Электромагнитные дальномеры

Электромагнитные дальномеры – это устройства для измерения расстояний по времени распространения электромагнитных волн между конечными точками линии. При этом предполагается, что скорость распространения электромагнитных колебаний в момент измерений известна и постоянна.

Для определения скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере используют формулу

, (5.22)

где n – показатель преломления атмосферы на пути электромагнитного излучения, который зависит от магнитной проницаемости и диэлектрической постоянной . В свою очередь, значения и зависят от плотности воздуха и частоты используемых колебаний. При качественном учёте метеоусловий остаточная погрешность в определении расстояния составляет 1:500000.

При измерении коротких расстояний (до 1-2 км) точность измерений определяется, в основном, погрешностью измерения времени нахождения светового пучка в пути, при расстояниях в десятки километров – погрешностями в определении показателя преломления воздуха. Скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме известна с высокой точностью (с = 299792458 м/с). Точность измерения времени в настоящее время составляет примерно 10^-10с, что соответствует расстоянию в 1-2 см. Такие дальномеры относят к точным.

В зависимости от вида используемых электромагнитных колебаний дальномеры делят на свето- и радиодальномеры. В зависимости от характера излучения – на импульсные и фазовые.

Все электромагнитные дальномеры состоят из двух основных частей – приёмопередатчика и отражателя, устанавливаемых в конечных точках линии. При импульсном способе измерения расстояний (рис. 5.24а) передатчиком 2 генерируются импульсы, которые направляются в сторону отражателя 4. От отражателя импульсы попадают на приёмное устройство 3, которое отправляет эту информацию в индикатор времени 1, где регистрируется время начала посылки импульса и момент его прихода от отражателя. Таким образом, регистрируется время нахождения импульса в пути на двойном расстоянии. Импульсы излучаются через равные промежутки времени с высокой частотой.

Импульсные дальномеры имеют сравнительно невысокую точность (от 1,5 до 150 м), но обладают большой оперативностью, что целесообразно использовать для измерения расстояний до движущихся объектов. Наиболее точные импульсные дальномеры применяют в аэрофотосъемке для определения высоты фотографирования (точность измерений составляет 1,2 м в равнинной и до 2 м в горной местности).

Рис. 5.24. Способы измерения расстояний:

импульсный (а); фазовый (б).

Принципиальная схема фазового дальномера приведена на рис. 5.24б.

Передатчик 2 непрерывно излучает и направляет в сторону отражателя электромагнитные колебания с частотой f. Часть сигнала ответвляется на фазометр 5 (опорный сигнал). После отражения на приемник 2, а затем – на фазометр, поступает отражённый сигнал:

, (5.23)

где - начальная фаза колебаний при t = 0.

Разность фаз этих колебаний

, (5.24)

откуда

, (5.25)

где Т – период колебаний.

Современные фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния с точностью от 1,5 до 15 мм, т.е. в пределах нескольких миллиметров.

Светодальномеры

Достоинство светодальномеров заключается в возможности сведения светового потока с помощью сравнительно простых и небольших по размерам оптических систем (антенн) в узконаправленный луч с высокой плотностью энергии в его поперечном сечении (использование лазерных источников излучения). Для светодальномеров характерна практическая прямолинейность светового луча. При использовании лазерных источников излучения практическая дальность действия в чистой атмосфере составляет 40-60 км.

На рис. 5.25 приведена схема фазового светодальномера. Он состоит из передатчика, включающего в себя источник излучения 6, оптическое устройство формирования светового потока 1, модулятор колебаний 2 и оптическую передающую систему 3, отражателя 4, установленного в конечной точке линии, приёмника, включающего приёмную оптическую систему 8 с приёмником излучения 9. В состав прибора входит генератор частоты 5, фазовращатель 7, который определяет значение , а также регистрирующее устройство, выдающее значение измеренного расстояния. Модуляторы изменяют излучение по амплитуде, частоте, фазе или плоскости поляризации излучения. Модуляторы должны обеспечивать изменение параметров излучения на высоких частотах (до 100 – 150 МГц) с возможным плавным изменением указанной частоты в широком диапазоне. Модуляторы должны обладать малыми потерями света с целью обеспечения необходимой энергии выходного пучка, определяющей дальность действия прибора.

