Дальномеры

Дальномеры предназначены для измерения расстояний до объектов, координата которых нас интересуют. Измерение может проводиться разными способами и приборы для измерения расстояний могут быть основаны на разных принципах, но если этот прибор имеет оптическую систему, которая выполняет основную функцию, он называется оптические дальномером.

Оптические дальномеры подразделяются на две группы по принципу использования оптического диапазона излучения.

Первые называются дальномерами физического типа. В принципах их построения используются свойства волновой природы света. Это светодальномерные лазерные дальномеры. Они строятся на принципе измерения времени прохождения светом до объекта и обратно или на фазовом принципе.

Вторые называются дальномерами геометрического типа. С помощью этого типа дальномеров определение расстояния до цели производиться путем измерения одного из элементов "дальномерного" треугольника, одна из сторон которого является расстоянием до цели. При этом часть элементов треугольника являются постоянными.

Рис. 4.3.5.2-1

Пусть в ΔАВС известна сторона АС = В, называемая базой, угол ε называется параллактическим углом. Сторона ВС = Д - расстояние до цели. Если нам известен угол α , то по теореме синусов мы можем определите сторону ВС = Д.

;

где угол α - может быть прямоугольным, тогда

.

Как видно из формулы, расстояниеД может быть определена, если известны значения паратактического угла и базы. В дальномерах одна из этих величин постоянна, а другая измеряется дальномером. Кроме того, база может быть расположена или у цели или у оператора. И дальномеры в зависимости от расположения базы называются с базой у цели или с базой в приборе.

В зависимости от измеряемой величины дальномеры могут быть с постоянном базой с переменным параллактическим углом или с переменной базой и с параллактическим утлом.

Дальномеры с постоянной базой у цели в качестве базы используют или размер цели или специально создаваемую базу в виде рейки.

Параллактический угол измеряется различными способами:

• c помощью дальномерной сетки, установленном в плоскости действительного изображения. Расстояние между штрихами сетки при этом оценивается в тысячных дистанции, а дистанция определяется по формуле:

,

где α - угол под которым наблюдаем цель в т. д., В - размер цели.

Рис. 4.3.5.2-2

Такие дальномеры применяются, в основном, в наблюдательных приборах и служат для измерения дистанции с небольшой точностью, ошибка при этом не менее 10%.

• путем раздвоения изображения до совмещения его противоположных концов, расстояние между которыми равно базе.

Раздвоение производится с помощью оптических микрометров, установленных в оптическую систему наблюдательных и измерительных приборов.

Микрометры могут состоять из линзового компенсатора со шкалой или из двух разрезных линз, которые размещаются в окуляре между глазной линзой и коллективом. В этом случае поле зрения будет разделено на две половины, которые могут смещаться одна относительно второй при помощи микрометра.

Если клиновой компенсатор поместим в параллельном пучке лучей и перекроем им часть пучка попадающего в прибор, то в поле зрения получим два изображения, сдвинутых одно относительно углу другого на величину пропорциональную отклонении пучка лучей компенсатором.

Рис. 4.3.5.2-3

Такие дальномерные устройства применяются в тех случаях, когда цель подвижна. Так в условиях качки изображение постоянно перемещается в поле зрения и измерение ее углового размера с помощью угломерной сетки затруднительно. При раздвоении изображения указанными путями обе половины изображения будут перемещаться на одинаковую величину и совмещение их противоположных концов не представляет затруднения. Широко применяются в морских приборах, в частности, в перископах подводных лодок.

• с помощью обрамления изображения цели кольцом сетки, диаметр которого может изменяться в зависимости от величины изображения.

Такое устройство применяется в коллиматорных визирах. Сетка коллиматора в этом случае представляет из себя ряд светящихся точек, расположенных по окружности, диаметр которой может изменяться.

Рис. 4.3.5.2-4

Такую сетку можно сделать, применив два диска с прорезями, в одном расположенными по радиусу, а в другом по логарифмическим кривым. При наложении дисков друг на друга получаем просветы в виде ромбиков и расположенных по окружности.

При вращении одного из дисков диаметр окружности, на которой расположены ромбики, изменяется и может обрамлять изображение цели. Таким образом, мы можем, вращая один из дисков, устанавливать известную нам базу на цели, а вращая второй диск и тем самые обрамляя изображение цели, определяем параллактический угол цели.

Если криволинейные прорези делать по закону r = r_oe^αφ, здесь α и r - поcтоянные величины, а φ - угол поворота диска, то диаметр кольца Д будет определяться выражением

Д = 2 r_o или lg Д = ln 2r_o + α φ.

