Генике A.A., Афанасьев А.М. Геодезические свето-и радиодальномеры
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 22. Схема взаимосвязи между длиной ли
нии D и ее измеренным значением D„зм:
At и Ai — положения механических центров приборов;
и Вз — положения электрических центров
Рис. 23. Схема взаимно
го расположения точек
относимости в дально
мере:
А — механический центр;
В — электрический центр;
С — условное положение от*
ражающей поверхности на
линии ОКЗ
По поводу практического определения поправки Кд необходи
мо отметить, что геометрически предвычислить эту величину
в большинстве случаев не представляется возможным. Во мно
гих реальных схемах как опорный, так и информационный сиг
налы от точки их разветвления до той точки, где происходит
их фазовое сравнение, проходят в виде электрических сигналов,
по сложным электрическим цепям, для которых невозможно'
с необходимой точностью рассчитать время прохождения инте
ресующих нас сигналов. Кроме того, возникающие при этом
задержки во многих случаях недостаточно стабильны во време
ни, в результате чего приходится не только отказываться от ме
тода предрасчета величины Кд., но и разрабатывать специальные-
методы ее определения, позволяющие ослабить влияние отме
ченных задержек на результаты дальномерных измерений.
Один из наиболее распространенных методов уменьшения
влияния нестабильности поправки К л на результаты измерений,
состоит в использовании специальной методики измерений,,
включающей в себя вспомогательные измерения с применением
в дальномере линии оптического короткого замыкания (ОКЗ).
При наличии ОКЗ, которое является неотъемлемой частью боль
шинства современных светодальномеров, процесс измерения
включает в себя два основных этапа: взятие отсчетов при посыл
ке информационного сигнала на удаленный отражатель и взятие
отсчетов при прохождении этого сигнала по короткому оптиче
скому пути внутри приемопередатчика дальномера. При этом
расстояние D до удаленного отражателя может быть подсчитана
по формуле
+ + (78>
где N — целое число полных периодов изменения фазы за вре
мя прохождения информационным сигналом искомого расстоя
ния; Дф — измеряемая фазометром разность фаз при посылке-
сигнала на удаленный отражатель; v — групповая скорость све
та; f — масштабная частота.
При измерении расстояния D0 от точки Л до точки С (рис. 23)
с использованием ОКЗ формула (78) принимает вид
а.--# -■£+**• ^
где Дфо — измеряемая фазометром разность фаз при прохожде
нии информационного сигнала по ОКЗ.
Для разности отсчетов Дф—Дфо будем иметь
D = (N + Дф2^ -фр ) i f + D0 + Котр. (80>
Непосредственно из формулы (80) видно, что при описывае
мой методике измерений, предусматривающей дополнительные-
измерения по ОКЗ и последующее использование разности от
счетов, нестабильная поправка /Сд, в которую входят задержки
как оптических, так и электрических сигналов, заменяется более
стабильной величиной D0, представляющей собой расстояние or
механического центра прибора (точка А) до точки С, соответ
ствующей положению отражающей поверхности в устройстве
ОКЗ. К поправке К д, определяющей положение электрического
центра В, предъявляются при этом требования сохранения по
стоянства своей величины только в течение того времени, кото
рое проходит между снятием отсчетов Дф и Дфо.
Рассмотренная методика хотя и позволяет существенно ста
билизировать работу дальномера, но не решает целиком пробле
му надежного и точного определения приборной поправки даль
номера. Один из недостатков такой методики состоит в необхо
димости геометрического определения величины D0 по чертежам;
прибора. Эта особенность указанного метода при большом раз
нообразии конструкций дальномеров и технических решений от
дельных его узлов не позволяет разработать универсальный ме
тод измерения величины D0. Кроме того, неидентичность условий-
работы дальномера при посылке сигнала на удаленный отража
тель и при прохождении сигнала через ОКЗ может приводить-
к появлению систематических погрешностей измерений, не учи
тываемых описанной выше методикой.
Отмеченные недостатки привели к необходимости использо
вания на практике метода определения приборных поправок,,
основанного на измерении линий известной длины.
Сущность данного метода весьма проста. Если расстояние
между геодезическими центрами известно, т. е. Z) = D3T (см.
