Il seguente lavoro di tesi si propone di indagare un settore in enorme sviluppo negli ultimi decenni. Questo settore è quello che comprende gli strumenti elettronici di misura.

Prefazione

Il seguente lavoro di tesi si propone di indagare un settore in enorme sviluppo negli ultimi decenni. Questo settore è quello che comprende gli strumenti elettronici di misura.

In particolare ci siamo occupati degli strumenti di natura elettro-ottica che vengono impiegati comunemente nelle misure di distanze geometriche lineari.

Abbiamo cercato di fare chiarezza, di mettere ordine in questo settore considerando il grande numero di strumenti in commercio e le sostanziali differenze dipendenti dalla gamma di misura di cui si occupano ( alcuni sostituiscono i calibri, altri misurano distanze interplanetarie ).

Lo scopo del nostro lavoro è stato quello di individuare le metodologie di funzionamento, analizzarle nel dettaglio, valutare, per ognuna, il tipo di misura a cui risultano adatte, le probabilità e l’entità dell’errore, i fattori limitanti, i problemi e come si affrontano.

Durante l’esposizione, abbiamo osservato alcuni tra gli strumenti più importanti e abbiamo spiegato come questi sfruttano una determinata metodologia e come, in pratica, funzionano.

Abbiamo individuato tre metodi principali che elenchiamo qui: il metodo del tempo di volo, la telemetria a modulazione di fascio e l’interferometria. L’ordine con cui sono elencati è quello che va dalla metodologia atta a misurare distanze maggiori a decrescere.

Nell’intero corso del lavoro non abbiamo perso di vista la storia di questi strumenti,

evidenziando come e perché l’ottica si è imposta in questo settore.

Indice

Prefazione………..pg. 3 Indice……….pg. 4 Introduzione………...pg. 6 Capitolo 1: La misura della distanza oggi e nel passato………...pg. 8 1.1 Misurare una distanza……….pg. 8 1.2 Caratteristiche principali di uno strumento………....pg. 9 1.3 Breve storia della misura della distanza………...pg. 13 1.4 Albori dell’ottica nelle misure di distanze………...pg. 14 1.5 Il XX secolo: nascita dell’elettro-ottica……….pg. 16 Capitolo 2: L’interferometria…...……….pg. 18 2.1 Le misure ottiche ai giorni nostri………pg. 18 2.2 I metodi per misurare la distanza………pg. 19 2.3 L’interferometro di Michelson.………...pg. 21 2.4 Limiti dell’interferometria…….………..pg. 24 2.5 L’interferometro eterodina…….……….pg. 27 2.6 Lo “Smart310”, un esempio di utilizzo dell’interferometro

eterodina……….………...pg. 30 2.7 Considerazioni finali sul concetto di interferometria e sulle

tecniche con cui esso è applicato…….………..pg. 33 Capitolo 3: La telemetria a modulazione di fascio……..………..pg. 36 3.1 I prismi riflettenti………..………..pg. 36 3.2 La telemetria a modulazione di fascio, il metodo della

