Широкое внедрение оптических квантовых геператоров в инженерно-геодезическую практику поставило перед исследователями задачу по изучению влияния условий внешней среды па распространение лазерного излучения в свободной атмосфере при высокоточных геодезических наблюдениях.
Известны различные приборы для регистрации угловых отклонений и угловых флуктуации оптического излучения. Наиболее удачным в конструктивном отношении является фотоэлектрический угломерный следящий прибор.

Такой фотоэлектрический угломерный следящий прибор содержит объектив и следящую оптико-электронную систему с исполнительным органом, выполненным в виде зеркала шлейфового гальванометра, расположенного между объективом и его фокальной плоскостью. Сфокусированный световой поток отражается от зеркала и попадает на фотоумножитель, перед которым расположена тридцатимикронная щель. На шлейф зеркального гальванометра от звукового генератора через суммирующее устройство (уравновешенный мост) подается напряжение несущей частоты /н.

Колебания зеркала совершаются в плоскости, перпендикулярной к щели. Напряжение с нагрузки ФЭУ через усилитель подается на вход фазочувствительного выпрямителя, куда также введено напряжение опорной частоты от звукового генератора.

При положении изображения источника света на середине щели в сигнале с ФЭУ отсутствует частота. В случае изменения угла прихода оптического излучения на входе в угломерную систему амплитуда составляющей сигнала с ФЭУ пропорциональна величине смещения изображения от середины щели, а фаза совпадает или сдвинута на 180° по отношению к фазе опорного напряжения в зависимости от направления рассогласования. Ток на выходе фазочувствительного выпрямителя, осуществляющий поворот зеркала гальванометра в направлении уменьшения рассогласования, пропорционален величине угла прихода оптического излучения.

Данная конструкция обладает высокой чувствительностью и позволяет автоматизировать процесс измерения угловых отклонений оптического излучения. Однако на результаты измерения существенное влияние оказывает фоновая засветка и в приборе к тому же использована сложная электронная аппаратура: зеркальный гальванометр, звуковой генератор, а частотные возможности конструкции ограничены выбором исполнительных органов.

Предложен метод измерения, схема автоматического оптико-электронного прибора для исследования угловых смещений и угловых флуктуации лазерного луча, используемого в качестве опорной визирной линии и создан макет.

Указанный прибор может быть использован также для изучения характера распространения в атмосфере не только лазерного излучения, но и излучения любого другого оптического источника света. Метод измерения основан на высокоточной регистрации при помощи фотоэлектрической системы угловых смещений кружка рассеяния от излучения лазера в фокальной плоскости объектива с записью результатов измерения самопишущим прибором.

При работе с прибором положение разделительной грани светоделительной призмы относительно фокальной плоскости объектива устанавливается с учетом ожидаемого диапазона угловых смещений оптического излучения с оптической оси прибора, чем достигается изменение диаметра кружка рассеяния в плоскости разделительного ребра светоделительной призмы.

Частота модуляции выбирается выше граничной частоты угловых флуктуации оптического излучения в приземных слоях атмосферы (500 Гц) из-за турбулентности последней. В качестве регистраторов для данного прибора могут быть использованы различные самопишущие приборы или шлейфовый осциллограф.

Вследствие незначительных по величине угловых смещений оптического луча в свободной атмосфере на расстояниях распространения луча до 100-200 м при работе с прибором грань светоделительной призмы можно расположить вблизи фокуса объектива и для обеспечения высокой чувствительности прибора применять усилители с большим коэффициентом усиления. Тогда рабочий угловой диапазон прибора будет определяться диапазоном работы регистратора. При этом можно использовать наиболее линейный участок угловой характеристики.

Лабораторные исследования прибора показали, что в угловом диапазоне 13,5″ угловая характеристика прибора линейна и ошибка из-за нелинейности не превышает 1,0″. Экспериментально полученная угловая характеристика автоматического прибора.

При размещении светоделительной грани призмы точно в фокальной плоскости объектива угловой диапазон работы прибора составлял 6,0″, а ошибка из-за нелинейности угловой характеристики не превышала 0,14″.

Средняя квадратическая ошибка при многократном наведении на точку в этом диапазоне составила 0,07. Погрешность в показаниях прибора возникает из-за нелинейности угловой характеристики, теплового дрейфа нуля прибора, ошибки снятия отсчета с диаграммной ленты регистратора. Экспериментально были получены величины для угловых диапазонов соответственно в 6 и 35.

При полевых исследованиях прибора осуществлялась запись медленных угловых смещений и угловых флуктуации излучения лазера в условиях сильно нагретой подстилающей поверхности на расстояниях 25, 50, 100 м при различной скорости движения ленты регистратора. Образец записи флуктуации луча. Это дало возможность получить теневые графики и с использованием метода оптической обработки информации определить вероятностные законы распределения амплитуд угловых флуктуации, энергетический частотный спектр флуктуации и медленные угловые смещения лазерного луча во времени в зависимости от температурных градиентов и метеоусловий.

Для выявления медленных угловых смещений луча на диаграммных лентах отмечается время наблюдений через интересующие интервалы времени (10 мин, 1 ч и т. д.).

По срединной части ленты проводят плавную кривую, характеризующую медленно протекающие во времени изменения углов прихода излучения. Через выбранные промежутки времени с плавной кривой диаграммной ленты снимают координаты интересующих точек и в соответствии с масштабом записи определяют величины угловых смещений луча.

Организация наблюдений за поведением в атмосфере оптического луча при синхронной регистрации с помощью термоградиентомера температурных градиентов, присутствующих в атмосфере, позволяет установить корреляционную связь между величиной температурного градиента и углом прихода оптического луча.

Графики медленных изменений углов прихода лазерного луча, распространяющегося над металлической направляющей в условиях открытой площадки, и показана взаимосвязь углов прихода с величиной температурного градиента при непрерывной регистрации процесса в течение целых суток.

Методику обработки результатов экспериментальных исследований по выявлению законов быстропротекающих во времени угловых флуктуации рассмотрим ниже.