рис. 22), то в соответствии с формулой (77) имеем
Кд = (Я9Т- Ц ,зм) - К 0тР, (81)
а для случая использования в схеме дальномера линии ОКЗ
Азм) Котр- (81а)
В дальнейшем величину D0 будем обозначать через Кпр, ко
торую обычно называют приборной поправкой1 приемопередат
чика дальномера.
Следует заметить, что при определении Кпр посредством из
мерения линии известной длины в значение этой поправки вхо
дит не только поправка за положение нуль-пункта дальномера,
но и все систематические погрешности, которые свойственны ис
следуемому прибору, в условиях, характерных для выбранной
эталонной линии, включая и состояние внешней среды во время
проведения измерений.
Исходя из вышеизложенного, при разработке методики опре
деления приборной поправки в большинстве случаев стремятся
к тому, чтобы поправку Кпр определять в условиях, характерных
для последующей эксплуатации дальномера. Однако при этом
приходится учитывать то обстоятельство, что к значению при
борной поправки Кпр предъявляются весьма жесткие требования
в отношении точности ее определения. Действительно, непосред
ственно из формулы D = D a3M+ K np+KoTp следует, что погреш
ность, допущенная при определении Кпр, будет входить во все
последующие измерения как систематическая погрешность.
В связи с вышеизложенным для повышения точности определе
ния Кпр применяют, как правило, усиленные программы изме
рений, а в качестве эталонных линий используют базисы неболь
шой длины (порядка нескольких сотен метров).
В отдельных случаях для тех светодальномеров, у которых
достаточно детально изучены все основные источники системати
ческих погрешностей, определение приборных поправок произ
водят в лабораторных условиях с использованием специально
оборудованной оптической скамьи, на которой устанавливается
отражатель на небольшом (порядка нескольких метров) извест
ном расстоянии от приемопередатчика. Обычно такая скамья по
зволяет плавно перемещать отражатель вдоль направляющих,
снабженных штриховой шкалой. Это приспособление позволяет
не только количественно определить значение величины Кпр, но
и произвести исследование отдельных источников погрешностей,
свойственных тому или иному дальномеру. Обоснованность ис
1 В литературе эту поправку часто называют также постоянной по
правкой.
пользования такого удобного в организационном отношении ме
тода, как правило, устанавливается на основе проведения пред
варительных специальных исследований, свидетельствующих
о том, что значение /Спр, определенное в лабораторных условиях,
не содержит дополнительных систематических погрешностей,
обусловленных измерениями в отмеченных условиях.
Что касается радиодальномеров, то при рассмотрении харак
терных для этих приборов методов определения приборных по
правок приходится учитывать ряд особенностей их работы.
Одна из особенностей состоит в том, что проследить по чер
тежу или схеме путь прохождения интересующего нас сигнала
и точно предрассчитать величину этого пути невозможно, по
скольку в радиодальномерах переносчиком информации являют
ся электрические сигналы, для которых существующие методы
расчета временных задержек при их прохождении ио электри
ческим цепям не обеспечивают требуемой точности. Кроме того,
из-за использования в радиодальномерах принципа работы
с активным ответом исключается возможность применения ка
ких-либо линий короткого замыкания, аналогичных линиям
ОКЗ, используемым в светодальномерах. Не привели к положи
тельным результатам и попытки разработки лабораторных мето
дов определения приборных поправок для радиодальномеров.
В связи с вышеизложенным единственным эффективным спосо
бом определения рассматриваемых поправок применительно
к радиодальномерам является метод измерения базисных линий
в полевых условиях. Однако и в этом случае приходится учиты
вать характерные для радиодальномеров условия работы.
Так, например, при эксплуатации светодальномеров очень
часто используются различные типы отражателей, для которых
значение /Сотр определяется независимо геометрическим спосо
бом. Поэтому в полевых условиях для светодальномеров опре
деляют, как правило, только поправку для приемопередатчи
ка /Спр. Что касается радиодальномеров, то для этой группы
дальномеров отделить приборные поправки для основной и вспо
могательной станций не всегда представляется возможным.
Исходя из этого, для каждой конкретной пары станций радио
дальномера чаще всего определяется суммарная приборная по
правка, т. е. D = DmM + K, где К= Км + Kr\ К м — приборная по
правка для основной (ведущей) станции; K r — приборная по
правка для вспомогательной (ведомой) станции.
