Рассмотренные способы прямого и косвенного измерения расстояний в настоящее время считаются трудоемкими, при этом затраты труда и времени намного возрастают при повышении требований к точности результатов. Большинство маркшейдерско-геодезических задач, связанных с измерениями расстояний, более эффективно решается с помощью светодальномеров.

5.2. СВЕТОДАЛЬНОМЕРЫ

Принцип работы светодальномеров базируется на измерении вре-

мени τ прохождения световым сигналом с постоянной скоростью отрезка линии (дальности) D (рис. 5.6). Над одной из точек линии установлен светодальномер, над второй – светоотражатель. Световые сигналы проходят расстояние 2D, поэтому

где υ = υ0 / n; здесь υ0 = 299 792 458 м/с – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; τ – время прохождения сигнала на расстоянии 2D; n – показатель преломления воздушной среды, зависящий от ее температуры, плотности и влажности.

а – измеряемое расстояние D; б – одиночный светоотражатель;

(1 – светодальномер; 2 – светоотражатель; 3 – набор световозвращающих призм; 4 – ориентирная трубка; 5 – луч оптического центрира)

Рисунок 5.6 – Схема измерения расстояния светодальномером

145

Светодальномер состоит из источника лазерного излучения, электронного блока управления параметрами светового потока, оптической системы формирования узко направленного светового пучка, оптической системы приема отраженного светового сигнала и электронного блока совместной обработки излученных и принятых световых сигналов по определению дальности. В призменных светоотражателях используются специальные триппельпризмы, которые возвращают отраженные световые лучи к светодальномеру. Каждый светодальномер оснащен штатным аккумулятором.

Различают светодальномеры импульсные и фазовые.

В импульсных светодальномерах свет излучается кратковременными импульсами, а время прохождения расстояния 2D определяется приемным блоком светодальномера. Для этого часть энергии излученного светового импульса преобразуется в электроимпульс, который поступает в приемник в качестве опорного сигнала и запускает электронный счетчик импульсов. Счетчик фиксирует число N импулсов за время τ прохождения световым лучом расстояния 2D, а дальность D вычисляется по формуле

где f – частота следования импульсов, Гц.

Точность импульсных светодальномеров характеризуется метрами и долями метра.

Вгеодезии применяются более точные – фазовые светодальномеры.

Вних лазерное излучение модулируется по амплитуде или по интенсивности или изменением частоты модуляции гармоническим управляющим сигналом с частотой f . Например на рис 5.7, а приведен график изменения интенсивности светового потока J = J0 + JAcos fτ , где J0 – средний уровень интенсивности; JA – амплитуда колебаний переменной составляющей интенсивности; τ – текущее время от начала циклических периодов колебаний (ω = 2π f ). При частоте модуляции f в Герцах длина волны

146

а – синусоидальная модуляция интенсивности J света; б – измерение разности фаз; 1 – фазы сигналов: опорного (φА) и отраженного (φВ); 2 – излученная волна;

3 – отраженная волна; 4 – светоотражатель

Рисунок 5.7 – Схема модуляции и измерения модулированного лазерного луча

После возвращения от отражателя 4 (см. рис. 5.7, б) модулированный световой поток в приемной части светодальномера преобразуется во вторичный электрический сигнал той же частоты. Последний подается на фазоизмерительное устройство, которое принимает и опорный управляющий гармонический сигнал и в котором измеряется разность фаз ∆φ = φА – φВ этих сигналов. Разности фаз ∆φ соответствует линейная величина домера ∆λ, т.е. дробная часть длины волны λ. Поскольку справедливо соотношение ∆λ / λ = ∆φ°/ 360°, то домер

Между точками А и В (рис. 5.7, б) модулированный световой поток проходит расстояние 2D = λN + ∆λ, где N – число целых волн, тогда определяемая дальность

Число N целых волн (число полных фазовых циклов ∆φ° = 360° или полных периодов гармонических колебаний), соответствующих основной частоте модуляции f, определяется в светодальномере автоматически за счет определения дальности при плавном изменении основной частоты

147

или на нескольких дополнительных частотах модуляции f1 , f2 , f3 и совместного решения соответствующих уравнений вида (5.15). На дисплее светодальномера высвечивается результат измерения – дальность D.

В светодальномерах учитывается скорость света, отвечающая Международным стандартным условиям метеорологической среды (температура tс = 15°С, давление Рс = 101080 Па или 760 мм рт. столба, влажность

ес = 0).

В длину измеренной линии вводят поправки на ее наклон, а также поправки за счет отклонений температуры, давления и влажности воздушной среды от стандартных показателей.

