Мацко П.В., Голубев А.Г. Введение в геотронику

Подождите немного. Документ загружается.

используются могущественные импульсные лазеры, а относительная

ошибка измерений небольшая через значительное расстояние.

Однако импульсный режим работы имеет преимущество в том

отношении, которое при одинаковой средней мощности излучения

импульсные віддалеміри для наземных измерений имеют большую

дальность действия, чем фазовые віддалеміри с беспрерывным

излучением. Поэтому определенное внимание предоставлено

разработке світловіддалемірів, объединяя импульсный режим

излучения, которое дает повышенную дальность действия, с фазовым

методом измерений, который дает высокую точность. Такие віддалеміри

получили название импульсно-фазовых.

В импульсно-фазовом віддалемірі, кроме оптимизации по

дальности и точности, появляется также возможность решение

проблемы неоднозначности, що присущий фазовому методу, не

применением нескольких частот модуляции, а шляхом приближенного

измерения расстояний чисто импульсным методом.

Не удаваясь в детальное рассмотрение импульсно-фазовой

віддалеметрії, укажем лишь, що возможные два основных образа

осуществление импульсно-фазовых світловіддалемірів. Первый образ

состоит в модуляции импульсов излучения высокочастотным сигналом и

измерении сдвига фазы модуляции, как в фазовых віддалемірах. Второй

образ – использование гармонических составляющих импульсного

сигнала, который позволяет обойтись без дополнительной модуляции.

Сжато объясним, что здесь имеется в виду. Импульсный сигнал,

который имеет достаточно стабильную частоту повторения, можно по

теореме Фурье представить в виде суммы гармонических составляющих

– спектру гармоник, кратных частоте повторения импульсов (см. раздел

2, подраздел «Электромагнитные колебания и волны», п. 4). Спектр

периодической последовательности импульсов дается выражением

 

)15.3(,cos









tnA



(3.15)

где Аn – амплитуда



– начальная фаза n-ой гармоники. При прохождении расстояния, которое

измерится, каждая гармоника приобретает дополнительный фазовый сдвиг, равный n



(2D/v), где

n – номер гармоники. Таким образом, выделивши определенную гармонику из спектру импульсного

сигнала в приемочном устройстве віддалеміра, можно осуществить на ней фазовые измерения.

Расстояние будет получено тем точнее, чем выше номер гармоники, то есть больше

измерительная частота, однако необходимо учитывать, что с увеличением номера гармоники

уменьшается ее амплитуда.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. На чем основанная работа электрооптического модулятора

Паккельса?

2. Где используют цифровой фазометр? Какая главная его идея?

3. Что называют гетеродинной схемой?

4. От чего зависит появление «оптического короткого замыкания»?

5. Что используется в качестве источника излучения?

6. Которые существуют образа реализации импульсно-фазовых

світлодальномерів?

Раздел 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ

4.1. Электронные теодолиты

Электронные измерения угловых величин реализуются в электронных теодолитах и

электронных тахеометрах.

Электронный теодолит является устройством, в котором проводится автоматическое

прочитування угловых величин с превращением их в электрические сигналы. Эта операция

осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). В электронных

теодолитах применяются два основных вид АЦП, которые отличаются методом

Рис.4.1. Пример кодированного круга в электронном теодолите

получение информации об углу в виде электрических сигналов. Эти два метода получили название

кодового и інкрементального; последний часто называют просто цифровыми.

Кодовый метод. При этом методе лимб, из которого прочитывается угловая величина,

является стеклянным диском, на котором нанесенная система концентрических кодовых дорожек,

которые составляются из отдельных элементов типа «так – нет» (например, прозрачных и

непрозрачных участков), забезпечуюючих возможность создания сигналов 1 и 0 в двоичной

системе при прочитуванні. Расположение этих элементов такое, что они в определенном коде

зашифровывают подлежащую измерению угловую величину, причем каждая дорожка обычно

отвечает определенному разряда в значении угловой величины, которая измерится. Количество

дорожек и последовательность расположения элементов в них зависят от выбранного кода и

желательной точности получения угла. Как код могут использоваться разные числовые коды –

двоичный, двійково-десятичный, циклический и др. На рис.4.1 показанный вид кодированного круга в

электронном теодолите, что является составной частью одного из электронных тахеометров

фирмы « Х'юлетт-Паккард» (США).