differenza di fase ( phase shift )…………...………...pg. 37 3.3 Valutazione di n

, l’indice di rifrazione di gruppo dell’aria,

nelle misure a “phase shift”………...………pg. 40

3.4 Il problema della periodicità della fase………….………..pg. 42

3.5 Il problema dell’offset dovuto ai prismi……….pg. 46

3.6 Limiti della tecnica “phase shift”………...pg. 47

3.8 Analisi del mekometro………...pg. 53

3.9 Ulteriori caratteristiche del mekometro……….pg. 57

3.10 Altri strumenti funzionanti col metodo “phase shift”……..pg. 58

3.11 Un cenno alle stazioni totali……….pg. 59

3.12 Considerazioni finali sulla tecnica “phase shift”………….pg. 61

Capitolo 4: Il metodo del tempo di volo………..pg. 63

4.1 Il laser ad impulsi………..pg. 63

4.2 Funzionamento di uno strumento “pulse delay”…………...pg. 66

4.3 Misura con target non cooperativo………...pg. 68

4.4 Misura con target cooperativo………..pg. 71

4.5 Calcolo della distanza col “pulse delay”………..pg. 73

4.6 Problemi tipici di un “pulse delay”………..pg. 75

4.7 Valutazione della bontà di un “pulse delay”………pg. 78

4.8 Importanti applicazioni del metodo del tempo di volo……pg. 82

4.9 Altri usi del metodo del tempo di volo………pg. 85

4.10 Brevi considerazioni finali sul “pulse delay”………pg. 86

Capitolo 5: Conclusioni………..pg. 89

Ringraziamenti.………...pg. 91

Bibliografia….………pg. 92

Introduzione

Questa tesi tratta delle misure di distanze per via ottica.

Il nostro interesse è quello di individuare, catalogare e spiegare le metodologie elettro-ottiche di misura della distanza lineare geometrica e mostrarne le principali applicazioni, sia quelle nei settori di ricerca avanzati tecnologicamente e sia quelle che si trovano sul mercato per l’utente comune.

Nel primo capitolo abbiamo fornito le definizioni fondamentali per entrare nella materia. Siamo partiti dal concetto di misura e da quello di distanza per arrivare ad introdurre i parametri più importanti per poter valutare i miglioramenti di un misuratore di distanza ( ad es. l’errore, assoluto e relativo, o la risoluzione ).

In questo capitolo abbiamo anche tracciato un ex-cursus storico della misura della distanza dalla preistoria ad oggi, sottolineando l’arrivo dell’ottica in questo campo, dalle prime idee fino agli straordinari sviluppi odierni.

Dopo ( capitolo secondo ) è stata svolta una breve carrellata sulle metodologie tuttora in uso e ci siamo soffermati sulle tre più importanti. Nello stesso capitolo 2 abbiamo affrontato lo studio dell’interferometria ( una di codeste metodologie ) analizzando gli schemi base, gli strumenti storici e quelli moderni. Soprattutto, si è sottolineato il ridotto utilizzo dell’interferometria ( solo per distanze piccolissime ) nella misura delle distanze, ma il suo grande sviluppo in altri svariati campi.

Successivamente, capitoli 3 e 4, si sono affrontati i due metodi di misura della distanza principali: la telemetria a modulazione di fascio ( “ phase shift ” ) e il metodo del tempo di volo ( “ pulse delay ” ).

Queste metodologie si basano entrambi sull’invio di un raggio di luce e sul raffronto col segnale riflesso che ritorna allo strumento. La prima confronta la fase dei due segnali e dalla differenza di fase deduce la distanza, la seconda, invece, la ricava dal tempo intercorso tra il segnale ( l’impulso ) inviato e il suo ritorno.

Nel terzo capitolo abbiamo, appunto, visto la telemetria a modulazione di fascio, il

suo principio di funzionamento, gli schemi a blocchi più importanti, i limiti più

che influiscono maggiormente sull’errore, e sulle possibili soluzioni da adottare.

Le condizioni atmosferiche che influenzano l’indice di rifrazione sono uno degli ostacoli più grossi all’esattezza della misura, la loro influenza viene ampiamente trattata.

Abbiamo, poi, considerato diversi esempi di strumenti topografici che funzionano con tale metodologia. In particolar modo abbiamo dedicato molto spazio al Mekometro, uno strumento molto importante per storia e diffusione e molto significativo per il suo funzionamento.

Alla stessa maniera della telemetria a modulazione di fascio, è stato trattato, nel quarto capitolo, il metodo del tempo di volo. Sono stati mostrati gli schemi a blocchi, analizzati i principi di funzionamento ( con e senza prismi ), osservati limiti, problemi e le loro ripercussioni sull’errore nella misura.

Per ogni metodo abbiamo anche portato un buon numero di esempi di misura, particolarmente significativi per dimostrare l’enorme miglioria portata dall’ottica, in particolare da quella che sfrutta i laser, nel settore.

Abbiamo così valutato, raccontato le differenze e messo in ordine gli strumenti che

misurano le distanze per via elettro-ottica.