Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

ми параметрами и другими сооб-

ражениями.

Габаритный расчет опти-

ческих систем с лазерами произ-

водится в предположении, что

сферическому фронту падающе-

го на линзу пучка с радиусом

кривизны R соответствует вооб-

ражаемый гомоцентрический

пучок, центр которого располо-

жен на расстоянии S от линзы

(рис.

47). В идеальной оптичес-

кой системе сопряженные рас-

стояния S и S\ а следовательно,

радиусы кривизны R и R' связаны известной формулой Гаусса

Рис.

47. Схема преобразования пучка ла-

зера

положительной линзой

В качестве исходных данных для расчета принимаются конфокальный

параметр положение плоскости перетяжки относительно оптической

системы d. Преобразованный пучок характеризуется новым конфокаль-

ным параметром R^ и расстоянием d' от линзы до перетяжки. Для габа-

ритного расчета оптических систем с лазерами основными являются сле-

дующие соотношения:

(1 +

<///')

+ (Я,/2/У

1 -

(1 +

d/f')

/2/V

(7.66)

(7.67)

Концентрацию излучения лазера на значительные расстояния (не-

сколько сот метров) в пятно небольших размеров (несколько милли-

метров) однокомпонентной системой осуществить невозможно. Такую

концентрацию можно осуществить лишь двухкомпонентной оптической

системой. Первый компонент выбирают короткофокусным, чтобы полу-

чить возможно малое значение R'

. Фокусное расстояние f'

второго

компонента и расстояние его d

от перетяжки, образованной первым

компонентом, выбирается из условия

(R;j2f;f<

о + с/

Для этого случая выражения

(7.66), (7.67),

отнесенные ко второму ком-

поненту, принимают вид:

= Л

<W)

;

i/(i+

djfi).

Расчет дальности действия приборов

лазерами подробно

изложен

монографии

Ю.М.

Климкова

[11].

Приведем наиболее часто

используемые

при

расчетах зависимости.

Распределение интенсивности

пучке лазера равномерное, объ-

ект — плоская диффузная поверхность,

расходимость пучка, выходя-

щего

из

передатчика, больше углового размера объекта.

В этом случае дальность действия:

4 / — —

л/Ф^об

зр

пср

пр

об

cos

а/</Ф

ясо

пср

(7.68)

где

Ф -

величина потока излучения

на

выходе передатчика;

б -

пло-

щадь объекта;

ВХ

зр

— площадь входного зрачка приемника; т

пср

—

коэффициент пропускания передающей оптической системы;

—

коэф-

фициент пропускания среды

(в

одном направлении);

пр

—

коэффици-

ент пропускания приемной оптической системы;

об

коэффициент

диффузного отражения объекта;

—

угол между направлением падающе-

го луча

нормалью

облучаемой поверхности объекта;

—

требуемое

отношение сигнал/шум;

—

порог чувствительности приемника;

со

пср

телесный угол пучка передатчика.

Формула

(7.68)

применима, если величина

больше эквивалент-

ного конфокального параметра пучка, выходящего

из

передатчика

—

ncp'

Если

L <

Лэ

пер

т0

расчет производят методом последователь-

ных приближений

по

формуле

у/Ф5

об

вх

зр

пср

т\ т

пр

об

cos

а/я</

5, (7.69)

где

S -

площадь сечения пучка, перпендикулярного

направлению луча,

в плоскости объекта.

При тех же

условиях,

что и в п. 1, но при

расходимости пучка

меньшей,

чем

угловой размер объекта,

вычисляют

по

формуле

у/Ф5

ВХ

зр

пср

пр

об

cos а/я q Ф

. (7.70)

Распределение

пучке равномерное, объект

—

блок призменных

уголковых отражателей (катафотов)

или

трипельпризм.