Кодовый метод является абсолютным методом, то есть таким, при какому значению

углового направления (определенному угловому положению кодового диска) однозначно отвечает

определенный кодированный исходный сигнал. Для прочитування информации из кодовых дисков

используется, как правило, оптический (фотоэлектрический) образ: кодовый диск просвечивается

световым пучком, который потом поступает на фотоприемочное устройство, например, на

матрицу фотодиодов, которая позволяет получить на выходе разные комбинации электрических

сигналов при изменению углового положения кодового диска. Таким образом, каждая комбинация

отвечает определенному значению углового направления; дальше электрические сигналы

поступают в логические схемы обработки, которые осуществляют декодирование и

воспроизведение величины, которые измерится, в цифровом виде на табло.

Інкрементальний метод. Он основан на использовании штрихового растру – системы

радиальных штрихов, которые наносятся обычно на внешнем крае лимба или алидады через

одинаковые интервалы. Плотность растру может быть очень высокой (к сотням штрихов на 1

мм) что обеспечивает высокую точность измерений. Непрозрачные штрихи и прозрачные

интервалы между ними (обычно уровне толщине штрихов) образовывают последовательность

элементов «так – нет», которые в этом случае называют інкрементами ( от англ. increment –

бесконечно малый прирост). Угол поворота такого растрового круга может быть оценен по

количеству інкрементів, что прошли через фиксированную точку. Прочитування проводится

также оптическим методом и количество пройденных інкрементів выражается числом импульсов

света, которые поступили на фотоприемник. При этом для обеспечения реверсивного счета

импульсов, то есть отсчета с учетом направления обращения круга, применяются два

фотоприемника (фотодиода), что воспринимают импульсные сигналы, сдвинутые по фазе на 90

о.

Этого может

быть достигнуто или соответствующим размещением фотодиодов

относительно растру, или применением двух одинаковых растровых последовательностей,

сдвинутых на 1/4 інкремента. Принципы считывания углов по горизонтальному и вертикальному

кругам идентичные.

Одним из возможных вариантов есть использования відображуючого растра, в котором

интервалы между штрихами не пропускают, а отбивают свет Принцип системы отчисления в

этом случае, использованный, например, в высокоточных теодолитах Теомат и тахеометрах

Тахимат швейцарской фирмы «Вільд», иллюстрируется на рис.4.2.

Рис.4.2. Принцип прочитування при использовании отбивного растру

В реальных системах имеет место не импульсное, а приблизительно

синусоидальное изменение интенсивности света на фотоприемниках при

обращении растрового круга, и импульсы формируются из получаемых на

выходе фотоприемников сигналов известными электронными образами.

Інкрементальний метод является относительным методом, при которому определяются

только изменения углового положения круга, то есть измеряются углы, тогда как при кодовом

методе измеряются направления, а углы исчисляются как различия направлений.

Как при кодовому, так и при інкрементальному методе для повышения точности

прочитування углов применяются интерполяторы – системы, которые содержат несколько,

расположенных определенным чином по отношению к угловому кругу пар фотодиодов, сигналы

от которых сдвинуты по фазе на определенную величину; эти сигналы обделываются совместно,

что позволяет получить высокое угловое разрешение.

Примером интерполятора может служить система, изображенная на рис.4.2; здесь

анализатор, на котором также нанесенные штрихи, играет роль дифракционных решеток,

которые позволяют получить в плоскости изображения 4 пучка и использовать 4 фотоприемника,

расположенные таким образом, что они при обращении круга создают четыре электрических

сигнала, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90

о.