Так же как и при светодальномерных измерениях, для повы
шения точности определения рабочей скорости распространения
используемых электромагнитных волн в качестве базиса, на ко
тором определяется приборная поправка радиодальномера, вы
бирается линия сравнительно небольшой длины (от нескольких
сотен метров до одного-двух километров). На такой линии не
должно проявляться заметное влияние отражений от подстилаю
щей поверхности или от каких-либо других объектов, попадаю-
л
А | С
ж
к
I.
Пункт А
Пункт В
Пункт С
гРис. 24. Схема взаимосвязи между измеряемыми величинами при определении
приборной поправки на линиях неизвестной длины
эдих в зону облучения. Измерения, связанные с определением
приборной поправки, производят по усиленной программе.
Наряду с методом нахождения приборных поправок на ли
ниях известной длины ограниченное применение находит и дру
гой метод, базирующийся на измерении нескольких линий неиз
вестной длины (рис. 24). Этот метод может быть использован
как при работе со светодальномерами, так и с радиодальноме
рами.
Для пояснения сущности данного метода предположим, что
на местности выбраны расположенные на одной прямой три
пункта А, В и С (см. рис. 24). Если с помощью одного и того же
комплекта дальномера, состоящего из приемопередатчика и от
ражателя или из основной и вспомогательной станций радио
дальномера, последовательно измерить все три дальности Dh
D 2 и D, то с учетом суммарной приборной поправки К будем
иметь
тде D\, D2 и D — расстояния между геодезическими центрами,
значения которых неизвестны; £>ИзМ1, -Оизм2 и DKЗМз— значения
.длин линий, полученные из показаний дальномеров; К — сум
марная приборная поправка (К=Клр + Кыр — для светодально
меров и К= Км + Кн — для радиодальномеров).
(82)
Учитывая, что Z) = Di+D2, из совместного решения уравне
ний (82) имеем
К = Оизщ- (О изщ + ОЮМй). (83)
Приведенная формула свидетельствует о том, что при вы
полнении указанных выше условий приборная поправка может
быть вычислена непосредственно из показаний дальномера.
В более общем случае этот метод может быть распространен
и на большее число пунктов.
К основному недостатку данного метода следует отнести тре
бование независимости величины приборной поправки исследуе
мых дальномеров от длины измеряемой линии. Для пояснения
сделанного замечания выведем формулу для приборной поправ
ки описанным выше методом в предположении, что значение К
зависит от длины измеряемой линии в соответствии с формулой
/C = a + bD+cDa, (84)
где а, b и с — постоянные коэффициенты.
Из совместного решения уравнений (82) будем иметь
а 2 c D h3MiD k3M2 = £>изм3 (А з М ! + А з м 2) • (85)
Анализ полученного соотношения позволяет сделать следую
щие обобщающие выводы:
1. При использовании рассмотренного выше метода из зна
чения К автоматически выпадает масштабирующая составляю
щая bD, которая принципиально не может быть учтена этим
методом.
2 . Измеренное значение приборной поправки оказывается
отягощенным дополнительными поправками из-за влияния не
линейных составляющих (в частности, составляющей cD2), ве
личина которых зависит не только от длины измеряемых линий,
но и от положения промежуточного пункта В (см. рис. 24).
Практически закономерность зависимости К от D заранее не
известна, вследствие чего определить величину отмеченной до
полнительной поправки из измерений линий неизвестной длины
не представляется возможным.
К другим недостаткам рассмотренного метода следует от
нести как большую трудоемкость организации и проведения по
левых работ, так и требование обеспечения высокой точности
измерений на всех используемых при таком методе линиях.
ВОПРОСЫ И УП РАЖ Н ЕН И Я
1. Охарактеризуйте основные особенности косвенного метода из
мерения расстояний.
2. Какая физическая величина подвергается измерениям при
косвенном методе определения расстояний, основанном на ис-
пользовании прямолинейного равномерного движения матери
ального тела?
3. Каким требованиям должны отвечать носители информа
ции, используемые при выполнении высокоточных измерений
длин линий на местности?
4. Назовите причины, препятствующие использованию зву
ковых волн для точного измерения расстояний на земной по
верхности.
5. Какие особенности распространения электромагнитных
волн следует учитывать при использовании их для измерения
расстояний на местности?
6 . Поясните основные принципы импульсного метода измере
ния расстояний.