Такие дальномерные устройства применяются широко в авиационных стрелковых прицелах, где цель может занимать различные положения.

Дальномеры с постоянным параллактическим углом и переменной базой у цели применяется в теодолитах и некоторых других приборах. Устройство этих дальномеров было рассмотрено при изучении теодолита. Точность такого дальномера довольно высокая, но она снижается ввиду одновременного отсчета по двум штрихам при обычном их совмещении.

Примером дальномера с постоянным параллактическим углом и переменной базой на цели могут быть дальномерные насадки геодезических инструментов, в которых исключается недостатки нитяного дальномера.

Если перед объективом трубы теодолита поместим две телескопические системы, каждая из которых будет перекрывать половину зрачка входа и сдвинуть их на некоторое расстояние от оси, то в поле зрения получим два изображения пространства, сдвинутых друг относительно друга на некоторое расстояние.

Рис. 4.3.5.2-5

Если в точке цели поместить рейку, то увидим два изображения рейки, также сдвинутые относительно друг друга. Величина сдвига будет равна базе нашего дальномера. А если телескопические системы насадки сделать разного увеличения, то для считывания долей делений можно применить нониус.

В дальномерной насадке ДН-10 применена оптическая система,

(положительной и отрицательной) состоящая из двух пар полу линз, каждая из которых сделана на одной линзы. Разноименные линзы склеены по торцу и расположена одна позади другой так, что каждая пара разноименных полу линз составляет афокальную (телескопическую) систему и увеличение

этих систем равно, соответственно: и . Отношение увеличении будет равно 90/89.

Чтобы получить постоянным параллактический угол ε необходимо сдвинуть каждую склейку линз от оси на величину Δ, равную

,

где φ₁ и φ₂ - оптические силы полу линз, или

ε" = Δ(φ₁ + φ₂) ρ".

Рейка для такого дальномера делается из материала с малым коэффициентом расширения. На рейке с одной стороны нанесены деления, а с другой - нониус, притом деления рейки и нониуса сделаны одни на белом, а другие на черном фоне. При этом длина нониуса связана о увеличением компенсатора следующей формулой:

,

где l_n - длина нониуса, Г = 90/89 - увеличение, п - число делении нониуса, а -длина одного деления шкалы рейки.

Рис. 4.3.5.2-6

Для измерения расстояния таким дальномером необходимо навести трубу на рейку так, чтобы горизонтальная нить сетки располагалась около нулевого штриха нониуса верхнего изображения рейки. Затем поворачиваем трубу в вертикальной плоскости тех пор, пока один из ближайших штрихов нониуса не совместится со штрихом шкалы рейки. Считывание производится по шкале рейки - целые деления, по шкале нониуса - десятые части делений, а положение горизонтальной нити сетки покажет сотые и тысячные доли деления, которые считываются со шкалы нониуса. При этом тысячные доли считываются на глаз. Отсчет по рейке на рис. 4.3.5.2-6 равен 10,356.

Дальномеры с базой в приборе применяются двух типов.

Первые, с постоянной базой и переменным параллактическим углом, применяются широко в военном деле и фотоаппаратах.

Вторые, с постоянным параллактическим углом и переменной базой, применяются, в основной, в геодезии.

По использованию свойств нашего зрения дальномеры подразделяются на монокулярные и бинокулярные.

В первых, используется свойство глаза разрешать (различать) два изображения при их наложении или нониальном совмещении, что в угловой мере равно 60" и10", соответственно.

В бинокулярных дальномерах используется стереоскопический эффект, получаемый при бинокулярном зрении.

Точность этого типа дальномеров зависит от величины инструментальных погрешностей и чувствительности нашего глаза.

Для уменьшения инструментальных погрешностей в дальномерах предусматривают выверки (по высоте и по дальности), а также уменьшают влияние инструментальных ошибок путям применения малорасстраивающихся схем.

Ошибка (погрешность), которая обусловлена чувствительностью

глаза принято называть "теоретической ошибкой" дальномера, и она в угловой мере равна ψ"/Γ . В линейной мере она выражается

,

где Д - измеряемая дистанция, В - база дальномера, ψ" - разрешающая способность глаза, ρ" - коэффициент перевода угловых величин в радианы.

Рассмотрим схему простейшего фотодальномера. База дальномера образуется отражательными элементами (зеркалами, призмами)

Рис. 4.3.5.2-7

Одно зеркало полупрозрачное и с помощью его совмещаются два изображения объекта, полученных за счет информации, которую несут А и Б, входящие в прибор с разных направлений и образующих параллактический угол. Второе зеркало может поворачиваться вокруг оси, расположенной перпендикулярно плоскости измерительного треугольника, тем самым производиться измерение параллактического угла и, соответственно, дистанции. С подвижным зеркалом связывается дальномерная шкала или отсчетное устройство (при неподвижной шкале). Изображение рассматривается в оптическую телескопическую систему. Здесь используется разрешающая сила глаза равная 60", поэтому дальномер имеет невысокую точность.

