Парамонова Е.Г., Юнусов А.Г. Геодезические работы в мелиоративном строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

таты исследований. Зависимости средних квадратических по-

грешностей совмещения центра марки с центром лазерного

пятна по горизонтали и вертикали от расстояния получены

следующие: т

= (0,39 + 0,0179 /) мм; т

= (0,12 + 0,0095 /) мм,

где / — расстояние от излучателя в метрах.

Таким образом, визуальные способы индикации при своей

простоте и наглядности обладают точностью, достаточной для

решения многих практических задач.

При фотоэлектрическом способе индикаций положе-

ние луча определяется с помощью приемного устройства, основ-

ными частями которого являются (рис. 65): объектив У, фото-

элемент 2, усилитель З'и индикатор 4. Объектив принимает и

фокусирует излучение на фотоэлементе, фотоэлемент выраба-

тывает сигнал, после усиления поступающий в индикатор.

Приемные устройства различают по принципу работы и числу

используемых фотоэлементов. Цо первому признаку они делятся

на приемники непрерывного и дискретного действия, а по вто-

рому — на одно-, двух- и многоэлементные. Примером фотопри-

емника непрерывного действия служит приемная станция си-

стемы ПУЛ (см. § 12).

В многоэлементном фотоприемнике. дискретного действия

(рис. 66) в зависимости от того, какой или какие элементы

;•

V-

v..;/,// 1

Рис. 64. Исследование точности визуального способа ин-

дикации

Излучение

лазера

(

Рис. 66. Много-

элементный фото-

приемник дискрет-

ного действия

Рис. 65. Фотоэлектрический способ

индикации

засвечиваются лазерным лучом, логическая схема индикатора

вырабатывает сигнал, соответствующий положению центра луча.

Оператор либо записывает данные (в случае съемки), либо при-

нимает меры к устранению уклонения механизма от заданного

положения (в случае, когда система используется для контроля

работы строительного механизма).

Точность работы приемника дискретного действия опреде-

ляется размерами фоточувствительных ячеек или расстоянием

uemjty их центрами, если оно больше размеров элемента. Так,

например, максимальная погрешность определения положения

центра луча О для приемника, изображенного на рис. 66, будет

а средняя квадратическая погрешность (согласно закону равно-

мерного распределения)

тА=

трг

где с — размер фоточувствительной ячейки.

В тех случаях, когда не требуется непрерывный контроль

положения объекта, можно определять положение центра пятна

по отсчетам на краях лазерного пятна с помощью одного фото-

элемента. Схема метода приведена на рис. 67, а.

Начало

отсчета

Рис. 67. Определение положения центра лазерного пятна отсчетами по краям

(а), установление оптимального порога срабатывания фотоприемника (б)"

Для определения положения центра пятна 1 по вертикаль-

ной оси снизу вверх перемещается фотоэлемент 2. При попада-

нии лазерного излучения на фотоэлемент вырабатывается фото-

ток, который после усиления попадает на индикаторное устрой-

ство, и производится отсчет Z\. Для получения отсчета Z

фото-

элемент перемещается сначала значительно выше луча, а затем

сверху вниз. Отсчет, соответствующий положению центра пятна,

вычисляется как среднее из двух отсчетов

4* 99

„ _ Ji±Z

Zo~

Метод может быть использован и для створных наблюдений,

в этом случае фотоэлемент перемещают перпендикулярно к оси

луча в горизонтальной плоскости.

Погрешность определения положения центра пятна будет в

значительной степени зависеть от распределения освещенности

в пятне, а также от порога срабатывания фотоприемника (уров-

ня освещенности, при котором срабатывает фотоприемник).

В случае, когда лазер работает в режиме осевых колебаний,

распределение освещенности I

в поперечном сечении луча

гауссово (рис. 67, б) и определяется выражением [26]

G (Z-Z

•

(III

где Z— Z

— расстояние по радиусу от центра пятна; Z

— ко-

ордината центра пятна; Р — мощность лазера; D — диаметр

пятна, при котором освещенность уменьшается в е

раз по

сравнению с тем, что имеется в центре.

Если обозначить

/ =

nD*

формула (III.8) примет вид

/z = V . (III.9)

Изменение освещенности (см. рис. 67, б) у краев пятна и

в его центре происходит довольно плавно и поэтому установ-

ление слишком высокого или слишком низкого порога срабаты-

вания может привести к значительным погрешностям в опре-

делении координаты Zo.

Для правильного выбора порога срабатывания необходимо

исследовать кривую распределения на максимум и определить

положение точки перегиба. Предварительно сделаем замену

—

Первая производная

= — 16/

е-*"

ы.

Вторая производная

1'(и) = — 16/

б-

"' (I — 16ы

Точка перегиба

- 1

"1.2 = ± —.

100

После обратной замены переменной

Z\.2 = Z

(ШЛО)

Максимальная крутизна кривой распределения освещенно-

сти будет

в точках Zi,2 = Z

± —, отстоящих одна от другой на величину

Z 1.2=— (см. рис. 67, 6). Значение освещенности в точках /пор

получается после подстановки Zi.

