MEKOMETRO

MEKOMETRO
FUNZIONAMENTO BASE
Il Mekometro è uno strumento di misura ottica delle distanze realizzato da una ditta svizzera
particolarmente adatto a monitorare da lontano i movimenti e le deformazioni delle dighe nelle
valli montane. Ha una distanza massima di 3 km ed una risoluzione del millimetro.
La sua struttura è tale da superare gli inconvenienti delle misurazioni tradizionali: utilizza un
misuratore di ampiezza anziché di fase e consente una perfetta calibrazione dell'indice di
rifrazione dell'aria il quale dipende fortemente da parametri ambientali come temperatura,
umidità, pulviscolo ecc.
Inoltre non necessita di una luce coerente proveniente da un laser, bensì di una luce bianca da
una lampada allo xenon. In figura viene illustrato lo schema a blocchi.
La luce emessa dalla lampada allo Xenon viene polarizzata verticalmente. Attraversando il
cristallo (1) la luce subisce una modulazione di polarizzazione rotante in senso anti-orario. In
uscita il vettore di polarizzazione ruota con velocità angolare data dalla pulsazione wm della
radiofrequenza in ingresso al cristallo.
Nel punto (2) la luce viene spedita al target distante. Facendo una fotografia si vede che in aria
il vettore di polarizzazione descrive una spirale come nella figura seguente.
Il passo della spirale è la lunghezza d'onda della luce lm corrispondente alla pulsazione wm.
Al ritorno la luce attraversa una gabbia di specchi aperta alla stessa atmosfera. Con la gabbia è
possibile aggiungere un certo percorso ottico ruotando una manovella. Successivamente la luce
ritorna nel cristallo dove il vettore di polarizzazione subisce una contro-modulazione rotante in
senso orario, in fase con la prima, che annulla quella precedente.
Nel punto (3) il vettore di polarizzazione è quindi di nuovo fermo ma con un angolo diverso da
quello di partenza, come nella figura seguente.
Successivamente la luce passa attraverso un
filtro polarizzatore orizzontale, per cui al fotomoltiplicatore (misuratore di ampiezza) arriva
la componente orizzontale (4) dell'onda di
ritorno. La misura di ampiezza fornisce
risultato nullo se l'onda di ritorno ha la
polarizzazione verticale come quella di
partenza. In questo caso vuol dire che l'intero
percorso, quello fatto in aria più quello nella
gabbia degli specchi, è multiplo intero della
lunghezza d'onda lm.
La misura si effettua aumentando il cammino ottico della gabbia degli specchi (si gira una
manovella) fino a riportare il vettore (3) in posizione verticale. In queste condizioni il fotomoltiplicatore fornisce segnale nullo. La misura dell'aumento del cammino ottico, rilevata sulla
scala graduata, è in pratica il resto della divisione della lunghezza da misurare 2L diviso lm.
Come nel Phase-Shift la misura si ottiene utilizzando una serie di valori di wm con lunghezze
d'onda pari a 10 Km, 1 Km, 100 m, 10 m, 1 m, ecc.
CORREZIONI
In realtà esistono due problemi che rovinerebbero l'accuratezza della misura: la non perfetta
conoscenza dell'indice di rifrazione dell'aria e la corrente di buio del misuratore di ampiezza.
Corrente di buio
Come tutti i misuratori ottici di ampiezza, anche il fotomoltiplicatore possiede una corrente di
buio. Vuol dire che il misuratore fornisce una misura molto accurata per delle potenze ottiche
che provocano una foto-corrente molto maggiore della corrente di buio. La condizione di zero,
che serve a verificare la verticalità della polarizzazione della luce di ritorno, ha quindi una
accuratezza molto scarsa.
Per questa ragione, anziché la pulsazione wm , si utilizzano alternativamente due pulsazioni
simmetriche wm+Dwm e wm-Dwm i cui vettori di polarizzazione arrivano simmetrici rispetto a
quello di wm , come illustra la figura seguente a sinistra.
Operando come prima con lo scopo di rendere verticale il vettore di polarizzazione per wm , i
valori misurati per le due pulsazioni sono uguali e ben diversi da zero. Per cui la condizione di
verticalità si rileva quando la differenza tra i due valori è 0. Tale differenza viene monitorata sui
due misuratori ad ago mobile che forniscono separatamente somma e differenza dei due valori.
Indice di rifrazione dell'aria
Come abbiamo visto l'unità di misura per la valutazione della distanza 2L è in pratica la
lunghezza d'onda lm.
Il segnale a radiofrequenza con pulsazione wm viene fatto passare attraverso un filtro selettivo a
cavità risonante composto da due placche metalliche distanti d. All'interno della cavità c'è la
stessa aria dell'esterno. Nella condizione di centraggio del filtro la distanza d deve essere
uguale a lm/2, perché all'interno della cavità si instaura un'onda stazionaria.
Se all'uscita del filtro il segnale è massimo al centro del filtro allora la corrispondente lm
coincide con il doppio di d come si vede dalla figura di seguito nei grafici neri.
Se cambia l'indice di rifrazione cambia anche il valore di lm corrispondente alla pulsazione wm.
Allora il filtro si sposta di conseguenza e si porta nella posizione in grigio, per cui all'uscita dal
filtro il segnale non è più il massimo in quanto la nuova lm è diversa da 2d.
Per ritrovare l'accordo bisogna spostare la pulsazione wm per ritrovare il massimo del segnale.
Ora in realtà non ho proprio la wm ma le due pulsazioni simmetriche wm+Dwm e wm-Dwm che,
come si vede dalla figura seguente, non sono al centro del filtro ma sui due lati opposti.
Centrare la wm in pratica equivale a fare in modo che entrambe le due pulsazioni in uscita dal
filtro abbiano lo stesso valore. Questo si vede con l'ausilio del misuratore di differenza dei
segnali. Quindi spostando in maniera rigida le due pulsazioni simmetriche riesco a centrare la
radiofrequenza wm e compensare quindi gli effetti della variazione dell'indice di rifrazione
dell'aria.