Geodeziya_1_chastina_26-09-2011

421

приймача, який їх приймає і передає на вимірювальний пристрій.

Вимірювальний пристрій визначає час τ запізнення приходу на нього відбитих імпульсів відносно прямих. Визначивши час τ, за формулою (6.47) обчислюють довжину виміряної лінії. Ця формула є основною формулою часового методу.

Фазовий метод вимірювання вимагає того, щоб передавач віддалеміра безперервно випромінював уздовж лінії гармонічні коливання. Це група періодичних коливань, які описуються рівняннями

x A cos(2 f t 0 ) , або x A sin(2 f t 0 ),

де А – амплітуда гармонічного коливання, а аргумент косинуса або синуса – його поточна фаза, яка є лінійною функцією часу і визначає стан гармонічно змінюваної величини в момент часу t. Фаза вимірюється в кутових величинах. Величину φ0 називають початковою фазою. Її значення зумовлене вибором початку відліку часу. Фаза коливань пропорційна до частоти коливань. Частота f – це кількість циклів коливань, які здійснюються за одну секунду. Частота коливань є обернено пропорційною до періоду коливання: Т = 1/f. Період – це час, за який здійснюється один повний цикл коливання.

Коливання, які випромінює передавач, проходять вимірювану лінію, відбиваються, другий раз проходять лінію і приймаються приймачем. Коливання з приймача та частота коливань, що випромінює передавач, тобто прямі та відбиті коливання, й надходять на вимірювальний пристрій, роль якого у фазовому методі виконує фазометр. Він вимірює різницю фаз коливань, які потрапляють на нього.

Знайдемо залежність між виміряною різницею фаз та довжиною лінії S. Для цього запишемо рівняння фаз коливань, які надходять на фазометр у момент часу t. Фаза прямих коливань, які випромінює передавач.

422

n 2 f t 0 ,

де f – частота випромінювання коливань, або вимірювальна частота, а φ0 – їх початкова фаза. В цей же момент часу на фазометр ідуть коливання з приймача. Вони випромінювалися передавачем раніше на проміжок часу τ = 2S /v. Тому їх фаза

Як бачимо, різниця фаз пропорційна часу τ та вимірювальній частоті. Виразимо в (6.48) час τ через S з (6.47) і визначимо довжину вимірюваної лінії

Отриманий вираз називають основною формулою фазового методу.

Частотний метод може ґрунтуватися на двох різних принципах: один − на використанні частотно модульованих несучих коливань, а другий – ефекту Допплера.

В першому варіанті цього методу несучу частоту модулюють так, щоб вона змінювалась згідно з лінійним законом, тобто так, щоб була простою залежність між зміною частоти та часом, за який ця зміна відбулася. Половина періоду частоти модуляції несучих коливань Т/2 = 1/2f повинна бути більшою від часу проходження електромагнітними хвилями подвійної лінії у всьому радіусі дії віддалеміра, тобто Т/2 > 2Smax/v. Коливання, які два рази пройшли вимірювану лінію, приймач приймає і разом із частотою прямих коливань передає їх на вимірювальний пристрій (рис. 173). У вимірювальному пристрої визначають різницю частот прямих і відбитих коливань, тобто

∆f = fп – fв,

423

де fп – частота коливань, які випромінює передавач у момент часу t, а fв – частота коливань, які приймає приймач у цей же момент часу. Різниця частот залежить від довжини лінії або часу τ.

Вимірювана відстань визначається за формулою

Це основна формула частотного методу при модуляції несучих коливань за законом трикутника.

Варіант частотного методу з модульованими коливаннями застосовують у радіовисотомірах, а також у системах м’якої посадки космічних апаратів.

Другий варіант частотного методу базується на ефекті Допплера. Його використовують тільки в тих випадках, коли віддаль між передавачем і приймачем швидко змінюється. Він передбачає, що рухомий передавач безперервно випромінює електромагнітні коливання постійної частоти fп. Отже, при цьому методі не модулюють коливань, які випромінює передавач.

Нерухомий приймач на поверхні землі приймає ці коливання, оскільки віддаль між передавачем і приймачем швидко змінюється від частоти випромінюваних передавачем коливань. Ця зміна частоти є виявленням ефекту Допплера. Визначається за формулою

Різниця частот fд коливань, випромінюваних передавачем, і тих, які проходять до приймача, називають частотою Допплера. Цю різницю вимірює частотомір на наземній станції віддалеміра.