16Ф5

об

вх. эрРоб

перТс

пр

= V , (7.71)

q Ф

ер

(X/d cos а

•

л)

где

пср

расходимость пучка

на

выходе передатчика, причем телесный

угол со

пср

= (я/4) 0 п

Ср

; X -

длина волны падающего

на

отражатель

излучения;

—

линейный размер входной грани одного элемента блока

отражателей;

п -

расходимость отраженного пучка

угловых секундах

из-за неточности изготовления отражателей.

Распределение равномерное, объект имеет сферическую форму,

а отражение носит

как

диффузный,

так и

зеркальный характер:

/16

ФЛ

зр

пер

т'

пр

(р,/4 +

Рдиф

/3)

= V —— , (7.72)

**п**£ер

где

R -

радиус сферы объекта;

ди

коэффициенты зеркального

и диффузного отражения объекта.

Распределение интенсивности

пучке лазера подчиняется закону

Гаусса (одномодовое излучение).

этом случае

для

объекта

виде

плоской диффузной поверхности

при

угловом размере объекта, мень-

шем угловой расходимости пучка

*об

BX.

зр 'пер

т\

об

cos

а "7

= V

-8С/»пер^)

(7J

«*n*

nep

где

г -

расстояние

от

центра объекта

до оси

пучка, причем принимается,

что размер пятна

со

рассчитывается

по

уровню

1/е

, а

распределение

плотности мощности

по

площади объекта равномерное. Очевидно,

что

по формуле

(7.73)

расчет

производят методом последовательных

приближений. Первым приближением будет значение

Л,

вычисленное

при

= 1 и г = 0.

Для случая, если угловой размер объекта больше угловой расходи-

мости пучка, дальность рассчитывают

по

формуле

(7.70).

При указанных допущениях

для

объекта

виде блока катафотов

или сферической поверхности

случае распределения интенсивности

по

закону Гаусса формулы

для L

отличаются

от

формул

пп. 3 и 4

множи-

тслем

2 е

Передатчик

приемник расположены

на

различных концах трассы:

а) распределение интенсивности равномерное (многомодовое излу-

чение), расстояние

достаточно большое:

—

V(^^BX.

зр

пср

пр

/^cj

nep

)cosa;

(7.74)

б) распределение интенсивности подчиняется закону Гаусса (одно-

модовое излучение)

2Ф

*вх.зр Vp

np«>

exp

^пер''*

]

- V , (7.75)

п"пер

где

г -

расстояние

от

центра входного зрачка

до

оптической

оси

переда-

ваемого пучка, измеряемое

плоскости входного зрачка приемной опти-

ческой системы.

Очевидно, что наибольшая дальность действия получается, когда

ось пучка совпадает с центром входного зрачка (при г = О

exp[-8(r/0

nep

]

= l).

Техника безопасности и ее учет при проектировании и эксплуатации

приборов с лазерами. Ранее было отмечено, что при использовании лазер-

ного излучения в приборах с визуальным отсчетом следует учитывать,

что прямое попадание достаточно мощного лазерного пучка в глаз на-

блюдателя весьма нежелательно, так как это может привести к ухудше-

нию зрения. Допустимая доля облучения зависит от времени и спектраль-

ного состава излучения.

Установлено, что в диапазоне 0,4— 1,4 мкм лазерное излучение про-

ходит через глаз практически без поглощения и фокусируется на сетчат-

ке,

что приводит к возрастанию плотности на четыре - пять порядков

[19].

Экспериментальные исследования показывают, что предельно до-

пустимый безопасный уровень энергетического количества освещения

для глаза при работе с лазером

—

•

10"

Дж/м

. Следует учитывать, что

даже при относительно небольшой мощности излучения применяемых

лазеров, не оказывающей вредного влияния на кожу человека, исполь-

зование телескопических систем приводит к заметному увеличению

энергетического количества освещения, доза которого может оказывать-

ся больше допустимой и опасной для зрения.

