Светодальномеры и радиодальномеры кратко

Обновлено: 05.07.2024

Общий принцип измерения длин линий светодальномерами основан на определении времени, которое затрачивают световые или электромагнитные волны на прохождение измеряемого отрезка в прямом и обратном направлениях (на коротких расстояниях). Для этого на одной из конечных точек отрезка устанавливают приемно-передающее устройство, на другой – отражатель. Световые волны посылаются передатчиком на отражатель, который в свою очередь направляет их на приемник. Если обозначить скорость распространения световых волн через υ, а время их прохождения от передатчика (излучателя) к приемнику через τ, то длина линии D равна

Из формулы видно, что для определения длины линии надо знать скорость распространения световых волн υ и измерить время τ.

Скорость распространения световых волн в вакууме известна с большой точностью и равна υ₀ = 299 792 456 м/с. Скорость световых волн в воздухе вычисляют по формуле

n – показатель преломления воздуха, определяемый по температуре, давлению и влажности атмосферы.

Время τ прохождения световых волн от передатчика через отражатель к приемнику измеряют или непосредственно или косвенным методом. В зависимости от метода определения τ различают импульсные и фазовые дальномеры.

Источниками излучения в современных светодальномерах являются светодиоды или оптические квантовые генераторы – лазеры. Модуляция светового потока осуществляется за счет использования оптических и электрооптических явлений, возникающий при прохождении света через жидкости, кристаллы, полупроводниковые диоды и т.д. В качестве приемников используют фотоэлектронные умножители, а там, где источником света являются светодиоды, - фотодиоды.

Радиодальномеры – приборы для определения расстояний по скорости распространения ультракоротких радиоволн в сантиметровом диапазоне. Преимущество радиодальномеров по сравнению со светодальномерами в том, что они могут работать в любых атмосферных условиях, кроме сильных дождей. В инженерной геодезии радиодальномеры применяют в основном в качестве навигационного оборудования для производства аэрофотосъемок (радиовысотомеры).

Электронные дальномеры. Действие электронных дальномеров основано на измерении времени прохождения радио или световых излучений от начальной до конечной точек измеряемой линии и обратно (для измерения больших расстояний).

Измерение расстояний с помощью светодальномеров и радиодальномеров является одним из наиболее точных и высокопроизводительных методов производства геодезических работ при изысканиях, строительстве и эксплуатации инженерных сооружений. Они относятся к группе электромагнитных дальномеров, основанных на принципе измерения времени прохождения электромагнитными волнами удвоенного измеряемого расстояния (от излучателя до отражателя и обратно).

Если обозначить скорость распространения электромагнитных волн через V, а время их прохождения двойного измеряемого расстояния через /, то искомое расстояние определится по формуле

В = у//2.

Скорость распространения электромагнитных волн известна, и в вакууме она равна 299 792 456 м/с, а в атмосфере может быть определена с учетом показателя преломления воздуха, зависящего от температуры, давления и влажности атмосферы. Для определения времени (существует два метода: импульсный и фазовый. Импульсный метод применяют при измерении больших расстояний, но с малой точностью. В геодезии большее распространение получил фазовый метод, дающий существенно большую точность измерений.

Светодальномеры — оптические приборы для определения расстояний при помощи светового луча. Принцип действия светодальномера за-

ключается в том, что от источника света через модулятор электромагнитные волны передаются на отражатель, установленный в точке, до которой измеряют расстояние. От отражателя электромагнитные волны возвращаются к приемному устройству, совмещенному с передающим. Приемное устройство передает полученные сигналы через усилитель и демодулятор на устройство обработки сигнала, откуда идет на табло индикатора, где и высвечиваются результаты измерений в конечном виде либо в промежуточных значениях.

Рис. 10.18. Свето дальномер МЫ Э155 018ТОМАТ (Швейцария) в виде насадки к серийному электронному теодолиту

Источниками излучения в современных светодальномерах, как правило, являются све-тодиоды или оптические квантовые генераторы — лазеры. Модуляция светового потока осуществляется за счет использования оптических и электрооптических явлений, возникающих при прохождении света через жидкости, кристаллы, полупроводниковые диоды и т. д. В качестве приемников используют фотоэлектронные умножители, а там, где источником

В = у//2.

Рис. 10.18. Свето дальномер МЫ Э155 018ТОМАТ (Швейцария) в виде насадки к серийному электронному теодолиту

Фазовый метод измерения расстояний. Светодальномеры и радиодальномеры

Наиболее распространенным методом измерения расстояния в геодезии является фазовый , позволяющий измерять расстояния от десятков метров до десятков (в радиодиапазоне — до сотен) километров. Практически во всех свето- и радиодальномерах и в большинстве радиогеодезических систем используют фазовый метод. Поэтому рассмотрим этот метод подробнее.