Схема допплерівського віддалемірного пристрою відрізняється від загальної схеми електронного віддалеміра. В ньому нема відбивача, а передавач і приймач розташовані на віддалі S: передавач може бути встановленим на літаку,

424

кораблі, або на супутнику, а приймач – на наземній станції (рис. 174). Слід зазначити, що допплерівський віддалемір може працювати також із відбивачем. Але в наш час частотний метод, який базується на ефекті Допплера, широко застосовують у супутникових системах, в яких відбивач відсутній.

Рис. 174. Схема допплерівського віддалемірного пристрою

18.2. Коротка характеристика світловіддалемірів

18.2.1. Характерні особливості віддалемірів першого покоління

При створенні світловіддалемірів першого покоління використовувалися пристрої, якими фізики визначали швидкість світла. Характерна особливість цих віддалемірів полягає в тому, що в них різницю фаз ∆φ визначали оптичними фазометрами на частоті модуляції світла, тобто на високій частоті. В перших світловіддалемірах, які виготовлялися за кордоном, різниця фаз визначалася парафазним способом. У перших віддалемірах, які виготовлялися в СРСР, застосовувався інший фазометр – компенсаційна комірка Керра.

Першим віддалеміром з компенсаційною коміркою був віддалемір СВВ 1, який виготовлявся серійно з 1953 р. Конструкція його була простою і вдалою. тому віддалемір

425

практично без змін використовувався більше десяти років. На основі цього віддалеміра в СРСР було сконструйовано декілька топографічних віддалемірів. З кінця 60-х рр. велись роботи над підвищенням точності та збільшенням радіуса дії світловіддалеміра СВВ 1, а також над автоматизацією процесу вимірювань та обчислень. Результатом цих робіт став світловіддалемір СГ 3, який є прототипом сучасних світловіддалемірів – напівавтоматів групи Г.

Віддалеміри першого покоління розвиваються, і їх конструюють до сьогодення. Вони найточніші з сучасних віддалемірів. Тільки віддалеміри першого покоління бувають двохвильовими, тобто в них реалізовано дисперсійний спосіб визначення швидкості несучих коливань.

Зазначимо, що віддалеміри першого покоління – це складні та дорогі вимірювальні прилади. Але їх високі вимірювальні якості компенсують ці недоліки.

Світловіддалемір СГ 3 мав такі характеристики:

радіус дії: вдень – 5…20 км, уночі – 0.5…30 км;

СКП віддалі − 4мм + 1·10 – 6 S;

маса комплекту – 160 кг.

Віддалемір ДСВД1200 сконструйований у лабораторії геодезичних вимірів Єреванського політехнічного інституту під керівництвом Р.А. Мовсесяна. Він призначений для виконання високоточних розмічувальних і монтажних робіт при будівництві спеціальних інженерних споруд, а також для спостережень за деформаціями, тобто він є віддалеміром групи П.

Технічна характеристика:

радіус дії – 0.5…250 м;

СКП результату вимірювань – 0.25 мм + 1 · 10 – 6 S;

маса комплекту – 30 кг.

В Національній фізичній лабораторії Великобританії з 1961 р. К.Д. Фрум і Р.Г. Бредзель працювали над створенням високоточного світловіддалеміра з компенсаційним

426

способом вимірювання різниці фаз. Було сконструйовано декілька прототипів цього віддалеміра. З 1973 р. швейцарська фірма Керн (Аарау) і британська фірма КОМ-РАД розпочали серійне виготовлення віддалеміра, названого Меккометром Ме 3000.

Це високоточний віддалемір, який можна віднести до групи П. Ним вимірюють лінії довжиною до 3 км з точністю 0.2 мм + 1·10 - 6S. Маса приладу 16 кг.

Новішою моделлю є Мекометр Ме 5000. Його виготовляє фірма Керн. Він істотно відрізняється від попередньої моделі. Джерелом світла в ньому служить гелій-неоновий лазер, який працює безперервно. Компенсаційна комірка Поккельса має тільки один кристал, який виконує функцію модулятора і демодулятора, як у ДВСД 1200. Перетворення світлового потоку, отриманого з компенсаційної комірки, у фотострум відбувається не у ФЕП, а у фотодіоді. Ці зміни дозволили збільшити радіус дії віддалеміра. Ним вимірюють лінії від 20 м до 8 км. Точність результату вимірювань – 0.2 мм + 0.2·10 - 6S. Маса прийомопередавача віддалеміра Ме 5000 – 11 кг.

