Конспект лекцій Теоретичні основи створення світло і радіовіддалемірної техніки Передмова

За нинішнього високого рівня топографо – геодезичного виробництва, особлива роль відводиться високотехнологічним засобам вимірювань на натурі. Прикладом є віддалемірна техніка , яка за останні роки 20-го століття досягла вершин досконалості. Шлях до створення якісних геодезичних віддалемірів був довгій і складний . Накопичувалось багато напрацювань, але технічного вирішення було досягнуто тільки з відкриттям квантових генераторів світла та діода Ганна. З середини 60-х років 20-го століття розпочався стрімкий розвиток віддалемірної техніки. На сьогодні, лазерний віддалемір – це одне ціле з електронним тахеометром. Український споживач користується приладами фірм Nikon , Trimble , Sokkia ,Pentax , Leica та ін.… Їх продукція бездоганна та відома у всьому світі. Але прилади дуже дорогі і конкурентів, відносно цін, немає. Двохсекундний тахеометр SET 830 RK3 фірми Sokkia коштує 110тис. гривень, а фірм Trimble і Nikon Nivo5CDF 8750 доларів. Є на українському ринку прилади російсько-японського виробництва SOkkіл та застарілі моделі, що випускались ще в 80-х роках(СТ 5,СМ5 , 2СТ10, 2СМ2, ТА3). Через помірну ціну знайшли застосування в кадастрових зйомках лазерні рулетки серії Disto компанії Leica.

В посібнику подаються теоретичні основи створення віддалемірної техніки. Розглядаються напрямки, якими велися пошукові роботи. Характеризуються електромагнітні коливання, які потім знайшли застосування. В фазових методах окремо розглядаються на різних діапазонах несучі і масштабні частоти та їх джерела. Розглядається проблема неоднозначності,її вирішення, підвищення точності роботи фазометрів, зокрема через пониження масштабної частоти в схемі приладу. Наведені принципові схеми віддалемірів та їх основні компоненти, специфічні для всієї віддалемірної техніки.

Практичне застосування світловіддалеміра СТ5 розглядається на пунктах полігонометрії 1-го розряду. Для прикладу, опрацьовано виміряну лінію за вимогами до Державної геодезичної мережі. Приведено етапи опрацювання всього полігонометричного ходу, але без строгого вирівнювання.

На завершення розглянуто можливості застосування сучасних електронних, лазерних та супутникових приладів на геодезичних, топографічних та інженерно-вишукувальних роботах.

В посібнику використаний довідковий матеріал та матеріали актуальні і перевірені часом з підручника А.О. Геніке. В посібнику не розглядаються окремі прилади, інформація про які постійно йде від реклами. Якщо споживач визначиться з компанією виробником, серією та назвою приладу, він звертається за покупкою до комерційної фірми, яка надає послугу по безкоштовному навчанню роботі з приладом і його програмним забезпеченням.

Історія розвитку віддалемірної техніки

Віддалемірна техніка базується на визначенні часу розповсюдження електромагнітних хвиль. Треба було кілька століть, щоб різними фізичними методами досягти одиниці швидкості розповсюдження електромагнітних хвиль з похибкою Провідна роль в створенні перших в світі світло-і радіовіддалемірів належить вченим Л.І.Мандельштаму, Н.Д.Папалексі, О.О.Лебедєву з СРСР. В 30-х роках ними створений діючий світловіддалемір, що вимірював лінії до 3,5 км з помилкою 2-3 м. Війна з Німеччиною 1941-1945 рр. загальмувала розвиток віддалемірної техніки. Весь науковий потенціал був спрямований на військову техніку. Швидкими темпами розвивалась радіолокаційна техніка найрізноманітнішого застосування: на суші,на морі, в повітрі. За тисячу кілометрів контролювали рух повітряних об’єктів. Завдяки радіолокації в найнесприятливіших погодних умовах, в суцільній темряві йшли по морю кораблі, робили посадку літаки. Однак радіолокаційні технології хоча і мали багато спільного,та застосувати їх у віддалемірній техніці вимагало часу і науково – технічних рішень. На цей час зарубіжні науковці вже досягли значних успіхів. Досить назвати фірму «АГА Геотронікс», Швеція. В 1952р. тут був побудований світловіддалемір «Геодиметр», який поклав початок точним геодезичним вимірюванням високого технічного рівня. Ця конструкція одержала розвиток в Московському науково-дослідному інституті ЦНІІГАіК. Тут, в 1958 р., під керівництвом В.М.Назарова виготовлений свій геодиметр ЕОД-1, призначений для вимірювання базисних сторін в тріангуляції і в полігонометрії 1 класу. Недоліками приладу були: велика маса, значне споживання електроенергії, високі напруги живлення, робота в нічні години.