Рис. 5.25. Схема фазового светодальномера.

Часто оптические передающая и приёмная системы конструктивно объединены в одну (приёмопередатчик).

Оптические системы подразделяют на двухтрубные, однотрубные коаксиальные или разделенные, однотрубные совмещённые. По конструкции они бывают линзовыми и зеркально-линзовыми (рис. 5.26).

Оптическая схема рис. 5.26а применяется в отечественных светодальномерах СВВ-1, СТ, СГ-3 и др. Система рис. 5.26б используется в шведских светодальномерах «Геодиметр». Система рис. 5.26в применяется в светодальномерах «Кристалл».

При измерениях используют пассивные зеркально-линзовые и трипельпризменные отражатели (рис. 5.26 г, д, е). Конструкция отражателя позволяет возвращать световой пучок по тому же направлению, по которому он пришёл на отражатель, т.е. точно в направлении на приёмное устройство. При измерении больших расстояний, с целью увеличения отражённого сигнала, применяют уголковые отражатели, которые представляют собой блок из нескольких трипельпризм.

Если коэффициент отражения объекта составляет 15-20%, то при использовании лазерного источника излучения можно работать без отражателя (по стене дома белого цвета и др.). В настоящее время

Рис. 5.26. Оптические системы, применяемые в светодальномерах:

а - линзовая двухтрубная; б - совмещённая зеркально-линзовая коаксиальная; в – зеркально-линзовая совмещённая; отражатели: г - зеркально-линзовый; д – двухзер-кальный со сферическим зеркалом; е – трипельпризма; 1 – источник излучения; 2 – модулятор; 3 – светоразделительная призма-куб; 4 – сферическое зеркало передатчика; 5 – оптическая система приёмника; 6 – четвертьволновая пластина; 7 – биполяризатор.

Таблица 5.7

Основные характеристики светодальномеров

Тип	Страна	Точность измерений	Дальность действия, м
3СМ-2 «Блеск»	Россия	2 см	2 – 3000 (5000)
СТ-5	Россия	(10+5Dкм)мм	50 – 5000
2СТ-10	Россия	(5+3Dкм)мм	200 – 10000
СП-22 «Топаз»	Россия	(1+Dкм)мм
СП-03(ДК 001)	Россия	(0,5+1,5Dкм)мм	0,5 - 300
СМ-5	Россия	50 мм	2 – 500
МСД-2Ц	Россия	10 мм	1 – 200
Д1-001	Россия	0,7 мм + 1,5 мм/км	0,5 – 500
ДВСД-1200	Россия	0,25 мм + 1 мм/км	0,5 – 250
«Лейка»	Швейцария	2 мм	До 50
МЕ-3000	Швейцария	0,2 мм + 1 мм/км	1 - 3000
PED-MINL	Япония	5 мм + 5 мм/км	1 - 800

применяют плёночные отражатели, приклеиваемые на конструкции сооружений, в том числе и в недоступных местах. Плёночный отражатель имеют широкую диаграмму отражения светового сигнала, что позволяет производить измерения и при боковых на него направлениях светового пучка от передатчика.

В табл. 5.7 приведены характеристики некоторых светодальномеров, используемых геодезическими и маркшейдерскими службами.

Угломерные приборы

Это некоторое повторение, потому что раньше шла речь об угломерных приборах – теодолитах. Но здесь мы будем говорить об угломерных оптико-электронных системах.

Для производства угловых измерений применяют кодовые теодолиты, которые имеют преобразователь «угол-код». Они позволяют частично автоматизировать процесс измерений.

Кодовые теодолиты делят на две группы: с фотографической регистрацией и с цифровым табло.

В кодовых теодолитах угломерные круги не делят на градусы или грады, т.е. ими нельзя пользоваться как оптическими теодолитами. В них применяется такая система обозначений измеряемой величины, чтобы число знаков для передачи информации было наименьшим и чтобы полученную информацию можно было ввести в вычислительное устройство.

