1 Краткие теоретические сведения
1. Атмосфера по своей природе является неоднородной средой, плотность которой меняется от точки к точке. Плотность атмосферы зависит главным образом от таких ее параметров, как температура, давление и влажность, а. также от состава газов ее составляющих. Неоднородность плотности атмосферы (воздуха) влияет на характер прохождения электромагнитных волн (ЭМВ) в ней, что проявляется в изменении направления и уменьшении скорости распространения ЭМВ. Кроме этого, скорость распространения ЭМВ в атмосфере (как и в любой другой среде) зависит от длины самой волны.
Изменение направления
и скорости распространения ЭМВ в
конкретной среде характеризуется
показателем преломления
среды. Так как плотность атмосферы
меняется от точки к точке, то точно также
меняется и показатель преломления, т.е.
он является функцией пространственных
координат
,
,
точки. Пространственное распределение
показателя преломления
атмосферы называется рефракционным
полем. Поскольку показатель преломления
в силу вышеназванных причин не является
постоянной величиной, то это и вызывает,
как отмечено выше, непрямолинейность
(искривление) пути распространения ЭМВ
и неравномерность (неодинаковую скорость)
ЭМВ.
В геодезии с указанным явлением приходится сталкиваться в двух случаях.
Первый случай - это рефракция атмосферы, т.е. изменение показателя преломления слоев воздуха на пути следования оптического луча. В этом случае сигнал распространяется не по прямой линии, а по пространственной кривой. Проекция пространственной кривой на вертикальную плоскость называется кривой вертикальной рефракции, а на горизонтальную плоскость – кривой горизонтальной рефракции.
Второй случай - это изменение времени прохождения ЭМВ между двумя точками, между которыми измеряется расстояние, т.е. между излучателем и отражателем (задержка распространения сигнала).
Вследствие указанных эффектов данное явление требует учета его влияния при выполнении геодезических работ. При выполнении оптических измерений таких, как измерение горизонтальных и вертикальных углов и направлений, либо измерение превышений между точками местности, требуется учет вертикальной и боковой рефракции. При выполнении работ по измерению расстояний между точками местности с использованием светодальномеров и радиодальномеров, необходимо знать степень замедления скорости электромагнитных волн, чтобы учесть потом это замедление в виде поправки в измеренное значение длины линии.
2. В основе способа
определения расстояний
между двумя точками с использованием
свето- или радиодальномеров лежит
формула
, (1)
где
- скорость распространения электромагнитных
волн в среде,
- время прохождения светового сигнала
от излучателя до отражателя и обратно.
Скорость распространения электромагнитных волн в среде с показателем преломления определяется формулой
, (2)
где
-
скорость распространения электромагнитных
волн в вакууме (с=299792458 м/с).
Для волн
оптического диапазона
показатель преломления
является функцией 4-х параметров: длины
волны
,
температуры
,
давления
и
относительной
влажности
воздуха
,
вдоль пути прохождения волны, а для УКВ
волн показатель преломления является
функцией только 3-х параметров: температуры,
давления
и относительной
влажности
воздуха. И в том и в другом случаях
измеренные значения длин линий должны
исправляться поправкой из-за влияния
указанных факторов. Все вышесказанное
можно записать как
(3)
(4)
Поскольку воздушная среда на пути прохождения сигнала является неоднородной, то для точного учета влияния метеопараметров атмосферы на измеряемую длину линии значения метеопараметров должны определяться на всем пути следования сигнала. Однако сделать это абсолютно нереально. В крайнем случае, значения метеопараметров могут быть определены в нескольких наиболее характерных точках трассы сигнала. Но и такие определения могут выполняться лишь в редких случаях и только в научных, но не в практических целях. На практике метеопараметры определяются либо на конечных точках линии (на точках установки излучателя и отражателя), либо, как правило, только на одной точке - в месте установки излучателя (светодальномера или тахеометра). При этом определяются температура, давление и относительная влажность воздуха.
В связи с вышесказанным представляют интерес следующие вопросы.
В какой степени влияют параметры атмосферы на измеряемые значения длин линий?
Какой из параметров оказывает наибольшее влияние?
Всегда ли необходимо определять атмосферную поправку в длины линий или существуют работы, при которых атмосферной поправкой можно пренебречь?
На эти вопросы необходимо ответить в результате выполнения данной лабораторной работы.