В середині 60-х років розробники віддалемірної техніки перейшли на лазерні джерела випромінювання. Це дозволило виконувати вимірювання не тільки в нічний час, але і вдень. Маса світловіддалемірів зменшилась до 15-20 кг, а споживання електроенергії - до 50 Вт, дальність дії збільшилась до 60 км. Кращими фірмами залишаються «Геотронікс», «Койфель і Ессер»-США, «Керн» - Швейцарія, «Теллурометр» - Великобританія.

Розробляються перші зразки портативних топографічних світловіддалемірів. Це стало можливим, коли застосували, як випромінювачі, оптичні квантові генератори з арсеніда галія – напівпровідникові лазери. Значні досягнення були у вітчизняних виробників. Появились такі марки світловіддалемірів: СМ-3, 2СМ-2, СМ-5, «Блєск» СТ-5. Вага приладів не перевищувала 5кг, споживання енергії – 5 Вт, дальність дії-від 0,5 до 5 км.

В середині 70-х років стало технічно можливим сконструювати надточні віддалеміри для прикладної геодезії. Їх похибка -0,1-0,8 мм. Дальність дії невелика - 200-2500 м. До цієї групи відносяться ДК 001, ДВСД-1200, Мекометр МЕ3000, Геоменсор CR 204.

Розвиток радіовіддалемірної техніки з 1933 р. був орієнтований на вимірювання великих віддалей. Для цього одну зі станцій розміщували на літаку. З 1941 року розпочались випробування вимірювача РИР (дальність до 100 км, точність ±10 м). До 70-х років вже мали радіогеодезичну систему УКХ діапазону РДС (дальність 400 км), а також ГРАС та «Прибой» (30-60 км). На геодезичних роботах застосовувались «Луч», «Волна», «Трап». Радіовіддалемір «Луч» працював в 3 см діапазоні. Його антену з прийомо-передавачем, за необхідності, могли піднімати на щоглі висотою до 25 метрів. Дальність збільшувалась до 100 км, долаючи кривизну Землі. Розвиток техніки продовжується. Наприклад, Глобальна Навігаційна Супутникова Система GPS успішно замінила радіовіддалеміри, а у світловіддалемірів розширились межі використання – це геодезичні лазерні відбивачеві віддалеміри та електронні тахеометри і безвідбивачеві лазерні віддалеміри та портативні електронні рулетки. Стримуючим фактором їх широкого застосування у виробництві – висока ціна, відсутність вітчизняного виробника.

Фізичні основи світло і радіовіддалемірних вимірювань

Прямі і посередні методи вимірювань

Геодезичні роботи супроводжуються кутовими і лінійними вимірюваннями. Прикладом лінійних вимірювань, в прямому розумінні, є вимірювання ліній стальною стрічкою або рулеткою в теодолітному ході. Результат одержують безпосередньо, а тому їх називають прямими. Прикладом посередніх вимірювань є мережі тріангуляції. В них, за допомогою теодоліта, вимірюються кути трикутників. Маючи в мережі, принаймні, хоча б одну сторону з прямих вимірів, за теоремою синусів обчислюють інші сторони в трикутниках. До посередніх методів звертаються ще й тоді, коли віддаль є неприступною. Взагалі, посередні методи передбачають вимірювання інших фізичних величин, що математично пов’язані з відшукуванoю величиною. Посередні методи вимірювань будуть мати застосування у світло і радіовіддалемірній техніці. Для визначення віддалі треба знати швидкість електромагнітних хвиль і інтервал часу, затраченого на проходження, розповсюдження вимірюваної віддалі.

Класичний приклад, що демонструє можливість використання світла і радіохвиль, є рівномірний прямолінійний рух потяга. Спостерігачі, з секундомірами, на різних кінцях відрізка залізниці, будуть фіксувати проходження переднього колеса потяга через мітки на початку і в кінці шляху. Якщо швидкість потяга відома, то за різницею часу зафіксованого спостерігачами, обраховуємо довжину шляху:

D=V×∆t ,

Приклад: V=72км/год=20м/с,Δt=

D= 20м/с м.

Спостерігачі фіксували час проходження віддалі потягом, який потім знайшли посереднім методом.

Вибір носіїв інформації

На прикладі потяга, як носія інформації, можемо дійти до наступних найважливіших вимог:

1. рух об’єкта має бути прямолінійним і не залежати від рельєфу місцевості;

2. швидкість руху об’єкта має бути постійною і відомою з точністю вимірювань.