Как видно, схема дальномера несимметричная и расстояния от объекта до глаза, проходящее лучами пучков А и В, различны. По этой причине увеличения левой и правой половин дальномера будут различим. Это может вызывать дополнительные погрешности, если совмещение изображений делать вне центра поля зрения.

Для повышения точности такого дальномера используют нониальную чувствительность глаза равную 10" и схему дальномера делают симметричной. В этом случае база дальномера образуется двумя отражательными элементами, имеющими четное число отражений, что исключает ошибки при их развороте в плоскости измерительного треугольника.

Рис. 4.3.5.2-8

За отражателями по ходу лучей устанавливаются две телескопические системы, которые имеют общий окуляр, пучки света в который направляются отражательной системой, расположенной между объективами. Эта отражательная система одновременно делит поле зрения на две части. Одна часть от правой половины дальномера, другая от левой. В поле зрения дальномера получаем две части изображения объекта, расположенных разных частях поля зрения. Если объект находится на конечном расстоянии, то эта части изображения будут разведены в поле зрения вдоль линии раздела полем правой и левой частом дальномера. Измерение параллактического угла и дистанции до объекта производится путем совмещения частей изображения в одно с помощью компенсатора, установленного в одной из ветвей дальномера и связанного с дальномерной шкалой.

Для выверки дальномера по дальности в оптическую систему одной из ветвей устанавливается второй компенсатор в виде одиночного вращающегося клина. Выверка по высоте, заключающаяся в том, что поля зрения обоих ветвям должны быть точно совмещаться на линии раздела полей и производится путем наклона обоих телескопических систем в плоскости, проходящей через оси объективов и расположенной перпендикулярно плоскости измерительного треугольника,

Дальномеры такого типа могут иметь две разновидности "инверт" и "коинциденц". В первом, оборачивание изображения ветвей оптической системы различно в вертикальном плоскости, во втором - одинаковое.

Обязательным условием построения оптической системы такого дальномера является равенство увеличений обоих ветвей.

К недостаткам этой схемы следует отнести ее расстраиваемость вследствие смещения отдельных ее элементов в результате механических и температурных воздействий. Для устранения этого недостатка необходимо, чтобы пространственные передаточные коэффициенты элементов оптической системы были равны нулю или приращение передаточных функций ветвей оптической схемы были бы равными.

Для построения нерастраивающейся схемы применяют оба эти принципа. Первый используется при построении концевых отражателей, второй - при построении остальной системы.

Примером такой системы может служить оптическая схема дальномера ДСП-30, которая похожа на схему фотодальномера, но она является нерасстраивающейся и при работе глаза используется его нониальная чувствительность. Оптическая система ДСП-30 состоит из двух отражателей, с помощью которых образуется база дальномера. Эти отражатели посылают пучок света в верхнюю половину объектива, который является общим для обеих ветвей дальномера. Во вторую половину дальномера входит пучок света, идущий непосредственно от объекта. В плоскости действительного изображения установлена бипризма, которая разделяет эти пучки образует линию раздела полем зрения, образуемых половинами объектива. В системе применена линзовая оборачивающая система, позволяющая установить апертурную диафрагму между линзами, что обеспечивает разделение поля зрения бипризмой. В одной из ветвей дальномера установлен компенсатор.

Таким образом, в той части схемы, где пучки света, несущие информацию об объекте, проходят раздельно установленные элементы, пространственный передаточный коэффициент которых равен нулю. В остальной части схемы пучки света проходят одни и тоже элементы, при перемещении которых оба изображения будут смещаться на одинаковую величину, т.е. приращения передаточных функций будут равными.

Недостатками монокулярных дальномеров являются:

• работа одним глазом повышает утомляемость оператора,
• объект должен иметь четкую образующую, расположенную перпендикулярно линии раздела полем, в противном случае будет снижаться точность измерения,
• затруднена работа по подвижной цели.

Достоинством их по сравнению со стереоскопическими являются простота устройства, не требуется продолжительной тренировки оператора и может работать любой оператор с нормальным зрением.