Лимб теодолита делят на чередующиеся равные чёрные и белые (просвечивающиеся) полосы (рис. 5.27), соответствующие двум знакам двоичного кода (0 и 1). При просвечивании такого диска лучи света освещают через прозрачную полосу фотоприёмник; в результате получается сигнал «1», а в непросвечивающихся частях – сигнал «0». На каждой дорожке число полей удваивается. Для лимба с 20-ю кодовыми дорожками цена деления минимального разряда составляет . Ограничения по точности – технологические. При диаметре лимба, равном, например, 400 мм, минимальный интервал считывания составит всего несколько микрометров, что определяет размеры окна фотоприёмника.

В других конструкциях кодовых теодолитов используют строгую зависимость между углом поворота и временем при условии, что угловая скорость вращения (рад/с) постоянна:

. (5.26)

В этом методе в углоизмерительном устройстве задается опорное направление с помощью фотоприёмника ФЭП_ОП, связанного с основанием теодолита, и источника света 1, вращающегося с постоянной угловой скоростью (рис. 5.28). Другой фотоприёмник, ФЭПА (алидады 1 или алидады 2) жёстко связан со зрительной трубой теодолита (с колонкой). За один оборот диска 3 сигнал от источника света попадает на опорный фотоприёмник и фотоприёмник, скрепленный со зрительной трубой. Временной сигнал между двумя импульсами прямо пропорционален измеряемому углу. В схеме применяют по два фотоприёмника с целью исключения эксцентриситета алидады.

Рис. 5.27. Горизонтальный круг кодового теодолита.

Рис. 5.28. Принципиальная схема теодолита с преобразователем «угол-код».

Сигналы от фотоприёмников поступают на усилитель и формирователь импульсов 4, связанный с измерителем времени 5. Необходимую частоту задаёт кварцевый генератор 6. Устройство управления и вычислительное устройство 7 формируют сигнал определенного вида для преобразователя 9 и регистрирующего устройства 8.

Для высокоточных работ время необходимо измерять с относительной ошибкой 10^-6 (не более). При этих условиях ошибка в измерении угла составит примерно 1,3'', считая, что угловая скорость постоянна.

Высокая стабильность вращения источника света обеспечивается использованием синхронных многополюсных электродвигателей 2, частота питания которых стабилизирована от кварцевого генератора 6. Угловая скорость большинства приборов поддерживается с ошибкой порядка 10^-5.

Таблица 5.8

Основные характеристики кодовых теодолитов

Марка	Страна	Увеличение (крат)	Угол поля зрения	Точность измерений (гориз/верт), сек
ТК-15	Россия		1о30'	15/15
ТТ-11 (на базе Т2)	Россия	27,5	1о30'	5/13
ТК	Россия		1о30'	Технический
FLT3K	ФРГ		1о20'	Техничский и средней точности
КО-В1	Венгрия		1о15'	0,7/1,0

Кодовые теодолиты не позволяют полностью автоматизировать весь процесс измерений, поскольку наблюдателем выполняются операции по установке теодолита в рабочее положение, наведению на цель и др. При этом считается, что наиболее серьезные затруднения связаны именно с автоматизацией установки приборов и наведением на цель. Однако и автоматизация отсчетов – это весьма большой шаг по сравнению с использованием обычных оптических теодолитов. Полевые измерения во многих случаях вручную не обрабатываются, данные регистрируются в портативном бортовом носителе информации, а затем расшифровываются уже в стационарных условиях на ЭВМ.

Характеристики некоторых кодовых теодолитов приведены в табл. 5.8. Для примера здесь указаны теодолиты различных классов точности, от технических до высокоточных.

Для угловых измерений используют также лазерные сканирующие теодолиты, которые позволяют в непрерывном режиме определять угловые координаты движущихся объектов либо в течение длительного времени определять угловые координаты неподвижных объектов. Вместо визирной оси в пространстве предмета лазерный теодолит формирует узконаправленный световой луч (пучок света). Визирная марка представляет собой обычно плоский отражающий экран с нанесенными на нем рисками. Эти риски совмещают при измерениях с точками конструкции сооружения.

Лазерные теодолиты автоматически осуществляют поиск цели, наведение не неё, регистрацию направления и обработку информации. Скорость измерений достигает до нескольких сотен единиц в секунду и практически не зависит от количества наблюдаемых точек.