Англійська фірма КОМ-РАД, починаючи з 1982 р., серійно виготовляє високоточні світловіддалеміри, які названо Геоменсорами. Вони розроблені на основі Меккометра Ме 3000, але принцип дії подібний до Меккометрів Ме 5000. Ці віддалеміри працюють в імпульсному режимі.

Геоменсори СR 204 вимірюють довжини ліній від 10 м до 5 км із точністю 01 мм + 0.5·10 - 6S. Вони складаються з прийомопередавача, відбивача, метеорологічних здавачів та допоміжного обладнання. Маса приладу – 26 кг.

Основною перешкодою на шляху підвищення точності вимірювання довжин ліній геодезичними світловіддалемірами є обмежена точність визначення швидкості несучих коливань за результатами метеорологічних спостережень, які виконують на кінцях ліній. Проведення метеорологіч-

427

них спостережень у декількох точках на шляху промінів між прийомопередавачем і відбивачем дає підвищення точності вимірювання ліній, але цей шлях дорогий і важкий з організаційної точки зору. Світловіддалеміри, в яких використано дисперсійний метод визначення середньоінтегрального показника заломлення повітря вздовж лінії за різницею оптичних шляхів різного кольору, що проходять цю лінію, називають двохвильовими. Для цих віддалемірів потрібні джерела світла, випромінювання яких мають дві або три різні довжини хвиль.

Двохвильові світловіддалеміри за радіусом дії та точністю можна віднести до віддалемірів групи геодезичних.

Перший двохвильовий світловіддалемір Геогран 1 був сконструйований 1975 р. у Національній фізичній лабораторії Англії. Він працює на п’яти вимірювальних частотах, вимірює лінії до 20 км із точністю 3·10 - 7S.

Новішою моделлю є Геогран 2. Радіус дії віддалеміра до 50 км, маса – 25 кг.

Двохвильовий віддалемір, названий Терраметром LDМ 2, виготовляє фірма Терра технолоджі (США). Його радіус дії від 0.5 до 20 км, точність вимірювання - 1·10 - 7S. Маса комплекту − приблизно 175 кг.

Отже, світловіддалеміри першого покоління, хоч історично виникли першими, але ще і тепер широко використовуються. Вони − найточніші сучасні віддалеміри. Процес вимірювань і обчислень у них суттєво автоматизований. Віддалеміри першого покоління використовують тільки для високоточних інженерно-геодезичних робіт та для створення державних мереж. Вони не є приладами широкого вжитку як, наприклад, топографічні віддалеміри, тому їх виготовляють тільки невеликими партіями.

428

18.2.2. Характерні особливості світловіддалемірів другого покоління

Урезультаті використання електроніки у світловідалемірній техніці появилися віддалеміри другого покоління. Суттєвими удосконаленнями, які тут введені, є зниження частоти коливань перед вимірюваннями різниці фаз і застосування електронних фазометрів замість оптичних. З точки зору фазового методу основною цінністю цього способу зниження частоти є те, що при ньому зберігається різниця фаз коливань.

Уцих віддалемірах світло моделюють тільки за інтенсивністю. Фотоелектронний помножувач служить у них перетворювачем відбитого світлового потоку у фотострум

ісигнальним змішувачем. Різницю фаз визначають приладово. Багатозначність виключають тільки багатоступеневим способом із посереднім визначенням фазових домірів.

Джерела світла в них можуть бути різні. Тому і радіус дії віддалемірів другого покоління теж різний. Віддалеміри другого покоління бувають як топографічними так і геодезичними. Прецензійних віддалемірів цього покоління нема.

До позитивних властивостей віддалемірів другого покоління слід віднести їх високу завадостійкість. Але, незважаючи на це, вони стають безперспективними, бо процес вимірювань у них автоматизувати не вдається.

