Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

тельным и более объективным, чем процесс измерения с обычными

теодолитами.

Автоматизированный углоизмерительный комплекс обычно

включает в себя углоизмерительный прибор с преобразованием ин-

формации к виду, удобному для машинной обработки, и вычисли-

тельную машину. Использование кодового теодолита без ЭВМ не-

целесообразно, так как требуется расшифровка закодированных

результатов измерений и составление варианта обычного полевого

журнала.

ТЕОДОЛИТ ТК (рис. III.14) —кодовый, с фотографической ре-

гистрацией, разработан в СССР и отличается относительно низкой

стоимостью. Он предназначен для измерения углов в теодолитных

и тахеометрических ходах при создании съемочных сетей. Основ-

ные технические характеристики теодолита ТК:

Увеличение зрительной трубы, крат 25

Угол поля зрения ГЗО'

Коэффициент нитяного дальномера 100

Диаметры вертикального и горизонтального кругов, мм 90

Увеличение проекционной системы кругов, крат .... 17

В теодолите применены угломерные круги, на каждом из кото-

рых нанесены две штриховые кодовые дорожки. На одной из них —

дорожке грубого отсчета — нанесены 399 штрихов с интервалами

И00

сс

, а на другой — дорожке точного отсчета — 400 штрихов,

с интервалом в I

. Нулевые штрихи расположены один над дру-

гим по радиусу делительной окружности. Диаметрально противопо*

ложные участки круга при помощи оптического моста совмещают^

Рис. II 1.14. Кодовый теодолит

ТК с фотографической регист-

рацией

Рис. III.

15.

Кодовый теодолит

FLT3K с фотографической ре-

гистрацией

ся, что позволяет исключить ошибку эксцентриситета и значитель-

но повысить точность измерений.

Совмещенные изображения рабочих участков с кодовой маской

проецируются в фокальную плоскость фоторегистратора, в окне

диафрагмы которого расположен масштабный элемент (тактовая

дорожка), состоящая из 400 чередующихся прозрачных и непро-

зрачных полос.

Устройство

проявления фото-

пленки

Вычисли-

тель

Автоматиче-

ский коорди-

натограф

Рис. II 1.16. Схема процессов регистрации и обработки

измерительной информации

Декодирование фотопленки с результатами измерений произво-

дится при помощи считывателя фильмов СФ-400 или вручную при

наличии инструментального микроскопа.

ТЕОДОЛИТ FLT3K (рис. III.15)—кодовый теодолит секунд-

ной точности, с фотографической регистрацией, разработан фирмой

«Феннель» (ФРГ). Результаты полевых измерений, зафиксирован-

ных на 35-миллиметровую фотопленку, обрабатывают в вычисли-

тельном центре. Кассета теодолита содержит Юм пленки, на кото-

рой делается 600 записей. После проявления пленку подают на вход

преобразователя Z84 (рис. II 1.16), который автоматически считы-

вает информацию с ленты со скоростью 80 записей в минуту. Одно-

временно преобразователь Z84 записывает информацию на перфо-

ленту. Затем перфоленту закладывают в вычислитель Z23, где код

преобразователя Z84 преобразуется в код вычислителя Z23.

С помощью вычислителя Z23 усредняются измеренные величины и

обрабатывается полигон. В результате вычислений получают ката-

лог координат точек полигона как в десятичной системе, так и на

перфоленте. В свою очередь перфолента подается на вход авто-

матического координатографа.

В кодовом тахеометре фирмы Керн (Швейцария) также исполь-

зуют фотографическую регистрацию результатов. Он предназна-

чен для съемки ситуации полярным способом и позволяет регист-

рировать все необходимые элементы в один прием. Дешифрирова-

ние фильма также выполняют с помощью преобразователя Z84.

Труба тахеометра подобна трубе редукционного дальномера

двойного изображения с вращающимися оптическими клиньями,

позволяющими измерять параллактический угол на дальномерную

рейку. Оправа клиньев соединена с диском, на который нанесен

код, подобный коду лимба.

Горизонтальная рейка имеет три базиса: 60, 260 и 1000 мм, поз-

воляющие измерять расстояния 2,5—150 м.

Во время измерений на фотопленке регистрируются цифровая

и аналоговая информации для горизонтального и вертикального на-

правлений, параллактического угла, а также тактовая дорожка,

характеристика станции и длина используемого базиса.