Сканирующий лазерный пучок развертывается по определенному закону в пространстве измерений. В результате развертки освещаются визирные цели и от них приходит отражённый сигнал.

В настоящее время используются следующие лазерные теодолиты: ЛСТ4 (точность измерения углов техническая, от 0,5' до 1,0'); ЛСТ2 (точность измерений от 2" до 20" в зависимости от режима работы); лазерная контрольно-измерительная система ЛКИС (точность 3", дальность действия 3 км). Все указанные лазерные теодолиты – отечественные.

Электронные тахеометры

Электронный тахеометр – это кодовый теодолит, объединённый со светодальномером.

С помощью электронного тахеометра в настоящее время достигается максимальная (но ещё не максимально возможная) автоматизация полевых и камеральных работ. В полевых условиях автоматически регистрируются горизонтальные углы, углы наклона, зенитные расстояния, линейные расстояния, плановые и высотные координаты точек местности по результатам привязки к исходным пунктам, в том числе – координаты станции. Информация обрабатывается бортовым компьютером, накапливается и хранится. При этом съёмочные пикеты в кодированном виде затем могут быть переведены по их координатам и принадлежности той или другой ситуации в графическое изображение. Для этого уже используется стационарная ЭВМ, в которой информация дополнительно обрабатывается и передаётся пользователю в необходимом виде (топографические планы, профили, разрезы, ведомости координат и высот и т.п.).

В настоящее время ведутся работы по созданию электронных тахеометров с речевым вводом дополнительной информации не измерительного вида.

Электронные тахеометры используют практически при проведении всех геодезических работ, связанных с измерениями: создание опорных сетей, топографические съёмки, работы при инженерных изысканиях в строительстве, измерениях деформаций земной поверхности и инженерных сооружений, при маркшейдерских работах в горных выработках и др.

Таблица 5.9

Основные характеристики электронных тахеометров

Марка	Страна, фирма	Точность измерений (гор/верт), сек	Дальность действия, м	Точность измерения расстояний, мм
Та 5	Россия	6/11	5 - 3000
Та 3	Россия	4/6	5 - 5000	(10+5∙ 10-6D)
3Та 5«Р» 3Та 5С	Россия (северного исп.)		До 2000	(5+3∙10-6D)
SET 230R SET 330R SET 530R SET 630R	Sokkia
SET 210 SET 310 SET 510 SET 510L	Sokkia
GTS-603ME GTS-605ME GTS-226 GTS-229 GPT-2005 GPT-2006 GPT-2009	TOPCON
Elta C 20 Move C 20 Sprim S 10 Move Per-Elta 14 Elta R 45 Elta R 50 Elta R 55	ФРГ	3/5	до 2500 до 2500 до 2500 до 2000 до 1300 до 1300 до 1300	(2+2∙10-6D) (2+2∙10-6D) (1+2∙10-6D) 5 – 10 (3+3∙10-6D) (3+3∙10-6D) (5+3∙10-6D)
Geodimeter 600	Швеция	5/10 град.сек	до 5000	(5+10-6D)
R-300N (серия)	PENTAX (Япония)	2 - 6	до 4500	(3+2∙10-6D)
NTS 320 NTS 350	SOUTH		до 2600 до 2600	(2+2∙10-6D) (3+2∙10-6D)
DTM 352 DTM 332	Nikon			(3+2∙10-6D) (3+2∙10-6D)

В состав электронного тахеометра входит кодовый теодолит, светодальномер, встроенная ЭВМ, функциями которой является как обработка информации, так и управление прибором. Клавиатура управления прибором находится с двух сторон, для обеспечения возможности работы при двух положениях круга. В комплект прибора входят трипельпризменные отражатели и вехи, на которые они устанавливаются.

Электронные тахеометры делятся на две группы: с визуальным съёмом информации и с автоматическим съёмом информации. В первом случае значения углов с помощью клавиатуры вводятся в ЭВМ вручную, во втором – автоматически. Наклонные расстояния вводятся автоматически и в той и другой группах приборов.

В табл. 5.9 приведена лишь небольшая часть электронных тахеометров, имеющихся на рынке геодезических приборов.