Передатчик излучает гармонические колебания частоты ƒ, которые проходят трассу D до отражателя и обратно и поступают на приемник со сдвигом фаз φ = 2π/τ = 2πƒ/ • D/ν . Подставляя в формулу (1.81) τ = φ/2πƒ, имеем

и сдвиг фаз равен

φ = 2π N + Δφ (1.84)

где N — целое число фазовых циклов (λ/2 — фазовый цикл); Δφ — разность фаз от 0 до 2π, измеряемая фазометром; N определяют по результатам измерения Δ N на двух или нескольких фиксированных частотах. Подставляя φ из (1.84) в (1.83), находим основное уравнение фазовой дальнометрии

где λ = ν/2ƒ - длина волны при частоте ƒ; Δ N = Δφ/2π — дробная часть фазового цикла (0 N N находят из измерений на двух или нескольких частотах.

Согласно ГОСТу 19223-82 в нашей стране в названиях светодальномеров после буквы С — светодальномер — используют индексы: Г — геодезические , Т — топографические, П — для прикладной геодезии . Цифры после буквенного обозначения указывают дальность действия прибора. Например, СТ-5 — светодальномер топографический, измеряющий расстояние до 5 км.

В фазовом светодальномере ( рис. 1.89 ) световой поток проходит через модулятор, управляемый напряжением от генератора стабильной частоты, на выходе из модулятора он модулирован на амплитуде с частотой, равной частоте генератора. Оптическая система собирает световой поток и направляет его на отражатель, установленный на конце измеряемой линии, от отражателя он поступает на фотоприемник, в котором световая энергия преобразуется в электрическую и после усиления и преобразования поступает на фазометр. На него же поступает сигнал от генератора, т. е. на фазометр поступают два сигнала одинаковой частоты, но различной фазы, разность фаз зависит от Длины измеряемой линии.

Рис. 1.89 . Схема фазового светодальномера

Для контроля и повышения точности в светодальномерах имеется оптическая линия короткого замыкания, используемая как контрольное расстояние. Длина волны масштабной частоты генератора значительно меньше измеряемого расстояния, поэтому разность фаз гораздо больше 360°, а фазометр измеряет величину от 0 до 360°. Возникающую неоднозначность, как уже отмечалось, решают путем измерения расстояния на нескольких частотах генератора стабильной частоты. Точность светодальномеров зависит от стабильности и величины масштабной частоты генератора, точности фазоизмерительного блока, мощности светового потока и других факторов.

В радиодальномерах в качестве несущей частоты используют обычно 3-сантиметровые электромагнитные волны, а вместо используемого в светодальномерах пассивного отражателя — активный ответчик. На концах измеряемой линии устанавливают ведущую и ведомую станции, которые часто делают взаимозаменяемыми. При измерении обе станции работают как активные радиоэлектронные устройства, результат измерения получают на ведущей станции. На этой станции работают два генератора электромагнитных колебаний — несущей частоты ГМЧ1.

На ведомой станции работают три генератора — несущей частоты ГНЧ2, модулирующей частоты ГМЧ2 и поднесущей частоты ГПЧ2. Излучаемые ведущей станцией колебания несущей частоты ω H1 модулированы колебаниями модулирующей частоты ω M1 . Ведомой станцией излучаются колебания несущей частоты ω H2 , модулированные колебаниями модулирующей частоты ω M2 и колебаниями частоты ω Пg , в свою очередь модулированные низкочастотными колебаниями частоты Ω = ω М1 - ω М2

Сигналы низкой частоты получаются в смесителях ведущей и ведомой станций. Разность фаз этих двух низкочастотных сигналов, измеряемая фазометром, дает информацию об измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности используют несколько различных модулирующих частот.

Основные преимущества радиодальномера — возможность измерять большие расстояния и независимость от метеорологических условий. Недостатками являются: необходимость работы одновременно двух станций; возможные ошибки из-за отражения волн от подстилающей поверхности и от зданий и сооружений; большая (2-3 см) постоянная часть погрешности измерения.

Электронное измерение расстоянийосновано на измерении времени прохождения светового или радиолуча между двумя точками, в одной из которых находится излучатель, а в другой – отражатель. Таким образом, данный метод измерения расстояний является косвенным. Поскольку луч проходит измеряемое расстояние дважды (прямо и обратно), постольку будет иметь место формула

где c – скорость распространения радиоволн или световых волн, t – время прохождения сигнала прямо и обратно, d - постоянная поправка дальномера, вызванная прохождением сигнала по электронным цепям прибора. Скорость c распространения электромагнитных волн зависит от плотности, температуры и влажности воздуха. Поэтому при высокоточных измерениях расстояний измеряются значения указанных величин и в измеренное расстояние вводятся соответствующие поправки.