Существенные недостатки кодовых теодолитов с фотографиче-

ской регистрацией — отсутствие контроля измерений непосредст-

венно в поле, сложность и громоздкость аппаратуры для камераль-

ной обработки, задержка в получении окончательного результата,

связанная с проявлением пленки. Кодовые теодолиты с фотоэлек-

трической регистрацией угла лишены указанных недостатков. Они

позволяют преобразовывать значение угла в электрические сигна-

лы в реальном масштабе времени. Для этой цели используют ана-

лого-цифровые преобразователи угол — код, рассмотренные в на*

чале данного параграфа.

ТЕОДОЛИТ КО-В1—кодовый, с фотоэлектрической регистра-

цией угла, разработан фирмой MOM (Венгрия). Отсчеты по гори-

зонтальному и вертикальному кругам производятся автоматически,

измеренные величины можно фиксировать на перфоленту, цифропе-

чать или передавать в телеграфную сеть. При наблюдении непо-

движных целей регистрируют одиночные отсчеты, либо серии, со-

стоящие из двух, трех или пяти отсчетов. Помимо регистрации зна-

чений горизонтальных и вертикальных углов, на перфоленту вно-

сятся с помощью специального устройства данные о станции. Вре-

мя, необходимое для одной регистрации, составляет 0,2 с.

Величину измеряемого угла (направления) можно получить и

визуально с цифрового индикатора, который имеет семь ламп. Пер-

вые три индикатора высвечивают градусы, четвертый — десятки ми-

нут и три последних — сотни, десятки и единицы секунд десятими-

нутного интервала. Технические данные кодового теодолита КО-В1

приведены ниже:

Увеличение зрительной трубы, крат 36

Наименьшее расстояние визирования, м 2,5

Среднеквадратическая ошибка однократно измеренного

угла, с:

горизонтального 0,7

вертикального 1,0

Температурный диапазон работы прибора, °С —15-*- +50

Масса теодолита (полного комплекта в транспортном

ящике), кг 12,5 (21,5)

Масса блока питания нетто (брутто), кг 13,5 (21)

Потребляемая мощность, Вт 70

Напряжение питания, В 12

Электронные тахеометры. На-

ибольшая автоматизация про-

цессов полевых измерений до-

стигается при использовании

электронных тахеометров, пред-

ставляющих собой кодовые тео-

долиты, конструктивно объеди-

ненные со светодальномерами.

Они измеряют и автоматически

регистрируют горизонтальные, зе-

нитные и наклонные расстояния.

Электронные тахеометры мож-

но использовать для съемки уча-

стков, сгущения опорных сетей, а

также при инженерных изыска-

ниях в промышленном и граж-

данском строительстве.

ТАХЕОМЕТР «Рег-Эльта 14»

(рис. III.17) был создан в ФРГ

фирмой «Оптон» в 1968 г. [18]. Ис-

точником излучения в этом при-

боре является светодиод арсенида

галлия, благодаря которому кон-

струкция светодальномерной ча-

сти весьма компактна. В комп-

лект тахеометра входят собст-

венно тахеометр, перфоратор для

ленты с источником питания и

уголковые отражатели. Технические характеристики электронного

тахеометра <чРег-Эльта 14» приведены ниже:

Увеличение зрительной трубы, крат 25

Диаметр входного отверстия, мм 35

Рис.

II 1.17.

Электронный тахео-

метр «Рег-Эльта 14»

Наименьшее расстояние визирования, м . .... 3

Дальность действия, м

Источник излучения .

Ошибка:

однократно измеренного расстояния, мм

измерения угла горизонтального, с . .

измерения угла вертикального, с . . . .

Масса приемопередатчика, кг 20

2000

светодиод арсе-

нида галлия

5—10

ТАХЕОМЕТР Геодиметр 700 (рис. III.18) позволяет автомати-

чески измерять расстояния до 5 км и углы. Он состоит из приемо-

передатчика, блока электроники и перфоратора. Для расстояния

до 100 м можно использовать отражающую фольгу, до 500 м —

рефлектор из пластика, до 1700 м — одну отражающую призму и

до 5000 м — шесть призм.