Першим топографічним віддалеміром другого покоління, який виготовлявся серійно, був віддалемір ЕОК 2000 німецької фірми «Карл Цейсс» (Йена). Він послужив зразком для виготовлення інших топографічних віддалемірів. При сприятливих умовах віддалеміром можна вимірювати лінії до 2.5 км.

До геодезичних віддалемірів другого покоління належить Гранат. Він появився в результаті модернізації співробітниками ЦНДІГАіК у Москві світловіддалеміра Кварц. Світловіддалемір Гранат випускають невеликими партіями

429

з 1983 р. Радіус дії приладу від 0.1 до 20 км. СКП результату вимірювання 5 мм + 1·10 - 6S. Маса комплекту 140 кг, приладу – 13 кг.

На початку 50-х років ХХ століття почали займатися розробкою світловіддалемірів, в яких різниця фаз вимірюється аналоговим фазометром на низькій частоті. Перший прототип такого віддалеміра створив А. Б’єрхаммер (Швеція). Але серійний випуск віддалемірів другого покоління першою розпочала німецька фірма VЕВ «Карл Цейсс» (Йена) віддалеміром ЕОS в 1965 р. Шведська фірма АGА Geotronics почала виготовляти такі віддалеміри в 1967 р.

Першим віддалеміром другого покоління цієї фірми була шоста модель Геодиметра. В ньому вперше застосовано коаксіальну приймально-передавальну оптичну систему.

У перших віддалемірах цієї моделі джерелом світла була лампа розжарювання. Тому вони вимірювали лінії довжиною тільки до 3 км удень, а вночі – до 15 км. Для збільшення приблизно в два рази радіуса дії віддалеміра в ньому пізніше застосували ртутні лампи. Від 1975 р. у цьому віддалемірі джерелом світла став газовий лазер, що ще збільшило його радіус дії до 25 км удень і вночі. Точність вимірів залежить від кількості виконаних прийомів або часу проведення вимірювань. Якщо вимірювання проводити 1 хв, то отримаємо точність 10 мм + 1·10 - 6S, 3 хв – 5 мм + 1·10 - 6S, 30 хв – 1 мм + 1·10 - 6S.

Від 1977 року фірма виготовляє віддалемір Геодиметр 600, в якому використано для модуляції світла комірку Поккельса замість комірки Керра. Завдяки цьому радіус дії віддалеміра зріс до 40 км. Всі інші характеристики залишились такими, як у попередньому варіанті віддалеміра.

Восьма модель Геодиметра одержала визнання у всьому світі. Його використовують при створенні геодезичних мереж і на геодинамічних полігонах. Радіус дії віддалеміра

430

− від 15 м до 60 км. Точність результату вимірювання – 5

мм + 1·10 - 6S.

18.2.3. Характерні особливості світловіддалемірів третього покоління

Основною ознакою приналежності світловіддалеміра до третього покоління є застосування цифрового фазометра для вимірювання різниці фаз. Фазові вимірювання тут, як і у віддалемірів другого покоління, виконують на низькій частоті.

Перші віддалеміри третього покоління відрізнялись від віддалемірів другого покоління тільки тим, що в них аналоговий фазометр був замінений цифровим і були введені найпростіші елементи автоматизації.

У віддалемірах зараз використовують тільки інтегруючі фазометри.

До світловіддалемірів третього покоління належить 2СМ2. Це світловіддалемір-напівавтомат. Його комплект складають прийомопередавач, два призмові відбивачі, електронний блок, зарядний пристрій із блоком живлення, метеорологічні прилади, допоміжне й запасне обладнання. Радіус дії – від 2 до 2000 м. СКП вимірювання лінії одним прийомом − 2 см. Маса комплекту − 70 кг.

На основі віддалеміра 2СМ2 сконструйовано прецизійний віддалемір третього покоління, який виготовлявся невеликими партіями з 1978 р. Перші віддалеміри мали марку ДК 001, а пізніші – СП 03. Радіус його дії – від 0.5 до 500 м. СКП результату вимірювання одним прийомом складав 0.8 мм + 1.5·10 - 6S. Маса комплекту − 24 кг.

Світловіддалемір СТ 5 називають теж «Блєск», або 3СМ2. Радіус дії – від 0.2 до 5000 м. СКП результату вимірювання одним прийомом − 10 мм + 5·10 - 6S. Маса комплекту − 60 кг.