При проектировании лазерных приборов необходимо рассчитать

уровень энергетического количества освещения, особенно в случае визу-

ального отсчета. При работе с лазерными приборами следует оберегать

глаза от прямого попадания лазерного излучения и соблюдать следующие

правила техники безопасности [19]: пучок не должен выходить за преде-

лы рабочей площадки, он должен проходить по возможности выше голо-

вы или ниже пояса человека; перед работой необходимо удалять все

хорошо отражающие предметы из зоны действия лазерного пучка; во

время работы соблюдать меры предосторожности, как при работе с вы-

соковольтными установками; все рабочие должны быть информированы

о вредном действии лазерного излучения на сетчатку глаз; место произ-

водства работ необходимо оградить и установить предупредительный

сигнал, плакат или сигнальную лампу.

§ 39. Фотоэлектрические и телевизионные устройства

ориентации и наведения

С целью повышения точности и автоматизации визирования создаются

фотоэлектрические, телевизионные и другие устройства и системы.

Вопросы автоматизации визирования решаются как при визирова-

нии на неподвижные цели, так и при наведении и слежении за подвижны-

ми целями. Имеется большое разнообразие схем фотоэлектрических

устройств. Получили распространение схемы, основанные на сравнении

двух частей излучения потока, разделенного светоделительным блоком

(рис.

48, а, в). На рис. 48, б представлена принципиальная схема автома-

тического угломерного устройства для наведения на цель и слежения

Рис. 48. Схема фотоэлектрического устройства:

а ~ разделение пучка призмой анализатором; б

—

принципиальная схема с генера-

тором опорного напряжения; в - схема фотоэлектрического устройства диффе-

ренциального типа

за нею. Сигнал рассогласования на выходе фазочувствитсльного выпря-

мителя усилителя У управляет двигателем Д,, который через редук-

тор Р перемещает компенсатор К. При модуляции светового потока вы-

рабатывается опорное напряжение ОН. Направление перемещения опре-

деляется знаком напряжения, полученного на выходе усилителя рассог-

ласования. При совпадении фаз опорного напряжения и сигнала - напря-

жение положительно, если фазы отличаются на 180° - отрицательно, при

отсутствии сигнала напряжение равно нулю и двигатель не вращается.

Схема представляет собой типичную систему автоматического ре-

гулирования. В качестве компенсатора может быть применен оптиче-

ский компенсатор из рассмотренных в § 49 (илоскопараллельная

пластинка, оптический клин, телескопическая линза и др.).

В МИИГЛиК создан высокоточный фотоэлектрический датчик диф-

ференциального типа для створных измерений. Функциональная схема

датчика приведена на рис. 48, в.

Модулированный световой поток от источника света свстодслитсль-

ным блоком 2 разделяется на два потока, которые воспринимаются

фотодиодами / и J. После предварительного усиления усилителями 4

и 5 электрические сигналы от фотоприемников подаются через разде-

лительные емкости 6 и 7 на электронное устройство 8 выделения мгно-

венной суммы и разности сигналов. Разность и сумма сигналов усилива-

ются электронными усилителями 9, 10 и поступают на фазовый детек-

тор 12, к выходу которого может быть подключен регистрирующий при-

бор 13. Для исключения влияния на точность измерений изменения

мощности излучателя и метеоусловий в схеме применено устройство 11

автоматической регулировки усиления (АРУ). Через АРУ выход усили-

теля 10 суммы сигналов подключен ко входу усилителя 9 разности

сигналов. В [16] отмечено, что лабораторные исследования показали

высокие точностные возможности прибора, построенного по приведен-

ной схеме. Средняя квадратическая ошибка в измерении угла состави-

ла 1" в диапазоне ± 60" и 0,25 " в угловом диапазоне ± 10".

Чувствительность устройства можно оценить исходя из следующих

соображений. Принимаем изображение цели за кружок радиуса г и рас-

пределение освещенности в кружке считаем равномерным. Тогда раз-

ность потоков, разделенных ребром призмы, будет пропорциональна

разности площадей (см. рис. 48, а).

При смещении ребра призмы с оси симметрии потока а а на величи-

ну 6 (положение ЬЪ) разница площадей будет составлять AS = 2(2г6),

так как площадь смещения 2rb прибавится к одной части потока и от-

нимется от другой. Тогда

AS 46r 46

F S

Tlr

7tr

Величина 6, выраженная через параметры оптической системы,

a" W/'

6 = — /' и AF = —

Р Лг р

Для визирования на неподвижную цель в МИИГАиК А.И. Демушкиным

разработана фотоэлектрическая насадка геодезического инструмента

"ФЭНГИ". Принцип работы насадки заключается в следующем. В фо-

кальной плоскости оптической системы теодолита расположена нить,

которая с помощью электронного генератора приводится в механиче-

ское колебание и вибрирует с частотой

со.

При отклонении изображения

цели в ту или иную сторону от оси нити появляется частота модуляции,

равная частоте генерации электронного генератора, причем при смещении

изображения цели в другую сторону от нити фаза этой частоты изменя-

ется на 180°. При совмещении изображения цели с осью колеблющейся

нити световой поток цели за нитью оказывается модулированным с час-

тотой 2

со,

т.е. с удвоенной частотой генерации электронного генератора.

Модулированный световой поток подается на катод фотоэлектронного

умножителя, где преобразуется в электрические колебания, которые

усиливаются и через частотно-фазовый детектор подаются на стрелочный

нуль-индикатор. По нуль-индикатору оператор совмещает вибрирующую

нить с изображением цели. Грубое наведение на цель осуществляется,

как обычно, через окуляр трубы.

В экспериментальных мастерских МИИГАиК изготовлен макет

фотоэлектрической насадки для теодолита ОТ-02. По результатам много-

кратных измерений средняя квадратическая ошибка визирования тсо-

W - B.C. Плотиков

долитом ОТ-02 с фотоэлектрической насадкой получилась 0,3", а сред-

няя квадратическая ошибка измерения угла 0,5" [16].

Телевизионные устройства. Телевизионные устройства могут быть

применены для измерения углов, регистрации и измерения линейных

координат изображений объектов в кинотеодолитах, приборах спутни-

ковой геодезии, а также в гидирующих устройствах телескопов. Как

известно, в отличие от других приемников измерения передающая теле-

визионная трубка сообщает информацию о многих элементах изобра-

жения поля камеры, поля зрения трубы или микроскопа. Если N - чис-

ло строк линейной развертки и m — число разрешаемых элементов

по строке, то общее число элементов изображения будет п = mN KN

где

К = /1 h\ I

—

длина строки; И - высота растра. Важным преимуще-

ством телевизионных устройств по сравнению, например, с фоторегист-

рирующими камерами является возможность получения результата

в реальном масштабе времени, а также возможность одновременной

регистрации и визуального наблюдения. С помощью телевизионных

устройств можно проводить дистанционные наблюдения в недоступ-

ных для наблюдателя местах, наблюдения нескольких точек объекта

и нескольких объектов, что также очень важно, например, в астрономи-

ческих системах, использующих для привязки поле опорных звезд.

Телевизионное устройство состоит из оптической приемной систе-

мы,

передающей трубки, передающих и принимающих электронных

блоков, приемной трубки или прибора для регистрации и обработки

измерительной информации. Кроме обычной индикации в систему обра-

ботки информации могут быть включены вычислительные устройства.

Телевизионные устройства удобны еще и тем, что они могут соста-

вить как самостоятельные, так и параллельные каналы регистрации.

Каналы могут работать параллельно, для чего в оптическую схему вклю-

чаются полупрозрачные зеркальные элементы (рис. 49), или поочередно,

для чего в оптическую схему вводятся зеркала или призмы, убирающие-

ся при переключении каналов.