Счетчик электронного тахеометра имеет три программы, в зави-

симости от которых на цифровом индикаторе высвечиваются ре-

зультаты: 1) горизонтально-

го и вертикального углон; 2)

вертикального угла и на-

клонного расстояния; 3) го-

ризонтального угла и гори-

зонтального расстояния до

500 м. (Практика показала,

что при съемках полярным

способом и выполнении раз-

бивочных работ расстояния

более 500 м измеряются

крайне редко, так как при

больших расстояниях наб-

людатель, стоящий у инстру-

мента, теряет обзор местно-

сти).

При изготовлении счет-

ное устройство прибора

можно отградуировать так,

чтобы угловые величины бы-

ли либо градусными, либо

градовыми, а расстояние — либо в метрах, либо в футах.

Электронные блоки выполняют в виде панелей с печатными и

интегральными схемами. Благодаря этому можно легко проводить

контроль и заменять электронные узлы. Питание прибора осущест-

вляется от свинцового аккумулятора 12—6В, обеспечивающего при-

близительно 300 измерений. Технические характеристики электрон-

ного тахеометра Геодиметр 700 приведены ниже:

Увеличение зрительной трубы, крат 30

Диаметр входного отверстия, мм 60

Наименьшее расстояние визирования, м 1,7

Дальность действия, км до 5

Источник излучения Ge-Ne-лазср

Ошибка:

однократно измеренного расстояния L ... Ъ мм-НО

-6

измерения горизонтального угла, градовые с 10

сс

измерения вертикального угла, градовые с . 5

е с

Масса приемопередатчика, кг 14,2

Как показал опыт работ, применение электронных тахеометров

оправдано в техническом и экономическом отношениях. В частно-

сти, при крупномасштабных съемках четырех объектов прибором

«Рег-Эльта 14» можно одновременно со съемкой определять поло-

жение пунктов съемочного обоснования.

Рис. III. 18. Электронный тахеометр «Гео-

диметр 700»

По сравнению со съемкой обычным тахеометром производитель-

ность полевых работ повышается примерно на 15%. Однако из-за

значительной стоимости тахеометра «Рег-Эльта 14» желательно ор-

ганизовать работу так, чтобы инструмент был максимально загру-

жен (например, проводить работу в две-три смены).

Недостатки прибора — большая масса, недостаточная емкость

аккумуляторов, периодические неполадки в работе перфорирующе-

го устройства, необходимость наведения на отражатель.

Производительность измерений электронным тахеометром зави-

сит от снимаемой местности и степени подготовки оператора. На-

пример, при съемке сложной местности (обрыва, деревьев, постро-

ек) можно определить за день 250 точек, на открытой местности —

100 точек за час, на строительной площадке — 260 точек за три часа.

Для повышения производительности работ при съемке предла-

гается использовать сборные вышки высотой 4—10 м для установ-

ки инструмента и сборные рейки высотой до 7,5 м, снабженные трех-

гранными призмами в качестве цели для визирования (масса

рейки 3 кг). Измеренные данные и кодовые обозначения автомати-

чески регистрируются на табло тахеометра и переносятся на пер-

фоленту, которую можно ввести в ЭВМ для дальнейшей обработки.

Работа тахеометра «Рег-Эльта 14» была проверена на большом

количестве контрольных съемок, выполненных в густо застроенных

районах. Средние квадратические ошибки определения углов зда-

ний составляют ±1,8 см (при использовании обычного редукционно-

го тахеометра ±2,3 см). Стоимость полевых работ сокращается на

7з несмотря на то, что использование электронного тахеометра в те-

чение 8 ч обходится в 1.1 раз дороже использования обычного редук-

ционного тахеометра. Трудовые затраты на камеральную обработку

данных по сравнению с обычными методами сокращаются на 73%,

а стоимость — на 51%. Значительное сокращение затрат на каме-

ральную обработку данных, измеренных «Рег-Эльта 14», практиче-

ски уравнивает электронную тахеометрическую съемку с фотограм-

метрической, которая рентабельнее при составлении карт на боль-

шие районы.

§ III.3. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ УГЛОВЫХ

ИЗМЕРЕНИЙ

При решении ряда практических задач требуется непрерывно

определять либо угловые координаты движущегося объекта, либо

в течение длительного времени угловые координаты неподвижного

объекта. Использование кодовых теодолитов или электронных та-

хеометров для этих целей практически невозможно, так как при на-

ведении на подвижный объект возникают значительные личные

ошибки, а непрерывное длительное наблюдение объекта очень тру-

доемко.