С помощью их составление и

отнимание образовываются еще 4 сигнала, и все эти сигналы обделываются совместно.

В современных электронных теодолитах точность измерения углов может быть очень

высокой, достигая 0,5".

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое цифровой метод?

2. Которыми являются кодовый и інкрементальний методы?

3. Для чего используется штриховый растр?

4. Где используется считывания углов с помощью оптического лучей?

5. Что используют в электронных теодолитах для повышения точности?

6. Что может использоваться в электронных тахеометрах?

7. Какие величины являются измеренными?

8. Которые из величин являются вычисленными?

9. Что такое электронный полевой журнал?

4.2 Электронные тахеометры

Электронным тахеометром называют прибор, который позволяет

выполнять как углу, так и линейные измерения с возможностью

совместной их обработки. Электронный тахеометр является

объединением теодолита, світловіддалеміра с полупроводниковым

излучателем и микропроцессора или микрокомпьютера в единую

неразъемную или модульную конструкцию. Кроме того, прибор, который

владеет функциями электронного тахеометра, может быть полученный

при установке малогабаритного автоматизированного топографического

світловіддалеміра на оптический или электронный теодолит. Именно так

конструировались электронные тахеометры первого поколения. В этом

случае регистрация результатов угловых и линейных измерений

проводится раздельно и для них совместной обработки необходимое

внешнее вычислительное устройство, которое в виде отдельного блока

может, например, закрепляться на штативе теодолита. В электронных

же тахеометрах неразъемной конструкции вычислительное устройство

встроено в сам прибор, а клавиатура управления выведена на

переднюю панель прибора.

Электронные тахеометры могут быть разделенный на два типа:



электронные тахеометры с визуальным отсчетом углов (обозначим их ЕТ/В);



электронные тахеометры с электронным отсчетом углов (обозначим их ЕТ/Е).

В ЕТ/В угломерная часть тахеометра является оптическим

теодолитом со шкаловим микроскопом или оптическим микрометром; в

нем отсчеты, которые снимаются визуально вводятся в процессор

ручным набором на клавиатуре. В ЕТ/Е угломерная часть является

электронным теодолитом с цифровой индикацией угловых величин на

табло. Линейные величины (результат віддалемірних измерений)

выводятся в цифровом виде на табло в обеих типах тахеометров.

Тахеометры типа ЕТ/Е в зарубежной литературе называют

«универсальными станциями» (Total Station).

Автоматизация в электронных тахеометрах и обобщена схема их

строения.

Функции управления, контроля и вычисления осуществляются с

помощью микропроцессора. На табло могут выдаваться преклонное

расстояние, горизонтальное прокладывание, превышение,

горизонтальные и вертикальные углы или зенитные расстояния по

команде из пульта управления процессора. В современных электронных

тахеометрах используются микрокомпьютеры, что является

объединением микропроцессора с памятью и устройствами введения и

вывод данных. В этом случае дани могут не только выдаваться на

табло, но также регистрироваться в устройстве, которое запоминает, и

могут быть выведенные на внешний накопитель или сразу же

обделываются согласно постоянно заложенным в память («зашитых»)

программ, позволяя непосредственно в полевых условиях получать

координаты пунктов и проводить другие специальные и контрольные

вычисления, связанные с решением разных геодезических задач.

Результаты этих вычислений также могут выдаваться на табло,

записываться в память и могут быть переданные на внешний

накопитель информации, который подключается к прибору. Обобщенная

структурная схема таких электронных тахеометров показана на рис.4.3.

Рис.4.3. Обобщенная структурная схема электронного

тахеометра

В современных электронных тахеометрах табло индикаторного

блока есть многофункциональным цифровым дисплеем на несколько

строк, на котором может отображаться разная дополнительная

информация.