Первыми геодезическими приборами для измерения расстояний с помощью электромагнитного излучения явились радиодальномеры. Их применение позволило в десятки раз увеличить производительность труда при измерении расстояний. Другое важное преимущество радиодальномеров заключается в том, что для измерения расстояний не требуется наличие прямой оптической видимости, достаточно так называемой радиовидимости. Недостаток радиодальномеров заключался в относительно невысокой точности измерений.

Точность измерения расстояний электронными приборами тем выше, чем меньше длина волны. Поэтому дальнейшее повышение точности измерений было связано с повышением частоты электромагнитных колебаний. В результате на смену радиодальномерам пришли светодальномеры. В настоящее время измерение расстояний с помощью светодальномеров характеризуется как очень высокой производительностью, так и высокой точностью.

В зависимости от точности измерения расстояний светодальномеры подразделяются на три группы. Светодальномеры первой группы называют геодезическими, они предназначены для измерения больших расстояний (до 50 км) с ошибкой порядка 5-10 мм +(1-2 мм/км). Таким образом, приборы данной группы позволяют измерять расстояния с относительной ошибкой не хуже 1:500 000. Основное применение геодезических светодальномеров – измерение сторон в полигонометрии 1 – 2 классов и базисов в триангуляции 1 класса.

Приборы второй группы, называемые топографическими, позволяют измерять расстояния до нескольких километров с абсолютной погрешностью порядка 2 см. Данные приборы используются при создании геодезических плановых сетей более низких классов и при производстве топографических съемок.

Светодальномеры третьей группы предназначены для измерения расстояний до нескольких километров с ошибкой не более 2 мм. Они используются для производства геодезических работ в процессе строительства уникальных инженерных сооружений.

С применения радиодальномеров в геодезии начался процесс электронизации и автоматизации. Если на первых порах человек выполнял почти все операции, то в дальнейшем многие из их числа стали выполняться автоматически. Этому способствовало оснащение приборов встроенными микропроцессами, что также позволило решать программным путем некоторые задачи в реальном масштабе времени.

Дальнейшее развитие возможностей было связано с автоматизацией измерения горизонтальных и вертикальных углов, с появлением безотражательных светодальномеров и с комплексированием электронных блоков различного назначения в один электронный прибор. Примером таких современных приборов являются электронные тахеометры. Наиболее простыми электронными приборами для измерения расстояний в настоящее время являются электронные рулетки. Дальность их действия составляет несколько десятков метров, а ошибка измерений – величину порядка 1 см.

1. Что такое прямое и косвенное измерение?

2. Какие приборы применяются для измерения линий?

3. В чем состоит подготовка линии для измерения лентой или рулеткой?

4. Каким образом осуществляется измерение линий рулеткой или лентой?

5. Что необходимо для нахождения горизонтального проложения линии?

6. Какие поправки вводятся в значение длины линии, измеренной лентой или рулеткой?

7. Напишите формулу для вычисления поправки за наклон линии?

8. Что такое компарирование мерной ленты или рулетки?

9. Напишите формулу для вычисления поправки в длину линии за компарирование?

10. Напишите формулу для вычисления поправки в длину линии за температуру?

11. Что такое горизонтальное проложение?

12. Длина линии равна 123,45 м; угол наклона равен 3°50¢; чему равно горизонтальное проложение линии?

13. Как осуществляется провешивание линии при отсутствии прямой видимости между ее крайними точками?

14. Какова точность измерения линий мерной лентой или рулеткой?

15. Как контролируется измерение линий?

16. Какова допустимая относительная ошибка измерения линий лентой или рулеткой?

17. Каким образом характеризуется точность измерения линий?

18. Что такое относительная ошибка измерения некоторой величины?

19. Напишите формулу для вычисления длины линии при ее измерении светодальномером?

20. Какова точность измерения линий нитяным дальномером?

21. Каков коэффициент нитяного дальномера?

22. Что такое определение неприступного расстояния?

23. Какие существуют способы определения неприступных расстояний?

24. Как осуществляется определение неприступного расстояния на основе теоремы синусов?

25. Как осуществляется определение неприступного расстояния на основе теоремы косинусов?

26. Как осуществляется контроль определения неприступного расстояния?

27. Найти поправку за компарирование, если измеренное значение длины линии равно 123,45 м, номинальная длина мерной ленты равна 20.000 м, а фактическая 20,004 м?

28. Найти поправку за температуру, если измерена линия 200,00, температура в момент компарирования была равна 14°, а в момент измерений 29?

29. С каким знаком вводится поправка за наклон при измерении линий?

30. С каким знаком вводится поправка за компарирование?

31. С каким знаком вводится поправка за температуру?

32. Как влияет на производительность труда применение электронных способов при измерении линий?

33. Какова точность измерения линий светодальномерами?

34. В чем преимущество безотражательных светодальномеров?

35. От чего зависит точность измерения линий с применением электромагнитных колебаний?

36. Какие могут быть способы определения расстояний?

37. С какой точностью необходимо измерять угол наклона для вычисления горизонтального проложения линии?

Читайте также: