с импульсным и непрерывным излучением. В РД 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 РД измеряемое расстояние определяется как D = 1/2 vτ, где v - скорость распространения радиоволн, τ - время запаздывания отражённого импульса. В РД с непрерывным излучением используются радиосигналы с периодически изменяющейся частотой, индикатор измеряет разность частот Ω между прямыми и отражёнными колебаниями; измеряемое расстояние D = ΩT/2Δf, где Т - период модулирующих колебаний, Δf - диапазон частот модуляции. Пассивное отражение используется, например, в радиолокаторах и радиовысотомерах.

В РД 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 РД, использующих модулированные радиосигналы в УКВ-диапазоне радиоволн с измерением расстояния по сдвигу фаз модулирующих колебаний. РД 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 (смотри Гидролокатор, Эхолот).

Лит.: Краткий топографо-геодезический словарь-справочник. 3-е изд. М., 1979; Пащенков В. 3. Радио и светодальномеры. 2-е изд. М., 1980; Волконский В. Б., Яковлев В. В. Высокоточные лазерные светодальномеры для геофизики, гидротехники и машиностроения // Сборник статей, посвященный 90-летию со дня рождения академика А. А. Лебедева. Л., 1985. Кн. 1; Радиогеодезические и электрооптические измерения. М., 1985; Мусьяков М. П., Миценко Н. Д. Оптико-электронные системы ближней дальнометрии. М., 1991.