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

Подождите немного. Документ загружается.

§ V.10. ЛАЗЕРНЫЕ НИВЕЛИРЫ

В последние годы для определения отметок точек при инженер-

но-геодезических работах в промышленном и гражданском строи-

тельстве все больше начинают применять лазерные нивелиры. В от-

личие от обычных нивелиров, применяемых для определения отме-

ток точек путем прокладки нивелирных ходов, лазерные нивелиры

для подобных целей практически не применяются. Они дорожр

обычных, более громоздки, требуют источников питания для лазе-

ра и фоторегистрирующего устройства, а также соблюдения до-

полнительных мер по технике безопасности при работе с ними

(см. § VI.2). По этим причинам их в основном используют для вы-

сокоточной передачи высот через водные препятствия, для нивели-

рования площадей и автоматизации геодезического контроля при

движении строительных машин и механизмов во время работы.

В соответствии с решаемой инженерно-геодезической задачей ис-

пользуют ту или иную конструкцию, например, для передачи вы-

сот через значительные водные препятствия — лазерные нивелиры,

подобные традиционным или представляющие собой насадку с

обычным нивелиром. Насадка крепится сверху зрительной трубы,

роль коллиматора может выполнять зрительная труба (рис. V.35),

в которую лазерный пучок направляется с помощью системы зер-

кал. Кроме того, насадка может иметь и автономную коллимиру-

ющую систему (рис. V.36).

Самоустанавливающийся лазерный нивелир представляет собой

обычный самоустанавливающийся нивелир с лазерной насадкой,

разработан на базе нивелира Ni-007 (рис. V.37) в отделе геодезии

Нью-Браксвикского университета (Канада) и предназначен для

передачи отметок с высокой точностью на большие расстояния с

одной установки инструмента. В этом приборе газовый лазер мощ-

ностью 1,4 мВт крепится вертикально к корпусу нивелира Ni-007

при помощи колец, снабженных регулировочными винтами, позво-

Рис. V.35. Оптическая схема лазерной

насадки к нивелиру:

Рис. V.36. Оптическая схема лазерной

насадки с коллиматором к нивелиру:

1 — гелий-неоновый лазер; 2 — зрительная

труба нивелира; 3 — пучок лазерного из-

лучения; 4, 5 —зеркала

1 — гелий-неоновый лазер; 2 — коллиматор;

3 — пучок лазерного излучения; 4 — визир-

ная ось нивелира; 5 — нивелир

ляющими наклонять лазер в небольших пределах. Против выходно-

го отверстия лазера установлено зеркало, с помощью которого све-

товой пучок направляется в окуляр зрительной трубы. На выходе

из объектива расходимость лазерного пучка составляет 20"; диа-

метр лазерного пучка — 30 мм, а на расстоянии 400 м — около

40 мм.

Рис. V.37. Оптическая схема нивелира

Ni-007 с лазерной насадкой:

1 — гелий-неоновый лазер; 2 — пучок лазерно-

го излучения; 3 — нивелир

Рис. V.38. Лазерный прибор для за-

дания световой плоскости:

/ — пентапризма; 2— цилиндрические уров-

ни; 3 — электродвигатель с полым валом;

4 — корпус прибора; 5 — полая обойма; 6 —

трипка, с помощью которой можно изме-

нять высоту световой плоскости; 7 — колли-

матор; 8 — трегер; 9 — подъемные винты

горизонтирующего устройства; 10— головка

штатива; И — лазер

Благодаря наличию компенсатора, выполненного в виде двух

призм на маятниковой подвеске, лазерный пучок автоматически

устанавливается в горизонтальное положение с точностью ±0,5".

Диапазон действия компенсатора составляет 15'.

При работе с прибором для регистрации положения лазерного

пучка на нивелирной рейке используют фотодетекторы, которые

можно смещать вдоль рейки.

Нивелир был использован для передачи высотных отметок на

расстояние 700 м через реку Сант Джон во Фредериктоне (Кана-

да). Обычно отметки через водную преграду передают геометриче-

ским нивелированием по льду методом двойного нивелирования.

7**

199

Чтобы исключить влияние вертикальных перемещений льда, дела-

ют одновременно нивелирование четырьмя-пятью инструментами,

либо одним, но для контроля выполняют четыре-пять ходов.

Для определения точности лазерного нивелирования был про*

ложен через мост обычный нивелирный ход, вычисленная средняя

квадратическая ошибка которого составила 1 мм. Разность высот,

полученная из сравнения лазерного нивелирования с обычным, со-

ставила 3,1 мм.

Согласно требованию строительных норм и правил (СНИП)

для мостов длиной более 300 м на каждом берегу должно быть ус-

тановлено не менее двух постоянных реперов. Ошибка в опреде-

лении отметок каждого репера относительно исходного не должна

превышать ±10 мм.