Розуміючи, з якою точністю виконуються геодезичні роботи, не знайшлося рухомого об’єкта як носія інформації. Для цієї мети використані радіохвилі та світлові промені. До них окрім згаданих вимог ставляться додаткові, як то:

хвилі повинні розповсюджуватись вздовж вимірюваної лінії без значного затухання в різних погодних умовах;

хвилі мають забезпечувати нормальну роботу віддалемірних систем незалежно від пори року і часу доби.

Зупинимось на можливостях звукових хвиль як носіїв інформації. Приземна атмосфера дуже неоднорідна. Швидкість звукових хвиль в ній буде різною. Цей фактор унеможливив використання звукових хвиль для точних вимірювань. Але в водному середовищі вони незмінні і з успіхом застосовуються в морській геодезії. На їх принципі побудовані гідролокатори та ехолоти.

Відносно електромагнітних хвиль, які охоплюють оптичний діапазон ультрафіолетових, видимого світла, інфрачервоних хвиль (довжини хвиль - 0,1-0,4 мкм, 0,4-0,74 мкм, 0,75-1000 мкм), УКХ діапазон міліметрових, сантиметрових, дециметрових та метрових (довжини хвиль від 1 мм до 10 м) та радіохвилі: короткі - від10 м до 100 м, середні - від 100 м до 1 км, довгі – 1 км-10 км, наддовгі - більше 10 км, то вони значно повніше відповідають всім згаданим вимогам. Швидкість розповсюдження світлових і радіохвиль у вакуумі 299 792 458 м/с визначена з точністю до одного метра, а проходження в атмосфері відрізняється всього на 0,04%, Можемо нехтувати непрямолінійністю проходження хвиль в атмосфері, навіть у надточних лінійних вимірюваннях. Залежно від конкретних умов роботи віддалемірних засобів перевагу віддають або світлу, або радіохвилям.

Загальний принцип вимірювання коротких інтервалів часу

Залишимо принцип вимірювання віддалей з використанням потяга, але замінимо його імпульсом світла. Зразу ж виникають складнощі з використанням двох годинників. До фіксації моментів часу ставляться вимоги, що сягають за межі однієї мільярдної долі секунди.

Розглянемо схему і принцип взаємодії імпульсного віддалеміра. На точці А лінії знаходиться імпульсний передавач, а на точці В – пристрій, що відбиває світловий імпульс в протилежному напрямку. Він одержав назву відбивача (рефлектора). Короткі світлові імпульси випромінюються джерелом світла 1 і спрямовуються на півпрозору пластину 2. Від неї, частина енергії світлового імпульсу потрапляє зразу до приймача 4, де він запускає електронний годинник. Друга, більша частина енергії імпульсу, проникає крізь пластину 2, потім вздовж вимірюваної лінії досягає відбивача. Відбившись, світловий імпульс вдруге проходить вимірювану віддаль в протилежному напрямі, потрапляє на дзеркало 3 та до приймача 4. Цим сигналом електронний годинник зупиняється.

Довжина лінії обчислюється за формулою:

2 D= v τ, D= ;

 - часовий інтервал, що вимірюється електронним годинником;

 - швидкість електромагнітних хвиль (світла).

Схема імпульсного віддалеміра

Схема імпульсного віддалеміра має недоліки відносно точності. Справа в тому, що імпульс який повернувся з дистанції не буде ідеально прямокутним і електронний годинник може відреагувати на нього раніше або пізніше. Не відмовляючись від даної схеми, перевагу все таки одержав фазовий метод.

Принцип вимірювання інтервалів часу фазовими методами

Розглянемо принцип вирішення проблеми пристроєм з механічними деталями. Промінь, що проходить найкоротшим шляхом abcd дає зображення стрілки (1),що обертається з швидкістю . Основна частина світлового потоку, у вигляді стрілки, проходить шлях D і, відбившись, повертається назад на дзеркало приймача іншим шляхом aefghd, спрямовуючи зображення (2) на екран 5.

Модель механічного фазового світловіддалеміра

У зв'язку з тим, що для проходження променя цим шляхом треба якийсь час, зображення стрілки (2) з’явиться в іншому місті. Обидві стрілки обертаються з однаковою кутовою швидкістю , а так як віддаль D незмінна, то кут  між стрілками зберігається. Він є основним параметром, за яким визначають час , потрачений на проходження віддалі 2D.Щоб виміряти його, екран фотографують. Кут  буде називатись фазовим.

Визначення робочої формули фазового віддалеміра

Встановимо математичну залежність між кутом  та вимірюваною віддаллю

.

В обертальному русі застосовують термін частоти:

f=.