Из отечественных приборов в настоящее время для геодезических работ наиболее широко используются электронные тахеометры Та5 и Та3.

В тахеометре Та5 объектив зрительной трубы используется одновременно как часть визирного, передающего и принимающего устройства. Отсчёт углов производится визуально с последующим введением их значений в ЭВМ с помощью клавиатуры, расположенной на панели управления. Ввод производится от младших разрядов к старшим.

При поверках и исследованиях Та5 среднюю квадратическую погрешность измеряемого горизонтального угла определяют измерением угла в 60^о – 120^о 12-ю приёмами с перестановкой горизонтального круга после каждого приёма примерно на 15^о. Среднюю квадратическую погрешность измеряемого зенитного расстояния определяют по измерениям не менее четырёх зенитных расстояний, известных с погрешностью не более 2". Среднюю квадратическую погрешность измерения расстояний определяют по измерениям интервалов контрольного базиса, аттестованных с погрешностью не более 5 мм. Каждый интервал базиса должен быть измерен не менее, чем четырьмя приёмами. Приём состоит из четырёх наведений на отражатель, при каждом наведении берут три отсчёта.

Тахеометр Та3 может работать в условиях вибраций, для чего он снабжён самоустанавливающимся индексом (компенсатором) вертикального

круга. Информация обрабатывается и усредняется с учётом колебаний маятника компенсатора.

Светодальномер Та3 работает в импульсном режиме. Конструкция его подобна светодальномеру СТ5. Горизонтальное проложение и превышения вычисляются с учётом кривизны Земли и рефракции атмосферы для средних широт. Зрительная труба Та3 подобна зрительной трубе Та5. Наведение зрительной трубы на отражатель производится по марке, расположенной на блоке отражателей, либо, при слабом сигнале, по максимальному его уровню. Поверки тахеометра Та3 выполняются так же, как и поверки тахеометра Та5.

Электронные нивелиры

Электронные нивелиры используют для определения высот точек при инженерно-геодезических работах в промышленном и гражданском строительстве. Их пока не используют или используют весьма мало при прокладке нивелирных ходов, поскольку эти нивелиры весьма дорогие и громоздкие, требуют автономного питания. Чаще их применяют для высокоточной передачи высот через водные препятствия, для нивелирования площадей, автоматизации геодезического контроля при движении строительных машин и механизмов. Однако в последнее время им уделяют всё большее внимание из-за их технических возможностей.

В комплекте с электронным нивелиром используются специальные нивелирные рейки с фотоприёмниками либо штрих-кодовые рейки.

Имеются конструкции электронных нивелиров с развёрткой светового луча в световую плоскость, что позволяет в течение небольшого времени получить информацию о большом числе точек (например, «Геоплан-300», Швеция).

В большей части лазерные нивелиры конструировались на базе уже известных конструкций нивелиров. Дополнением к ним являлась лазерная насадка. В одних случаях лазерное излучение системой зеркал или прямоугольных призм направляется непосредственно в зрительную трубу нивелира, в других – лазерная насадка имеет автономную телескопическую систему для формирования светового луча. Например, лазерный нивелир был разработан в Канаде (Нью-Браксквикский университет) на базе нивелира Ni-007(«Karl Zeiss», Германия). Этот нивелир относится к точным и высокоточным приборам. На выходе оптической системы расходимость лазерного пучка составляет 20", диаметр светового пучка на выходе – 30 мм. На каждые 100 м увеличение диаметра светового пучка составляет примерно 2,5 мм. В качестве компенсатора наклона используется прямоугольная призма, подвешенная в корпусе на сравнительно длинных нитях. Фокусирование изображения достигается перемещением в вертикальном направлении призмы компенсатора. Указанный прибор относится к приборам панорамного типа. Из-за повышенного спроса появились и новые конструкторские разработки лазерных нивелиров

Имеются приборы, с помощью которых формируют световую плоскость. Пучок света от лазерного источника попадает на прямоугольную призму, оптическую систему и блок развёртки изображения. Последний представляет собой цилиндрическое стеклянное тело, в центре которого выполнено конусообразное углубление. Световой поток отражается в пределах полного круга от полированных стенок углубления, в результате чего образуется непрерывная световая плоскость.