В условиях севера и умеренной полосы передача отметок пу-

тем геометрического нивелирования по льду позволяет обеспечить

требуемую точность. Методами тригонометрического нивелирова-

ния получить такую точность достаточно сложно, поэтому для ре-

шения подобных задач целесообразно использовать лазерные ни-

велиры.

При нивелировании поверхности высокая производительность

достигается использованием лазерных приборов со сканирующими

излучателями [7, 16].

В качестве источников излучения у этих приборов применяют

газовые лазеры, устанавливаемые в подвижной трубе прибора вер-

тикально (рис. V.38).

Для уменьшения угловой расходимости пучка используют теле-

скопическую систему, устанавливаемую перед лазером по ходу све-

тового пучка. В верхней части прибора размещается сканирующее

устройство, которое обычно выполнено в виде призмы, закреплен-

ной на выходном конце вала электродвигателя.

Прибор приводят в рабочее положение по цилиндрическим уров-

ням, устанавливаемым с помощью подъемных винтов горизонти-

рующего устройства. Высота излучателя может меняться путем вер-

тикального смещения трубки относительно корпуса прибора.

У некоторых лазерных приборов со сканирующим излучателем

источник излучения размещается в карданном подвесе, чем достига-

ется автоматическая вертикальная установка лазерного луча.

При вращении вала электродвигателя, а следовательно, и пен-

тапризмы лазерный пучок, выходящий из пентапризмы, разверты-

вается в горизонтальной плоскости, относительно которой выполня-

ют измерения.

Такие приборы используют при бетонировании фундаментов и

полов, выемке и перемещении грунта, забивке свай, строительстве

аэродромов и т. д.

В СССР серийно выпускается сканирующий лазерный излуча-

тель, который входит в комплект системы СКП, используемой для

вертикальной планировки (см. § VI.4).

Лазерный прибор «Геоплан-300», выпускаемый фирмой «AGA

Geotroniks АВ» (Швеция). Его внешний вид и оптическая схема

показаны на рис. V.39, а, б. Лазерный пучок от вертикально распо-

ложенного лазера попадает на сканирующий узел, осуществляю-

щий не только развертку пучка с определенной угловой скоростью,

но и расщепление его на два пучка. Один из световых пучков со-

ставляет с горизонтальной плоскостью угол —е, а другой +е, бла-

годаря чему достигается возможность

создания равносигнальной зоны, так как

при сканировании световые пучки частич-

но перекрывают друг друга (рис. V.40, а).

Отсчет производится по плоскости,

симметричное положение которой соот-

ветствует одинаковой амплитуде светово-

Рис. V.39. Лазерный прибор «Геоплан-300» (а) и его оптическая

схема (б):

1 и 3 — пучки лазерного излучения, составляющие с горизонтальной

плоскостью углы +е и —е или с вертикалью углы 90° +е и 90° —е; 2 —

горизонтальная линия; 4 — сканирующая головка; 5 — лазер с коллима-

тором

го сигнала. При небольшом смещении относительно плоскости сим-

метрии вниз или вверх меняется соотношение интенсивностей в

пучках 2 и 1, как это показано на рис. V.40, б. Если глаз находится

в плоскости симметрии, то при частоте вращения вала двигателя,

равной 10 с™

, свет от сканирующего излучателя, вследствие инер-

ционности глаза, будет казаться непрерывным, хотя в действитель-

ности за 1 с будет 20 вспышек одинаковой интенсивности (рис.

V.40, в). Если глаз сместить ниже или выше плоскости симметрии,

то он зафиксирует в течение одной секунды взаимно чередующиеся

десять ярких и десять слабых вспышек.

Для определения положения плоскости симметрии, т. е. горизон-

тальной плоскости, визуальным методом используют стеклянный

диск, в оправе которого имеется прорезь, а на поверхности стекла

нанесена сетка (рис. V.41). Диск перемещают вдоль нивелирной

рейки, пока мерцающие нижний и верхний лазерные пучки А и В

не расположатся симметрично на сетке диска в точках А и В, как

показано на рисунке. В этот момент плоскость симметрии прохо-

дит через точку С, соответствующую средней прорези, по центру

которой берут отсчет.