Час одного оберту є період Т:

T= .

Один оберт диска - це 2 за час Т. Кутова швидкість в радіанах за секунду буде:

.

Для фазового кута  одержимо:

 =   

=  час, затрачений на проходження світла у формі стрілки, що обертається, подвійної віддалі.

Тепер фазовий кут з новим значенням  буде:

Відстань,що визначається буде:

D= .

Ця формула є основною робочою формулою для фазових віддалемірів. З формули слідує що головне - підтримувати стабільність частоти, швидкість розповсюдження хвиль та якісне вимірювання фазового кута.

Принцип побудови функціональної схеми фазового віддалеміра

Питання полягає в тому, з яких вузлів має складатись фазовий далекомір.

1. Треба мати джерело світла або електромагнітних хвиль безперервної дії.

2. Диск, що обертає промінь як спіраль, на загал іменують модулятором.

3. Сигнал, що попадає на екран найкоротшим шляхом,називається опорним.

4. Сигнал, що відправлено на дистанцію, називається інформаційним.

5. Обов’язковим пристроєм в комплекті віддалеміра є відбивач, наприклад, дзеркало.

6. Невід’ємним елементом схеми є екран для відліку фазового кута. Пристрій одержав загальну назву фазометр.

7. Оптичний тракт відправляє промінь та приймає його з дистанції не є обов’язковим і виконує допоміжні функції.

Спрощена схема фазового віддалеміра

1.Джерело випромінювання.

2.Пристрій, що керує модулятором.

3.Модулятор.

4.Розподілювач сигналів.

5.Фазометр.

6.Відбивач.

Взаємозв’язок між обертальним і коливальним рухом

В фізиці про обертовий рух точки навколо деякої осі є поняття кутової швидкості , адіуса –вектора А (амплітуда), кута повороту точки по колу  за час t.

Зв’язок цих величин такий:

.

Одиниця кутової швидкості - радіан/сек.

Зображення точки (кульки) на екрані, встановленому перпендикулярно колу обертання, відтворює коливальний рух (вверх - вниз). Таке коливання є гармонійним, подібним до прямолінійного руху тіла. Воно описується рівнянням:

Y= A Sin ω t + .

Графічне зображення гармонічного коливання

Віддалемірна техніка використовує гармонічні коливання, застосовуючи такі параметри, як частота  та f, довжина хвилі , фаза , різниця фаз ‚  і т. і. В коливальному русі частота коливань вимірюється в герцах (1 герц=1коливанню в секунду) Гц, кГц, МГц.

На виході з джерела випромінювання фаза гармонічного коливання

.

Коливання, що повертаються з дистанції, спізнюватимуться по фазі відносно опорного

Різниця фаз між опорним і інформаційним має прямий зв’язок з віддаллю D, тому що

звідси

.

Або, враховуючи, що ω=2πƒ, формула матиме вид:

D=

Електромагнітні коливання розповсюджуються у довколишньому середовищі від різних джерел. Як уже згадувалось, вони одержали назву хвиль. Зв’язок між частотою збудження коливань і довжиною хвилі проходить через швидкість розповсюдження хвиль:

Про швидкість світла у вакуумі вже згадувалось, а для наближених розрахунків достатньо величини v=300000 км/с =3  м/с. Внісши у робочу формулу довжину хвилі, перетворимо її в значно зрозумілішу для посереднього методу вимірювання віддалей, як еквівалентного йому прямого методу:

Фазовий кут j може в десятки разів перевищувати період 2p і, до того ж, його не покаже фазометр. Фазометр покаже тільки залишок фазового кута від 0 до 2p. Якщо через N позначити ціле число періодів вимірюваної фази на дистанції, а Dj залишок, що безпосередньо вимірюється фазометром, то

j=2pN+Dj.

Зробимо заміну у формулі для визначення віддалі:

D=(N+DN) ,

де DN= - значення фазового кута по фазометру в долях повного періоду, так що величина DN завжди буде меншою за одиницю.

Зупинимось на фізичній суті окремих складових формули. Величина l/2 - своєрідний «метр», яким вимірюють віддаль. Ціле число N відповідає тому, скільки таких «метрів»укладеться в віддалі, що вимірюється. Величина DN, визначає в тих же одиницях, десяті і соті частини «метра», яка доповнює ціле число «метрів» до всієї довжини вимірюваної віддалі. Всі величини, за винятком N, в правій частині формули або відомі, або визначаються в процесі вимірювань. Для знаходження цілого числа N, тобто визначення неоднозначності, лінію вимірюють на 2-3 частотах, спершу грубо, а потім точно.