Выбор телевизионного приемника излучения - передающей трубки

определяется характеристиками объекта и принципами построения

системы.

Передающие телевизионные трубки делятся на трубки без накопле-

~Тг;

Телеви-

зионная

система

Ок

Рис. 49. Оптическая схема с использованием телевизионной системы

пия, реагирующие только

на

мгновенный световой поток,

трубки

с на-

коплением, которые накапливают световую энергию.

первым отно-

сятся трубки типа диссектор.

Ко

вторым

трубки следующих типов:

1) ортикон

супсрортиконы (ORTH), изоконы

(1SOC); 2)

видикон:

видиконы

(VTD);

б)

плюмбиконы (РЬО);

в)

кремниконы

(Si);

г)

видиконы

усилителем яркости

(IVID);

д)

секоны

(SEC);

е) суперкремниконы

(S1T).

В конце

60-х

годов

астрономических оптико-электронных систе-

мах стали применять передающие телевизионные трубки, обеспечиваю-

щие работу систем

условиях низкой освещенности.

Так,

изокон имеет

высокую чувствительность

видимой части спектра, кремникон имеет

спектральную чувствительность

области спектра

— от

видимой

до

ближней инфракрасной. Трубки типа видикон имеют различные разно-

видности

работают

видимой, ультрафиолетовой

(0,23-0,6 мкм)

и инфракрасной

(0,7-2,0 мкм)

частях спектра, плюмбиконы отлича-

ются низким шумом

малой инерционностью,

суперкремниконы

очень высокой чувствительностью

[40].

В табл.

приведены некоторые характеристики передающих трубок.

Общее увеличение системы

телевизионным каналом

общ

равно

о6т

^опт^тсл.

(

где

оПТ

увеличение приемной оптической системы;

TQn

увеличе-

ние телевизионного канала.

Увеличение телевизионного канала определяется отношением попе-

речных размеров растров приемной

передающей трубок,

т.е.

^тсл

/'пр/Апер-

(

)

Телевизионное увеличение

при

наблюдении

на

экране кинескопа

с поперечным размером растра

пр

= 220 мм в

зависимости

от

размера

растра передающей трубки меняется примерно

от 9 до 48

Разрешающая способность телевизионной системы определяется

числом темных (светлых) линий

на

размере растра

h в

зависимости

от числа строк развертки

N. Для

нормальной системы разрешающая

способность приемного (передающего) устройства равна: вдоль строк

= 0,89

TV,

поперечном направлении

—

0,5 N.

Различимость деталей определяется величиной

= —— N, где

величина изображения детали

линиях.

Дальность действия

системы

приемником телевизионного типа,

определяющая вероятность обнаружения

распознавания объекта

при

низкой освещенности, зависит

от

отношения сигнал/шум

на

выходе

телевизионного датчика, которая,

свою очередь, зависит

от

освещен-

ности, характеристик передающей трубки, стандарта разложения

конт-

раста.

Таблица

Наименование

трубок

Максимальная

спектральная

чувствитель-

ность,

мкм

Размер

растра,

мм

Экспозиция,

лк*с

Разрешающая

способность,

линий на 1

мм

Ток сигнала,

мкА

Инерционность,

Время накопле-

ния,

Видикон

0,42-0,78

,5xl2,7

460-900

0,1-0,3

30-60

0,164

0,35-0,75

4,5x6,0

l,5xl(f

240-500

0,05-0,1

40-50

0,164

Диссектор

0,48

100

5х10

Суперорти-

0,5

24x24

420-800

4-60

кон

Изокон

0,4-0,7

500-900

Суперкрем-

Зхю"

320-500

ни кон

Освещенность.

Экспериментальные исследования показывают,

что

увеличение вре-

мени накопления

в 2

раза приводит

увеличению

/ в y/l раз [43].