в формулу (III.9)

Наибольшая точность фиксации центра пятна по его краям

будет в случае, когда порог срабатывания фотоприемника со-

ответствует освещенности /

по

р.

В настоящее время получают распространение системы, в ко-

торых для определения высотного положения объектов исполь-

зуется опорная световая плоскость, создаваемая сканированием

лазерного луча. Точность определения положения центра пятна

в этом случае, очевидно, будет зависеть не только от порога

срабатывания фотоприемника, но и от того, какое время дей-

ствует излучение на фотоэлемент, что в свою очередь зависит

от скорости развертки луча, а также от положения фотоэле-

мента по вертикали относительно центра пятна.

Время действия зависит от линейной скорости луча в точке

наблюдения v, а также от положения фотоэлемента относи-

тельно центра пятна — координаты Z

{

Скорость перемещения пятна

где со — угловая скорость развертки луча; L — расстояние от

излучателя до точки наблюдения.

Время действия луча на фотоэлемент (рис. 68, а)

= ±±I

v = 2жо£,

(III.11)

Zi а

Рис. 08. Установление времени действия лазерного излучения на фотоэлемент

101

или с учетом выражения (111.11)

t = (III.12)

2тшЬ

где значение величины а может быть найдено как AS/AZ при

A Z<D.

С изменением координаты Z* значение а меняется и может

быть найдено по формуле

а = 2~[/ R

— (Z

— Z

)

. (III.13)

где Z

— координата центра пятна; Z* — координата текущей

точки при условии, что Z{ изменяется в пределах от Z

— R до

+ R, где R — радиус пятна.

В случае применения объектива, установленного перед фото-

элементом (рис. 68,6), получается, что время действия излу-

чения на фотоэлемент несколько увеличивается по сравнению с

временем, определяемым по формуле (III. 12), и в этом случае

можно найти из выражения

; =

a + D

° , (III. 14)

где D

— размер объектива.

Из формулы (III.14) видно, что для увеличения времени воз-

действия излучения на фотоэлемент необходимо увеличивать

значения а и D

. Согласно формуле (III.13) максимальное зна-

чение а равно даметру пятна: Однако, когда значения а при-

ближаются к 2/?, изменению AZ соответствуют очень малые при-

ращения А а. Получается, что увеличение а связано с увеличе-

нием диаметра D, а это нежелательно. Следовательно, при прак-

тически приемлемом размере объектива D

время воздействия

излучения на фотоэлемент можно регулировать только ско-

ростью развертки луча.

Исследования точности фотоэлектрического способа индика-

ции при определении отметок точек относительно горизонталь-

ного лазерного луча проводились автором на трассе длиной

300 м с помощью специальной рейки с подвижной фоточувстви-

тельной головкой. На рис. 69, а показана схема, а на рис. 69, б —-

общий вид рейки. Фоточувствительная головка имеет фотоэле-

мент /, объектив 2, усилитель 3, индикатор 4

отсчетный ин-

декс 5, блок питания 7, противовес 8, уравновешивающий массу

фоточувствительной головки. Использовалось два командных

прибора. В первом лазерный луч устанавливался горизонтально

с помощью контактного цилиндрического уровня, во втором —

использовался оптико-механический компенсатор нивелира с са-

моустанавливающейся линией визирования. На выходе команд-

102

ных приборов устанавливалась система развертки, оптическая

часть которой представляет собой перескопическую систему из

двух зеркал (рис. 70). Нижнее зеркало 1 неподвижно, а верх-

f 2

Рис. 69. Рейка с фоточувствительной головкой

нее 2 совершает колебания вокруг вертикальной оси таким

образом, что луч сканирует в горизонтальной плоскости в пре-

делах При работе с рейкой фоточувствительную головку

перемещали снизу вверх и в момент, когда лампа индикатора

начинала мигать, по шкале рейки снимали отсчет, соответствую-

щий нижнему краю лазерного луча. Затем передвигали фото-

чувствительную головку вверх и начинали перемещать ее сверху

вниз, и при появлении сигнала снимали второй отсчет, соответ-

ствующий верхнему краю лазерного луча. Положение опорной

плоскости (центр лазерного луча) определялось как среднее

арифметическое из двух отсчетов. Наблюдения выполнялись в

периоды спокойного изображения, симметрично во времени с

целью ослабления погрешностей, вызываемых изменениями

внешних условий. Сравнение зависимостей (рис. 71) средней

квадратической погрешности определения отметок т от расстоя-

ния L, вычисленных по результатам работы для командного

прибора с контактным цилиндрическим уровнем 1 и команд-

ного прибора на базе нивелира с самоустанавливающейся

линией визирования 2, показывает, что точность определения

отметок с помощью последнего выше.

103

Рис. 70. Схема системы развертки ла-

зерного луча

Рис. 71. Зависимости погрешно-

стей определения отметок:

1 — для командного прибора с цилин-

дрическим уровнем, 2 — для командно-

го прибора с компенсатором

Следует также отметить, что при работе с командным при-

бором на базе нивелира с самоустанавливающейся линией

визирования не требуется постоянного присутствия оператора,

контролирующего работу прибора.