Рис. V.40. Распределение

интенсивности 1/1

пучках лазерного излу-

чения, создаваемых при-

бором «Геоплан-300»

(а), интенсивность свето-

вых сигналов, регистри-

руемых при смещении

фотоприемного устрой-

ства относительно плос-

кости симметрии (б) и

интенсивность световых

сигналов, регистрируемых

с помощью фотоприем-

ного устройства, находя-

щегося в плоскости сим-

метрии (в)

При работе с прибором «Геоплан-300» могут быть использова-

ны рейки, снабженные фотодетекторами. При фотоэлектрической

индикации фотоэлектрический де-

тектор передвигается по рейке в по-

исках минимального отсчета между

двумя максимумами. Когда поло-

жение фотодетектора соответствует

положению плоскости симметрии,

стрелка индикатора находится на

нуле. При смещении фотодетектора

вниз или вверх стрелка отклоняется

вправо или влево. Точность измере-

ний составляет 2 мм на 100 м, а

дальность действия — 150 м при ви-

зуальной индикации 50—100 м.

На рис. V.42 показан лазерный нивелир «Лазерплейн», выпуска-

емый фирмой «Лазерплейн корпорейшн» (США). Он задает го-

ризонтальную световую плоскость, относительно которой выполня-

ют измерения с помощью рейки, снабженной фотоприемником; при-

водится в рабочее положение по двум цилиндрическим уровням с

ценой деления, равной 5". Дальность действия прибора 300 м, точ-

ность — порядка 5 мм.

Рис. V.41. Схема определения

нулевой точки лазерной плос-

кости при помощи визирного

диска

Для аналогичных работ за рубежом также используют лазер-

ный нивелир — «Ротолайт» (рис. V.43).

Лазерные приборы со сканирующими излучателями и лазерные

нивелиры, задающие узконаправленный лазерный пучок, или пу-

чок, растянутый с помощью цилиндрической линзы в виде веера,

можно использовать не только для нивелирования поверхности, но

и для автоматизации геодезического контроля при выполнении пла-

нировочных работ с помощью различных машин и механизмов, а

также в качестве излучателей, задающих опорную линию при вы-

Рис. V.42. Ла-

зерный ниве-

лир «Лазер-

плейн»

Рис. V.43. Лазерный нивелир «Рото-

лайт»:

/ — рейка с фотоприемником; 2 — лазерный

излучатель; 3 — аккумулятор

полнении детального нивелирования трассы. Приемным устройст-

вом может быть линейная матрица фотоэлементов, однако она име-

ет много коммутирующих соединений и поэтому довольно сложна.

В СССР разработан лазерный профилограф [4], у которого в ка-

честве приемного устройства используется многолинзовая линейная

матрица, содержащая 50 линз (рис. V.44). Линзы расположены на

рейке в два ряда таким образом, что их главные фокусы находятся

на расстоянии 10 мм друг от друга. В свою очередь, рейка уста-

новлена в карданном подвесе на подвижном экипаже. В фокусах

линз расположены торцы световодов, а противоположные торцы

световодов — по окружности на неподвижном диске (рис. V.45).

Для передачи светового сигнала с торцов световодов служит

подвижный световод, вход которого находится на расстоянии при-

мерно 1 мм от неподвижного диска и закреплен на подвижном ко-

дирующем диске, а выходной торец направлен на вход фотоприем-

ника. Фотоприемник состоит из двух светофильтров, объектива и

фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Подвижный и неподвижный диски, а также торцы световодов

выполнены таким образом, что при вращении подвижного диска

конец подвижного световода последовательно проходит под тор-

цами неподвижных световодов.

На кодовом диске сделано 50 отверстий, угловое положение ко-

торых соответствует положению световодов на неподвижном диске.

Кодовые отверстия служат для определения отсчета в решающем

блоке, соответствующего моменту засветки торца подвижного све-

товода световым сигналом. Регистрация сигнального импульса осу-

ществляется с помощью ФЭУ.

Для подсветки кодообразователя служит лампа с цилиндриче-

ской линзой, а для приема кодовых импульсов — фотодиод. Подвиж-

ный кодовый диск вращается с помощью электродвигателя с час-

тотой 1 с-

. Таким образом, в течение 1 с происходит просмотр всех

торцов световодов и определяется, какой порядковый номер имеют

освещенные торцы световодов, в соответствии с чем счетно-решаю-

щее устройство выдает информацию о положении лазерного пучка

на индикатор профилографа.

Помимо кодовых отверстий, используемых для определения от-

счета, на различных радиальных расстояниях от центра на кодо-

вом диске нанесены кодовые отверстия, необходимые для управле-

ния цифропечатающим устройством и для установки электронного

счетчика и элементов решающего блока на нуль.

При выполнении нивелирования лазерным профилографом опор-

ный пучок задается с помощью лазерного визира, устанавливаемо-

го в начале трассы. При движении приемного устройства профило-

графа лазерный пучок попадает на вход нескольких линз. С по-

мощью счетно-решающего устройства находится отсчет, соответст-

вующий положению геометрического центра пучка, который выда-

ется на цифровой индикатор и на цифропечатающее устройство.