Большое значение

для

условия регистрации имеет скорость движе-

ния объекта. Быстро движущийся объект имеет тянущееся изображение.

Критерий скорости смещения изображения

на

планшайбе трубки связан

ее

инерционностью.

При

условии удовлетворительной регистрации

изображение объекта должно иметь скорость,

не

превышающую опреде-

ленной величины, устанавливаемой обычно экспериментально.

[39]

сообщается

об

использовании видикона

№ 156 с

мишенью

PbQ-PbS,

имеющего широкий диапазон спектральной чувствительности,

для исследования многих астрономических объектов

нескольких

спектральных интервалах, соответствующих окнам прозрачности атмо-

сферы. Телевизионный датчик работал

со

стандартом разложения

625,

но

при съемках планет экспозиция удлинялась

до 10 с. При

этом размеры

изображения объекта составляли порядка

16 мкм.

Разрешающая спо-

собность трубки

156 - 500

линий

пересчете

учетом астрономиче-

ских параметров 105-миллиметрового телескопа обеспечивала угловое

разрешение

до 1".

Чувствительность видикона позволила

зонах

1200

1600 нм

наблюдать объекты, визуальная яркость которых характери-

зуется

5-6-й

звездной величиной.

Сочленение передающих телевизионных трубок

усилителями

яркости через волоконноюптические планшайбы позволяет существен-

но

(на 1-3

порядка) повысить чувствительность телевизионных дат-

чиков

точечным объектам,

не

ограничивая разрешение трубок

при

малых освещенностях

[42]-

Во всех случаях спектральная характеристика телевизионных прием-

ников должна возможно ближе подходить

спектру излучения объек-

та,

охлаждение приемников улучшает

их

характеристики.

Большое значение имеет обработка видеосигналов телевизионных

датчиков. Новым направлением

фильтрации

цифровой обработке

изображений является использование логических фильтров.

Сущность логической фильтрации заключается

в том, что вся

обра-

ботка телевизионного изображения осуществляется

не в

пространствен-

ной области,

а в

пространстве первичных образов, куда отображается

исходное телевизионное изображение

[41].

Цифровая обработка теле-

визионных изображений

сочетании

элементами вычислительной тех-

ники обеспечивает широкие функциональные возможности

гибкость

систем.

Фотометрические измерения производятся сравнением видеосигна-

ла

от

объекта

опорным видеосигналом, полученным

от

этого

же

теле-

визионного датчика, оптически связанного также

и с

источником света

известной интенсивности. Если высокой точности

не

требуется, яркость

объекта устанавливается

по

размаху видеосигнала

без

сравнения

опорным.

При измерении координат объекта измеряют временную координа-

ту центра тяжести видеоимпульса

на

строке телевизионного растра,

при

измерении протяженности

площади объекта

длительность соот-

ветствующих видеоимпульсов. Повышение точности координатных

измерений достигается использованием следящего микрорастра

окрест-

ностях объекта

[40].

Для оптико-электронных систем

электронным сканированием,

работающих

невещательном стандарте разложения,

США предложена

частота кадров

60 Гц и

следующая последовательность числа строк:

525,729,875,945,

1029, 1225 [38].

Глава

РАБОЧИЕ МЕРЫ

40.

Основные требования, предъявляемые

рабочим мерам

геодезических приборов. Классификация рабочих

мер

§ 5

показано,

что при

геодезических измерениях линейные

или

угловые величины сравниваются

соответствующими единицами

рабочими мерами. Отмечено также,

что

рабочая мера может воспро-

изводить лишь величину, измеряемую прямым измерением.

Так, при

измерении линий

превышений прямым способом

приборе должна

быть линейная рабочая мера

рулетка, лента, проволока, рейка

и т.п.

При измерении

тех же

линий, например, евстодальномером прямым

измерениям подвергается время

или

частота, поэтому рабочая мера

должна воспроизводить время

или

частоту. Времяимпульсные