Внешний полевой накопитель информации, которая подключается

к прибору, который называют также устройством сбора и регистрации

данных ( в последнее время вошел в быт термин«электронный полевой

журнал») является хранителем полученной в поле информации, которая

может быть передана для дальнейшей обработки в камеральный

вычислительный центр. Таким образом, электронные тахеометры дают

возможность создавать системы полностью автоматизированного

картографирования, звеньями которой есть: электронный тахеометр –

стационарный компьютер – графическое устройство.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Что представляет собой электронный тахеометр?

2. Которые существуют типы электронных тахеометров?

3. Что представляет собой угломерная часть тахеометру?

4. Какие функции выполняет микропроцессор?

5. Что представляет собой современные елекронні тахеометры?

6. Какие действия можно выполнять с помощью елекронних тахеометров?

4.3. Направления развития электронной тахеометрии

К настоящему времени существует очень много конкретных

моделей электронных тахеометров, которые выпускаются разными

фирмами в разных странах. Отметим, что в данном курсе нарочно не

описываются любые конкретные приборы, потому что развитие в этой

области идет такими быстрыми темпами, которые каждый год

появляются новые модели. Большое внимание предоставляется

гибридным (модульным) конструкциям, которые допускают простой и

легкий сборник моделей с разными возможностями. Подобные системы

владеют в известном смысле большей гибкостью, чем неразъемные

конструкции, позволяя с максимальной эффективностью использовать

геодезические приборы, которые выпускаются фирмой, синтезируя их

разным чином в зависимости от вида необходимых работ. При этом

разнообразие теодолитов и віддалемірів часто объединяется с

унификацией компьютерной техники, когда фирма выпускает

универсальное устройство сбора и регистрации данный (электронный

полевой журнал, он же внешний накопитель), который может работать с

широкой комбинацией измерительных приборов.

Жесткая конкуренция принуждает западные фирмы вести

беспрерывное усовершенствование своих моделей и разработку новых

приборов. Приблизительно одинаковыми остаются такие

характеристики, как дальность действия ( до нескольких километров) и

точность (типичная точность линейных измерений составляет 5 мм + 5

мм/км, угловых – в диапазоне от 10 до 1-2"), и основное внимание

разработчиков направлено на создание максимальных удобств для

потребителя. В качестве примера можно указать, что первый прорыв в

этой области был осуществлен в 1986 году шведской фирмой

«Геотронікс» (Geotronics AB), что создала прибор «Геодіметр 400» и

потом несколько дальнейших моделей (440, 460), которые образовали

новое поколение электронных тахеометров. В геодиметрах

четырехсотой серии, кроме режима «трекінга» (слежение за

отражателем, который движется, когда берутся отсчеты через каждое 1-

3 секунды), который уже используется в других приборах, были

впервые примененные следующие новости:

1) система прецизионного электронного контроля процесса

угловых измерений, который позволяет работать при одном круге

(положении трубы без перевода через зенит) без потери точности. Эта

система обеспечивает:

- автоматическую коррекцию коллимационной ошибки и

наклона оси обращения трубы;

- полное исключение влияние эксцентриситета и ошибок

распределений шкалы (лимба);

- автоматическую компенсацию нарушений центрирования

инструмента в процессе работы;

2) электронный уровень, который обеспечивает автоматическое

нивелирование прибора без обращения его вокруг вертикальной оси;

3) многофункциональный дисплей (на редких кристаллах), что

имеет табло с четверыми строчками по 16 разрядов в каждой; на этом

дисплеи может отображаться сразу большое количество информации;

4) «Юніком» – устройство для односторонней языковой связи с

реєчником по оптическому лучу. На рельсе с отражателем

смонтированный фотоприемник; передача осуществляется путем

модуляции голосом инфракрасного луча, который служит источником

излучения дальномерной части прибора. В дальнейшем оптическая

связь была заменена двусторонней радиосвязью;