Точность отсчета составляет 5 мм. Нулевая плоскость отсчета рас-

положена ниже первого элемента матрицы линз на расстоянии 10 мм

от центра первой линзы. Для определения расстояния от излуча-

теля до рейки с колесом тележки связан датчик пути.

На тележке помимо индикатора и многолинзовой рейки разме-

щены также блок питания, цифропечатающее устройство, устрой-

ство для графической записи и источники питания (аккумуляторы).

Дальность действия лазерного профилографа составляет 500 м.

При определении значений отметок пикетов необходимо учитывать

расстояние между излучателем и приемником, чтобы в случае не-

обходимости ввести поправку за кривизну Земли.

Рис. V.44. Общий вид лазерного профилографа

Рис. V.45. Схема приемного уст-

ройства лазерного профилографа:

1 — оптический визир; 2 — круглый

уровень; 3 — неподвижные волоконные

световоды; 4 и 5 — неподвижный и по-

движный кодирующие диски; 6 —

электродвигатель; 7 —линза; 8 — фо-

тоэлектронный умножитель; 9 — лампа

подсвета кода; 10 — цилиндрическая

линза; // — подвижный световод; 12 —

фотодиоды; 13 — линза входного зрач-

ка; 14 — бленда приемной липзы

Для проверки точности определения отметок точек были прове-

дены измерения профиля взлетно-посадочной полосы строящегося

аэродрома в Адлере с помощью лазерного профилографа и ниве-

Р/ 2 3

Рис. V.46. Принципиальная схема лазерного сканирующего

профилографа:

/ — лазер; 2 — -коллиматор; 3 — сканирующий узел; 4 — цилиндриче-

ская линза; 5 — фотоприемник; 6 — усилитель; 7—блок обработки

информации; 8 — рейка с отражателями

лира НВ-1. Ниже приведены средние квадратические ошибки опре-

деления пикетов трассы для различных расстояний, которые вычис-

ляли на основании сравнения результатов нивелирования, выпол-

ненного лазерным профилографом и нивелиром НВ-1.

Средняя квадратическая ошибка геометрического нивелирова-

ния этой же трассы составляет 5 мм.

Участок трассы, м . . .0—100 100—200 200—300 300—400 400—500

Средняя квадратическая

ошибка, мм 15,6 22,0 23,7 31,0 35,0

Лазерный профилограф с многоэлементной рейкой из-за не-

большого допустимого диапазона измеряемых превышений вдоль

профиля трассы может быть использован только на горизонталь-

ных участках, где вертикальная планировка уже проведена. При-

чем из-за инерционности фотоприемников, небольших неровностей

рельефа скорость его должна быть ограничена до 0,6 м/с. Таким

образом, при максимальной скорости движения профилографа

отметки пикетов можно получать через каждые 0,6 м, так как

частота съема информации равна 1 Гц.

Лазерный профилограф наиболее целесообразно применять

там, где необходима очень детальная вертикальная съемка, на-

пример, при определении неровностей дорог и аэродромов с целью

определения спектральных характеристик рельефа и эффекта их

воздействия на автомобили или самолеты, движущиеся с той или

иной скоростью.

Весьма существенные недостатки таких профилографов — ма-

лый диапазон измеряемых превышений, обусловленный размерами

линейной матрицы; невысокая скорость измерений, ограниченная

инерционностью механических элементов приемного устройства.

Скорость и диапазон измерений могут быть во много раз по-

вышены, если использовать принцип измерений, основанный на

сканировании лазерным пучком в вертикальной плоскости с угло-

вой скоростью, закон изменения которой известен. При этом вдоль

нивелируемой трассы в плоскости развертки лазерного пучка

перемещают отражатель (рис. V.46).

Угол наклона v из центра развертки пучка на отражатель

определяют по временным интервалам между отраженным им-

пульсом и импульсом, полученным от опорного фотоприемника,

т. е. так же, как при измерении углов сканирующим теодолитом

(см. § III.3).

Превышение

h=Ltgv + i-l

(V.84)

где i и I — высота излучателя и отражателя.

Так как частота сканирования может составлять сотни и даже

тысячи герц, то скорость передвижения отражателя вдоль трассы

может быть практически не ограничена.

Для нивелирования трасс рассмотренным методом можно ис-

пользовать контрольно-измерительную систему (ЛКИС) (см.

рис. 111.29).

Для определения расстояния L между станцией и текущим

пикетом профиля устанавливают второй отражатель. Измеряя

углы наклона на оба отражателя, расстояние вычисляют по изве-

стному базису и параллактическому углу, который равен разно-

сти углов наклона на нижний и верхний отражатели.

Расстояние также можно вычислять на ЭКВМ.