Точность измерения дальностей зависит от основной частоты мо-

дуляции, точности фазоизмерительного устройства (0,2 – 0,6°), ряда приборных факторов, величины дальности и изменения метеорологических условий. Рассчитаем погрешность mD определения коротких дальностей (D < 200 м) светодальномером с основной частотой f = 150 МГц при учете только одной погрешности фазоизмерителя – погрешности измерения фазы mφ = 0,5°. На основе формулы (5,15) получаем

Здесь согласно формуле (5.13) λ ≈ 2 м ≈ 2000 мм, тогда mD ≈ 1,4 мм. С увеличением дальности возрастают отрицательные влияния непостоянства метеорологических факторов на точность измерений. Для введения соответствующих метеопоправок измеряют давление, температуру и влажность воздуха вблизи прибора. При длине линии свыше 2-х км метеоданные определяют на обоих ее концах. Величина метеопоправки может составлять 1/50 000 – 1/60 000 от дальности. В автоматизированных светодальномерах учет метеопоправки заложен в программу вычислений по аргументам фактической температуры, давления и влажности воздушной

среды.

148

В обобщенном виде средняя квадратическая погрешность mD (в мм) измерения светодальномером дальностей D (в км) определяется формулой

где δ1 и δ2 – погрешности постоянная и зависящая от расстояния Наиболее эффективно в маркшейдерско-геодезических работах ис-

пользуются светодальномеры, входящие составной частью в электронный тахеометр – угломерно-дальномерный прибор универсального назначения

(см. также § 7.4.).

Светоотражатели изготавливают в виде одного (см. рис. 5.6, б) или нескольких блоков (наборов) специальных призм (триппельпризм). Каждая такая призма отражает падающие на нее световые лучи в направлении, обратном и параллельном лучу, излученному светодальномером. Корпус светоотражателя закрепляют на штативе или на объекте, а призмы ориентируют на светодальномер по визиру с погрешностью, не большей 1°.

В специальных маркшейдерско-геодезических съемках при измерениях светодальномерами и лазерными рулетками ограниченных расстояний (D < 50–200 м) применяют малогабаритные светоотражатели в виде диска диаметром 10–15 мм. Его отражающая поверхность выполнена в виде мозаичного рельефа со свойствами световозвращения в сторону источника излучения. Светоотражающие диски наклеивают на поверхность объекта. Применяют также светоотражающие пленки.

Безотражательным называют светодальномер или режим измерений, при котором прибор может действовать без специального отражателя: расстояние определяется по лазерному лучу, отраженному от поверхности объекта.

Лазерные рулетки различных модификаций представляют малогабаритные лазерные светодальномеры, действующие в безотражательном режиме. Лазерные рулетки оснащены визирным устройством для наведения лазерного луча на точку объекта. Работают также со светоотражателя-

149

ми в виде призм или специальных пленок. Нажатием кнопки схема приводится в действие и на дисплее высвечивается результат – расстояние с точностью от 1,5 до 5 мм. В зависимости от конструкции лазерные рулетки действуют без светоотражателя при расстояниях до 300–200 м. Для фиксации на объекте определяемых точек при расстояниях от 20–30 до 200 м применяется мозаичный или же пленочный светоотражатель в виде диска диаметром около 10 мм, а так же матовая пластинка. Масса приборов составляет 0,4-0,5 кг. Аккумулятор встроенный. В различных приборах процессор обладает внутренней памятью на 20 − 2000 измерений (вычислений), а также различными встроенными функциями, позволяющими определять размеры объектов, площади, объемы и др.

Лазерные рулетки можно подключать к компьютеру и, используя специальную программу, выполнять обработку данных. Безотражательный дальномер (лазерная рулетка) модели DLE15 (рис. 5.8, б) измеряет расстояния до 150 м с погрешностью 2 мм. Прибор вычисляет площадь, объем, имеет другие функции и встроенную память. В комплект входит цилиндрический уровень и насадки для измерений из углов сооружений.

а б

3

2

1

6

1 – панель управления встроенным процессором; 2 – дисплей; 3 – зрительная труба; 4 – цилиндрический уровень; 5 – поверхность объекта; 6 – плоское основание (упор)

корпуса лазерной рулетки; D – измеряемая дальность

Рисунок 5.8 – Электронный тахеометр SET2220 (а) и лазерная рулетка (б)

Малогабаритная, легкая (315 г) лазерная рулетка Leicа DISTO litle

предназначена для измерения расстояний от 0,2 до 200 м с точностью

150