5) «Треклайт» – устройство для «самонаведения» реєчника,

который позволяет ему быстро отыскать луч от прибора и установить

у него отражатель, смонтированный на рельсе. Устройство является

трехцветным источником видимого света, излучаемому белый, красный

и зеленый свет; пучок белого света находится между красным и

зеленым и работает мигающими вспышками 2-3 раза в секунду. Если

реєчник находится в створе, он видит белый свет, при отклонении от

створа влево – зеленое, а управо – красное. На дистанции 100м ширина

зоны белого света составляет 25см, а красного и зеленого – по 5м;

отклонение пучка белого света равняется отклонению инфракрасного

излучения от основного источника віддалеміра. Когда белый свет

попадается на отражатель, частота вспышек белого света удваивается,

сигнализируя реєчнику о правильной установке отражателя.

Усовершенствование, указанные в пунктах 1) и 2), были

примененные фирмой раньше в приборе Геодіметр 142, а Треклайт и

Юніком были также разработаны раньше как отдельные устройства для

использования с целым возле более ранних моделей. В геодиметрах

четырехсотой серии все эти достижения собранные воедино, а

многофункциональный дисплей применен впервые.

В те же года фирмой «Wild» (Швейцария) на основе электронного

теодолита Теомат Т 2000 был разработан электронный тахеометр

Тахимат ТС 2000, что резко выделяется чрезвычайно высокой

точностью угловых измерений (0,5"), а также повышенной точностью

линейных измерений ( 2 мм + 2 мм/км). Высокая угловая точность

достигнута применениям оригинальной динамической системы оптика

электронного сканирования при прочитуванні из растрового круга. При

каждому отсчета используется сканирования по всему кругу, который

исключает ошибки распределений лимба, а прочитування диаметрально

противоположных штрихов растру исключает ошибку за эксцентриситет.

Кроме того, автоматически исключается коллимационная ошибка

горизонтального кругу и автоматически корректируется ошибка индекса

вертикального кругу. Прибор полностью автоматизированный и к нему

может быть подключен внешний накопитель информации.

Дальнейшие усовершенствования электронных тахеометров шли

по пути компьютеризации, расширение возможностей встроенных

программ, использование сервоприводів, систем автоматического

наведения и слежения за целью и дистанционного управления работой

прибора. Это привело к созданию в 90-х годах электронных

тахеометров, которые получили название «роботизованих» (первенство

здесь принадлежит все той же фирме «Геотронікс» - одному з самых

больших мировых лидеров геотроніки).

До 1998 года четыре фирмы – Geotronics AB (Швеция), Spectra

Physics Laserplane Inc. (США), Plus 3 Software Inc. (США) и Quadriga

Gmbh (Германия) – объединились в компанию под названием Spectra

Precision, модульную геодезическую систему нового поколения, которая

разработала, – интегрированную съемочную систему на основе

геодиметра (Geodimeter Integrated Surveying System), объединяя в себе

электронный тахеометр, спутниковый приемник и могущественный

полевой пен-компьютер (компьютер, в котором клавиатуру заменяет

«световое перо», что позволяет рисовать и чертить от руки прямо на

экране; программное обеспечение позволяет потом превратить такое

начертание «электронное крокі» в точный цифровой план местности).

В данное время электронные тахеометры есть, вместе со

спутниковыми приемниками, одним из основных средств геодезических

измерений. Область их применение весьма широкая. Они могут решать

такие практические задачи, как, например, вынесение точек в натуру,

измерение пролетов, разбивка за полярными координатами,

определение расстояний между точками по отношению к начальной

прямой, определению высот неприступных точек, координатные задачи

при свободном выборе точек стояния, определение отклонений точек от

заданных осей и др. При этом самую важную роль играет

соответствующее программное обеспечение электронного тахеометра.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Какому конструктивному исполнению тахеометров наиболее ведают

преимущество?

2. Что такое режим «трекінга»?

3. Что представляет собой устроение «Треклайт» фирмы «Геотроніс»?

4. Что является отличием чертой «роботизованих», электронных тахеометров?

5. Что называют интегрированной системой?

6. Что играет главную роль в современных электронных тахеометрах?