Глава IV

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ПРИБОРОВ

ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ НА РАЗЛИЧНЫХ

ЭТАПАХ МЕЛИОРАТИВНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

§ 19. Применение лазерных приборов

на стадии изысканий

В настоящее время появляются новые приборы и системы,

позволяющие автоматизировать процесс геодезических изме-

рений на стадии изысканий, а именно: при создании съемоч-

ного обоснования, составлении профилей местности и съемке

рельефа.

Процесс построения планового обоснования значительно

ускоряется с использованием новых светодальномеров, в кото-

рых в качестве источника излучения используется гелий-неоно-

вый лазер либб светодиод. Эти приборы можно использовать и

для измерения расстояний при трассировании каналов и трубо-

проводов, контрольных измерений при выполнении разбивочных

работ.

В нашей стране серийно выпускается фазовый светодаль-

номер. 2СМ-2. В качестве источника излучения в нем исполь-

зуется полупроводниковый диод, работающий в некогерентном

режиме. Значение измеряемого расстояния высвечивается на

электронном цифровом табло. Светодальномер снабжен автома-

тическим устройством, прекращающим измерения при пересе-

чении луча какой-либо преградой (пешеход, автомашина и т. д.)

и продолжающим измерения после того, как преграда устра-

нена с пути. Диапазон измеряемых расстояний 2—2000 м, сред-

няя квадратическая погрешность измерения ±2 см. Масса при-

бора 4,6 кг.

Светодальномер МСД-1 предназначен для измерения

расстояний от 1 до 300 м со средней квадратической погреш-

ностью 1 MMdzl-lO

-5

D. Источником излучения служит арсенид-

галлиевый диод, длина волны излучения

= 0,84 мкм. Масса

прибора 10 кг.

Светодальномер Di3S фирмы «Вильд» (рис. 72) [31]

представляет собой насадку на трубу теодолитов той же фир-

мы (Tl, Т2, Т16). Электронный блок дальномера устанавли-

вается на штативе, в верхней его части имеется посадочное

гнездо для закрепления теодолита. В качестве источника из-

105

Рис. 72. Светодальномер Di3S

лучения используется арсенид-галлиевый светодиод. Мощность

излучения 0,02 мВт. Дальность действия прибора 1 км с одной

отражательной призмой, 1,6 км с тремя и 2 км с девятью приз-

мами. Погрешность измерений 5 мм + /)-5-10~

. После наведе-

ния на цель и определения горизонтального направления и вер-

тикального угла нажатием кнопки включается в работу дально-

мерная система электронного блока и автоматически измеря-

ется наклонное расстояние. В электронном блоке имеется каль-

кулятор, который после введения в него значения вертикаль-

ного угла вычисляет превышение и горизонтальное проложе-

ние.

106

Следует выделить отдельную группу приборов — электрооп-

тические тахеометры, представляющие собой сочетание фазо-

вых светодальномеров с кодовыми теодолитами. Использование

электрооптических тахеометров позволяет создавать съемочное

обоснование принципиально новыми способами: плановое по-

ложение точек обоснования определять полярным способом, а

высотное — тригонометрическим нивелированием с точностью

не ниже чем при использовании традиционных методов.

В ГДР фирмой „Карл Цейсс, Иена" разработан прибор

EOT 2000 — электронный тахеометр, который предназначен

для измерения расстояний в диапазоне от 0,2 до 2000 м со сред-

ней квадратической погрешностью ±10- мм. Отсчеты по гори-

зонтальному и вертикальному кругам выполняются визуально.

Средняя погрешность направления, измеренного при КП и КЛ,

для горизонтального и вертикального кругов составляет ±1".

Вертикальный круг снабжен компенсатором. Диапазон ком-

пенсации ±4', а погрешность компенсации ±0,3". В качестве

источника излучения используется люминесцентный диод GaAs.

Длина волны излучения 0,91 мкм. Прибор снабжен калькуля-

тором, с помощью которого вычисляют горизонтальные проло-

жения и превышения.

В геодиметре модели 700 [31] шведской фирмы AGA

(рис. 73) в качестве источника излучения используется гелий-

неоновый лазер, выходная мощность которого 1 мВт. Прибо-

ром можно измерять расстояния до 5 км с погрешностью

5 мм + LMO

-6

, горизонтальные и вертикальные углы со сред-

ними квадратическими погреш-

ностями 2 и 3" соответственно. ^

Для измерения углов исполь-

зуют кодированные лимбы. На

диск лимба нанесен ряд про-

зрачных и непрозрачных полос.

При вращении лимба интенсив-

ность света, проходящего через

диск, периодически изменяется.

Определенному углу соответст-

вует некоторое целое число

периодов и дробная его часть.

Минимальная ширина полос свя-

зана с размерами фоточувстви-

тельного элемента, которые в

геодиметре равны ~

мм

. Вы-

сокая точность измерения углов

в приборе достигается благодаря

использованию муарового эффек-

та, который возникает при опти-

ческом наложении диаметрально

противоположных частей лимба. Рис. 73. Геодиметр 700

107