Для решения подобных задач созданы лазерные сканирующие

теодолиты. Реальная возможность их создания [6] связана с разра-

боткой лазеров, обеспечивающих высокую угловую разрешающую

способность.

Лазерные сканирующие теодолиты, позволяют автоматически

осуществлять ряд операций, включая регистрацию, обработку ре-

зультатов измерений, поиск цели и наведение на нее. В результате

этого скорость измерений достигает нескольких сотен в секунду и

практически не зависит от числа наблюдаемых целей.

Наиболее простыми являются углоизмерительные устройства,

в которых используются методы угловых измерений, основанные

на сканировании пучком лазерного излучения.

Лазерный пучок необходимо развертывать по известному зако-

ну в пространстве измерений. В результате развертки облучаются

визирные цели, на которых установлены отражатели. Отраженные

световые сигналы принимаются с помощью фотоприемников. Изме-

ряя время между световыми импульсами, отраженными от визир-

ных целей, и зная закон сканирования, определяют угол между со-

ответствующими направлениями из центра сканирования на визир-

ные цели:

а= >(t)dt

(Ш.З)

где о)(/)=

со

— угловая скорость сканирования, рад/с; t\ и /

— вре-

мя, соответствующее моменту приема сигналов соответственно от

первой и второй визирных целей, с.

Для упрощения аппаратуры сканирование лазерным пучком осу-

ществляют по периодическому закону

(1И.4)

где Т — период сканирования.

Выбор того или иного закона сканирования зависит от конкрет-

ных условий поставленной задачи, а также от простоты реализа-

ции выбранного закона сканирования, позволяющего сравнительно

легко осуществлять переход от измеренных временных интервалов

к определенным углам без использования ЭВМ.

При линейном законе сканирования угол

а =

шт,

(III.5)

где т — временный интервал между отраженными от визирных це-

лей импульсами, мкс.

В связи с тем что расстояния до визирных целей, как правило,

различны, при измерениях угла возникают искажения, вызываемые

запаздыванием светового сигнала на трассе. Обычно начальное

(опорное) направление задается в приборе и, следовательно, рас-

стояние до цели во много раз превышает опорное.

Действительно, если путь AO = L

лазерного пучка (рис. III.19)

не равен пути OB =

то значение угла, полученное согласно (111.5),

будет искажено:

«1 =%1 - L

/v + 2 L/v), (III.6)

где ai — значение угла, полученное при сканировании лазерным

пучком по часовой стрелке;

оси

— угловая скорость сканирования;

Х\ и Toi — временные интервалы, соответствующие измеряемому уг-

лу и измеряемому углу без учета времени запаздывания сигнала

на трассе; L

и L — расстояния до опорного фотоприемника и до

визирной цели (отражателя); v — скорость света.

Путь света до опорного фотоприемника, установленного в при-

боре, очень мал и не превышает 10—15 см. Следовательно, запазды-

вание сигнала по пути к опорному фотоприемнику мало и не пре-

вышает 0,5-Ю

-9

с. Принимая во внимание то обстоятельство, что

Рис.

1.19. Измерение угла

на основе сканирования ла-

зерным пучком

точность измерения временного интервала обычно не превышает

10~

с, запаздыванием сигнала в приборе можно пренебречь и, сле-

довательно, выражение (III.6) можно представить в виде:

«1=Я(% + 2 L\v). (HI.7)

При скорости сканирования со

получим другое значение а

это*

го же угла:

=а)

СО

(Т

+ 2 L/v). (Ill .8)

Так как TOI И

ТОГ

— временные интервалы, соответствующие из-

меряемому углу без учета времени запаздывания, то

>1*01

">2*02•

(Ш-9)

С учетом (III.7) — (III.9) получим

L = (a

— а

) и/^К

— «>2) ]

—

М2/К

— а>

)],

(III. 10)

а значение угла а найдем из выражения

а = (а

(1)

—

о)

)/(о)

— u>

)

= {а

—

(CDJ

+a)

)]2L/v}/2. (III. 11)

При сканировании лазерным пучком против часовой стрелки бу-

дет измеряться дополнение угла а до 360°. Значение угла а, изме-

ренного при вращении лазерного пучка против часовой стрелки;

можно определить как

= 360° - Н т = 360° - Н (т

- 2 L/v). (III. 12)

Если сканирование осуществляется по часовой, а затем против

часовой стрелки, то

L = (а —ф/[2(и- и)]; (III. 13)

а = {[а + а

—

(<Г+ m)]2L/v}/2, (III. 14)

Рис

111.20. Лазерный сканирующий теодо-

лит JICT1:

а — приемопередатчик; 2 — блок индикации

В общем виде

(а

— a

)v/ [2h -

coj];

(III. 15)

a=[a

+ a

- К + ^)2L/v]/2. (III. 16)

Если измерения выполняют при одинаковых по модулю угловых

скоростях сканирования, но в противоположных направлениях, т. е.