7. Почему в формуле (2 ) введено удвоенное значение изме
ряемого расстояния?
8 . Объясните принцип действия устройства, изображенного
на рис. 2 .
9. Покажите на рис. 2 путь прохождения информационного
и опорного сигналов.
10. Чем определяется показанная на рис. 2 величина угла ср?
В каких пределах она может изменяться и измеряться?
11. В каких единицах измеряют угловую частоту о, часто
ту / и период 7? Какая связь между этими величинами?
12. Напишите уравнение гармонического колебания в общем
виде. Объясните различие между текущей и начальной фазой.
Какое понятие фазы используют при выполнении измерений фа
зометром?
13. Определите длину волны колебаний, если их частота рав
на 15 МГц (скорость распространения можно принять равной
3-108 м/с).
14. Вычислить фазовый сдвиг, который приобретают колеба
ния с частотой 15 МГц после прохождения расстояния 10 км
в прямом и'обратном направлениях.
15. Разность фаз между информационным и опорным сигна
лами на входе фазометра равна 813,5°. Какой фазовый сдвиг
будет измерен фазометром?
16. Поясните необходимость использования в дальномерах
несущих колебаний. Какие из параметров несущих колебаний
оказывают влияние на точность дальномерных измерений?
17. Перечислите основные способы управления несущими ко
лебаниями, используемые в дальномерах. Объясните различие
между длиной волны несущих и масштабных (модулирующих)
колебаний.
18. Какие методы измерения разности фаз находят примене
ние в современных дальномерах?
19. Каковы особенности компенсационного метода фазовых
измерений?
2 0 . Объясните принцип действия электронного цифрового фа
зометра, схема которого приведена на рис. 13.
21. Как взаимосвязаны показания счетного устройства элек
тронного цифрового фазометра с измеряемой разностью фаз?
22. Как зависит цена деления электронного цифрового фазо
метра от соотношения частоты фазосравниваемых сигналов и
частоты генератора счетных импульсов?
23. Поясните необходимость использования в современных
дальномерах низкочастотного метода фазовых измерений. Какие
функции в схеме, изображенной на рис. 14, выполняют гетеро
дин и смесители?
24. Какие основные причины обусловили необходимость при
менения в современных дальномерах импульсно-фазового гете
родинного метода?
25. Объясните принцип действия схемы, приведенной на
рис. 15.
26. В чем общность и различие импульсно-фазового и фазо
вого методов?
27. Из-за чего возникает неоднозначность значений длин ли
ний, измеряемых фазовыми методами? Какой физический смысл
имеет понятие «разрешение неоднозначности»?
28. Перечислите методы разрешения неоднозначности, кото*
рые используются в дальномерной технике.
29. При измерениях на трех фиксированных масштабных час
тотах, находящихся в соотношении /U : fB : fc~ 10 0 : 10 : 1 , фазо
метром зафиксированы следующие отсчеты: ас = 832, ав = 403 и
лд = 966. Определите полное значение измеренного расстояния,
если шкала фазометра на основной масштабной частоте А про
градуирована в сантиметрах, а длина измеряемой линии не пре
вышает 1 км?
30. Выполните вычисления, аналогичные предыдущему при
меру, для соотношения частот fA : (/л—/в) : (/л—fc) = 10 0 : 10 : 1 ,
и снятых с фазометра значений отсчетов: ас = 532, ав=402 и
ал = 876.
31. Сформулируйте основные отличительные признаки, ха
рактеризующие влияние атмосферы на электромагнитные волны
оптического и У КВ диапазонов. Как количественно оценивается
ослабление излучений указанных диапазонов при прохождении
через атмосферу?
32. Поясните физический смысл понятия «окно прозрачно
сти».
33. От каких параметров атмосферы зависит скорость рас
пространения электромагнитных волн?
34. На каких участках спектра электромагнитных волн про
является влияние дисперсионных свойств воздуха на скорость
распространения этих волн?
35. Из каких основных этапов состоит последовательность
определения рабочей скорости распространения света и радио
волн? Что понимают под термином «стандартная атмосфера»?
36. Что принято понимать под фазовой и групповой скоро
стями распространения электромагнитных волн, а также под
фазовым и групповым показателями преломления воздуха?
37. Поясните физическую сущность понятия приборной по
правки.
38. Для чего в светодальномерах вводят линию оптического
короткого замыкания (ОКЗ)?