В бинокулярных (стереоскопических) дальномерах используется способность нашего бинокулярного зрения сравнивать два параллактических угла, т.е. различать разноудаленые предметы. Это свойство называется стереоскопическим видением, а дальномеры ? стереоскопическими. Такие дальномера строятся всегда в базой внутри прибора и в отличие от монокулярного дальномера их оптическая схема представляет собой бинокуляр с большой пластичностью Все требования, предъявляемые к бинокулярному прибору, распространяются и на стереоскопический дальномер.

Схема дальномера состоит из двух одинаковых частей, в одной из которых установлено измерительное устройство - компенсатор. В фокальных плоскостях объективов установлены пластинки с марками, которые являются базовыми объектами и с положением которых в пространстве сравнивается положение объекта, до которого измеряется дистанция.

Рис. 4.3.5.2-9

Уравнивание параллактических углов на марку и цель производиться с помощью компенсатора. Наше зрение способно ощущать разность параллактических углов, если она не менее 10". Поэтому точность измерения дистанции стереоскопическим дальномером, при прочих равных условиях, равна точности монокулярного, использующего нониальную чувствительность глаза.

Приведенная схема является расстраивающейся, т.к. при смещении объектива или марки дальномер расстроится. Такие дальномеры требуют проведение частых выверок и поэтому выверочное устройство делается в самом дальномере (морские дальномеры типа ДМ). Для обеспечения нерасстраиваемости такого дальномера марки не устанавливают в фокальной плоскости объективов, а проектируют их в эту плоскость с помощью том же оптическом системы, которая проектирует и объект, до которого измеряется дистанция. Таким образом, получаем равенство передаточных функций для изображения цели и изображения марки в каждой ветви дальномера.

Для полной нерасстраиваемости такого дальномера еще необходимо стабилизировать положение марок относительно друг друга, т. к. в противном случае перемещение одной из марок внесет расстраиваемость в дальномер. Для этого марки устанавливают в специальный, так называемым биаксиальный коллиматор, с помощью которого получаем два световых пучка, несущих информацию о марках, угол между которыми остается всегда постоянным не зависимо от положения элементов оптической схемы коллиматора.

Рис. 4.3.5.2-10

Биаксиальный коллиматор состоит из двух объективов с одинаковыми фокусными расстояниями, в задних главных плоскостях которых установлены марки. Марки подсвечиваются источником света. Объективы располагаются на одном оси на расстоянии, равном их фокусному расстоянию, т. е. задняя главная плоскость каждого объектива совмещена с задней фокальном плоскостью другого При перемещении объективов в пространстве главные лучи пуков света , выходящие из объективов и несущие информацию о марках, всегда будут параллельны между собой.

Если такой коллиматор расположить перед входными окнами дальномера, то получим в плоскости изображения последнего изображения марок, положение которых может изменяться в поле зрения в зависимости от положения коллиматора, но перемещаться будут сразу обе марки на одинаковую величину и разность параллактических углов цели и марок не будет изменяться. Схема такого дальномера из бинокуляра, базу которого образуют два концевых отражателя.

Рис. 4.3.5.2-11

Перед отражателями бинокуляра установлены отражатели, которые направляют пучки, несущие информацию о марках, в бинокуляр, Эти отражатели имеют одну пластину полупрозрачную, сквозь которую может проходить пучок света, идущий от цели, а для уменьшения влияния изменения температуры основание такого отражателя делается из материала с малым коэффициентом температурного расширения. Иногда эти отражатели делаются полностью из кварцевого стекла. Между отражателями установлен биаксиальный коллиматор. Если коллиматор находится внутри трубы, то между его объективами устанавливают трубу с прозрачными торцевыми стенками, внутри которой или создают вакуум, или заполняют газом с малым температурным градиентом (обычно гелием).

Перед одним из окон дальномера устанавливается компенсатор для измерения параллактического угла и соответственно измерения дистанции.

В результате исследования стереоскопического зрения разных людей установлено, что каждый человек при сравнении двух параллактических углов вносит свою систематическую ошибку и эта ошибка у него постоянна. Такую ошибку принято называть личной ошибкой. Для ее устранения в ряде стереоскопических дальномеров применяется измерения с ортоскопическим стереоэффектом и псевдоскопическим. Среднее из этих измерений исключает личную ошибку, т.к. личная ошибка входит в измерения "орто" и "псевдо" с разным знаком.

Стереоскопические дальномеры могут быть как с компенсатором, так и без него. В последнем случае в поле зрения дальномера помещается ряд марок, каждая из которых наблюдается под определенным параллактическим углом и соответственно имитирует определенную дистанцию. Около каждой такой марки или с определенным интервалом указано значение дистанции, соответствующей данной марке. Такая шкала марок применяется в малых зенитных дальномерах.