С011

= |(0

| =0), то

L =

(с*!

—02)0/(4(0); (111.17)

a=(a

+ a

)/2. (111.18)

Внешний вид углоизме-

рительного устройства, реа-

лизующего метод угловых

измерений на основе круго-

вого сканирования лазер-

ным пучком, показан на рис.

1.20,

а его структурная

схема — на рис. 111.21.

Лазерный сканирующий

теодолит работает следую-

щим образом. Световой пу-

чок от лазера 1 проходит оп-

тическую систему, состоя-

щую из сферической корот-

кофокусной линзы 2 и длин-

нофокусной цилиндриче-

ской линзы 3, в результате

чего приобретает веерооб-

разную форму. Линза 3 же-

стко скреплена с передаю-

щим зеркалом 4, которое за-

креплено под углом 45° к оси

вала электродвигателя 8.

Для увеличения поля обзора

цилиндрическая линза ус-

тановлена относительно пе-

редающего зеркала 4 таким

образом, чтобы отраженный

от зеркала пучок имел боль-

ший угловой раствор в вер-

тикальной плоскости и мень-

ший — в горизонтальной.

При включении электродви-

гателя 8 в сеть зеркало 4

вращается с постоянной уг-

ловой скоростью со, в резуль-

тате чего с той же угловой

скоростью разворачивается

Рис. II 1.21. Схема лазерного сканирующего лазерный пучок в ГОрИЗОН-

теодолита JICT1 тальной плоскости. Для по-

вышения стабильности угловой скорости развертки на валу элект-

родвигателя укреплен маховик 6. В результате развертки лазерный

пучок периодически попадает на отражатель 7, установленный на

визирной цели, и опорный фотоприемник 5. Отраженные от визир-

ной цели сигналы попадают «а приемное зеркало 9, установленное

на выходном конце вала электродвигателя таким образом, чтобы

его поле зрения совпадало с полем зрения передающего зеркала.

Приемное устройство лазерного скани-

рующего теодолита состоит из сигнального

фотоприемника 13, перед которым установ-

лен интерференционный светофильтр 10,

отрезающий световой фон и пропускаю-

щий полезный сигнал. За светофильтром 10

установлен объектив 11, в фокальной плос-

кости которого установлена диафрагма 12,

ограничивающая мгновенное поле зрения

приемника, что ведет к улучшению отноше-

ния сигнал/шум. Сигналы с выхода опорно-

го и сигнального фотоприемников после

усиления в усилителях 14 и 21 поступают на

вход измерителя временных интервалов 15,

подключенного к блоку индикации 16.

Для преобразования временного интер-

вала т, соответствующего измеряемому уг-

лу а, использован метод последовательного

счета. При этом временной интервал между

старт-импульсом от опорного фотоприемни-

ка и стоп-импульсом от сигнального фото-

приемника (см. рис. III.12) заполняется от

кварцевого генератора 17. С помощью счет-

чика, входящего в блок измерителя вре-

менных интервалов 15, подсчитывается чис-

ло квантующих импульсов, которое уклады-

вается во временном интервале.

Для стабилизации угловой скорости ска-

нирования частота питающего напряжения

электродвигателя 8 стабилизирована квар-

цевым генератором 17, подключенным к электродвигателю через де-

литель частоты 18, узкополосный фильтр 19 и усилитель мощно-

сти 20.

ТЕОДОЛИТ ЛСТ4 (рис. 111.22) — компактный лазерный ска-

нирующий теодолит с совмещенной оптикой.

Точность измерения углов с помощью ЛСТ4 зависит от стабиль-

ности угловой скорости о сканирования и точности измерения вре-

менных интервалов. Средняя квадратическая ошибка измеряемого

угла

=+ ту, (III. 19)

Рис. 111.22. Лазерный

сканирующий теодо-

лит ЛСТ4