39. Какие методы определения приборных поправок исполь
зуют в практике дальномерных измерений?
40. Объясните характерные особенности метода определения
приборных поправок на линиях неизвестной длины.
Г л а в а II
О Б О Б Щ Е Н Н Ы Е Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е С Х Е М Ы
Д А Л Ь Н О М Е Р О В И И Х О С Н О В Н Ы Е К О М П О Н Е Н Т Ы
§ 16. О БЩ И Е П О Л О Ж ЕН И Я
При выполнении современных топографо-геодезических работ
находят применение различные типы геодезических свето- и
радиодальномеров. Такое различие определяется, как правило,
спецификой решаемых геодезических задач. В то же время,
несмотря на отмеченное различие, все упомянутые выше даль
номеры базируются на общих, рассмотренных в предыдущей
главе принципах работы, что позволяет построить для них обоб
щенные функциональные схемы. На основе анализа таких схем
открывается возможность выявления тех общих для всех даль
номеров компонентов, без которых невозможна работа дально
мерных устройств, изучить их взаимосвязь, сформулировать
требования к этим компонентам, а также установить соответ
ствие реально используемых компонентов данным требовани
ям. Кроме того, обобщенные функциональные схемы не только
существенно облегчают изучение особенностей работы конкрет
ных типов дальномеров, но и позволяют сделать критическую
оценку тем принципам построения схемы, которые заложены
в том или ином дальномере.
Все современные разновидности геодезических свето- и ра
диодальномеров могут быть объединены в две основные груп
пы, Первую из них составляют дальномеры, базирующиеся на
принципе пассивного ответа. В нее входит подавляющее боль
шинство светодальномеров, работающих в сочетании с пассив
ными отражателями. Вторая группа объединяет дальномеры,
у которых в качестве ответчика используют, активные ретранс
ляторы. К этой группе относятся различные модификации фа
зовых радиодальномеров.
Исходя из вышеизложенного, в последующих разделах на
стоящей главы изложены принципы построения обобщенных
функциональных схем для каждой из этих групп дальномеров
и рассмотрены особенности входящих в отмеченные схемы ос
новных компонентов.
§ 17. О БОБЩ ЕННАЯ ФУН КЦ И ОНА Л ЬНАЯ СХЕМ А Д АЛЬН О М ЕРА
С, ПАССИВНЫМ ОТВЕТОМ
Общие подходы к построению простейших функциональных
схем светодальномеров, у которых в качестве отражателя ис
пользуется зеркало той или иной конструкции, описаны в пре
дыдущей главе. При практической реализации таких схем воз
никает необходимость их усложнения, что связано, как прави
ло, со стремлением улучшения эксплуатационных характерис
тик создаваемых дальномеров (таких, например, как точность
измерений, дальность действия, удобство работы с прибором
и др.). Исходя из этого, рассмотрим прежде всего требования,
которые предъявляются к основным составным частям совре
менного светодальномера, включающего в себя передающее и
приемное устройства.
Основное назначение передающей части любого свотодаль-
номера состоит в том, чтобы обеспечить излучение модулиро
ванного сигнала в виде узкого светового луча в направлении
на удаленный отражатель. Эта задача независимо от особен
ностей конструкции того или иного светодальномера решается
с помощью таких основных компонентов, как источник излуче
ния, модулятор света, генератор масштабной частоты и переда
ющая оптическая система.
Для удовлетворения требования работоспособности дально
мера в дневных условиях в качестве источников света исполь
зуют такие излучатели, которые обеспечивали бы высокую ин
тенсивность излучаемой энергии в узком спектральном диапа
зоне. Этим требованиям наиболее полно отвечают лазерные
источники излучения, которые почти повсеместно пришли на
смену таким излучателям, как лампы накаливания и различ
ного рода газосветные источники света.
Поскольку для осуществления фазовых измерений в рас
сматриваемых типах дальномеров необходимы модулированные
колебания, то во всех разновидностях светодальномеров излу
чаемый источником световой поток подвергается тем или иным
периодическим изменениям с помощью модулятора света, ра
ботой которого управляет генератор масштабной частоты.
Взаимодействие перечисленных компонентов показано на
рис. 25, где направления прохождения оптических сигналов
условно обозначены штриховыми линиями, а электрических —
сплошными.