Часть приборов подобного типа имеют вращающуюся головку (пентапризму). В результате этого в пространстве предметов образуется сканирующий (вращающийся) горизонтальный луч. К таким приборам относятся «Геоплан-3000» (фирма «AGA Geotroniks» - Швеция), Лазерплейн фирмы «Лазерплейн Корпорейшн» - США и др.

Лазерные приборы

Лазерные источники излучения, кроме использования их в геодезическом и маркшейдерском приборостроении в теодолитах, дальномерах, нивелирах, применяются в конструкциях других приборов специального назначения для геодезического и маркшейдерского производства. Возможности этих приборов обеспечивают проведение и контроль технологических процессов строительства инженерных сооружений, для решения различных инженерно-геодезических и научно-технических задач. Предпочтение здесь имеют многоцелевые приборы, которые предназначены для контрольноизмерительных операций в строительстве. Такие приборы должны давать возможность получения и развёртки в пространстве горизонтальных и вертикальных световых пучков, а также обеспечивать возможность задания строгого направления пучка в течение длительного времени, определяемого технологическими этапами строительства. Указанные приборы используют в строительстве при установке различных конструкций, при возведении опалубки, вертикальной планировке и выемке грунта при строительсве котлованов, при укладке бетона и т.п.

При проведении горных выработок широко используются лазерные визиры. Конструктивно лазерный визир похож на теодолит, имеет угломерные круги. Оптическая система визира формирует световой пучок, который может быть ориентирован в пространстве в заданном направлении. Таким образом осуществляется, например, задание направлений горным выработкам, задание направлений горнороходческому щиту при строительстве метрополитенов и коллекторов большого сечения.

В условиях слабой освещённости световое пятно от лазерного визира видно на больших расстояниях невооружённым глазом. В условиях засветок, например, при дневном освещении, для фиксации центра светового пятна используются экраны-матрицы фотоэлементов.

Приборы, в которых реализуется построение вертикальной световой плоскости, используются при построении и контроле построения вертикальных конструкций, для сканирования в большом высотном интервале наблюдаемых точек и др.

Приборы для вертикального проектирования типа «зенит», «надир», «зенит-надир» применяются для контроля конструкций башенного типа (телевизионные башни, высотные сооружения и т.п.). С помощью этих приборов весьма точно можно определять крены сооружений, их колебания от действия ветровых и других нагрузок, для плановой передачи координат с одного горизонта на другой при высотном строительстве.

В приборе ПГЛ-1 фотоприёмное устройство имеет возможность перемещаться вдоль рейки в горизонтальном положении, в результате чего по максимуму сигнала регистрируется искомое направление. Погрешность измерений указанным прибором составляет 3 мм на 150 м.

Вертикальную плоскость задают прибором ПВЗЛ-1. Сканирующий лазерный пучок пентапризмой приводится в вертикальное положение, однако конструкцией некоторых приборов предусмотрено и использование горизонтального пучка, для чего насадка с пентапризмой выполнена съёмной. На искомой конструкции устанавливают фотомишень. При перемещении конструкций световой пучок смещается по фотомишени, в результате чего возникает разность сигналов, характеризующая величину перемещения в двух направлениях. Точность измерений указанным прибором на расстоянии 20 м достигает 1 мм для регистрации отклонений от вертикали и 2 мм для задания вертикали.

В настоящее время при укладке трубопроводов используют лазерные указки, которые помещают на трубопроводе вдоль его продольной оси. Погрешность измерений - 10 мм на 100 м. Задание необходимого уклона производится с помощью специальных приспособлений: установочное – цилиндрический уровень; отсчётное – шкала уклонов.

Глава 6

НИВЕЛИРНЫЕ РАБОТЫ

В главе 5 Вы, возможно, обратили внимание на то, что теодолиты по конструкции намного сложнее, чем нивелиры. Так оно и есть. Но обратите внимание дальше на то, что с помощью сравнительно простого по конструкции прибора можно выполнять геодезические работы весьма высокой точности, причём для точек, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Такие работы могут быть выполнены только геодезическими способами.