Лекция Устройство светодальномеров. Светодальномера первого поколения. Светодальномеры второго поколения. Светодальномера третьего поколения.

4.5 Устройство светодальномеров

Все фазовые дальномеры состоят из четырех основных узлов (рис. 4.10):

— передающая оптическая система или передатчик,

— приемная оптическая система или приемник,

— отражательная оптическая система или отражатель

Рис. 4.10 – Общая функциональная схема светодальномера

Передатчик излучает высокочастотные несущие колебания, которые модулируются измерительными колебаниями. В светодальномерах несущими являются колебания оптического диапазона, источником которых может быть светодиод или лазер. Источником измерительных колебаний является генератор, напряжение с которого прикладывается к модулятору. Световой луч от источника проходит через модулятор и в нем под влиянием измерительного напряжения осуществляется модуляция оптического луча. В светодальномерах используют только два вида модуляции: по интенсивности излучения либо по форме эллипса поляризации.

Передающая оптическая система посылает модулированный луч вдоль измеряемой линии.

Таким образом, передатчик светодальномера состоит из источника света, модулятора, генератора измерительных колебаний и передающей оптической системы. Если источником света является светодиод, то модуляцию интенсивности его излучения выполняют путем подачи измерительного напряжения непосредственно к светодиоду.

В светодальномерах используют пассивные отражатели. Пассивными они называются потому, что они только отражают световой луч в направлении приемника, который находится рядом с передатчиком. Основной частью отражателей является зеркальная поверхность, которая отражает попадающий на нее луч.

Приемником светодальномера является приемная оптическая система. Она улавливает свет, отраженный отражателем, и направляет его на фазоизмерительное устройство.

На фазоизмерительное устройство кроме колебаний с приемника подается также измерительное напряжение от генератора передатчика. Текущая фаза этого напряжения равна фазе модуляции луча в начале его пути. Фаза модуляции светового потока равна фазе модулирующего напряжения в точке его выхода из модулятора. Поэтому началом измеряемой линии в светодальномерах является выход из модулятора. Фазой считают фазу модуляции отраженного светового луча на входе в фазоизмерительное устройство, потому что в нем заканчивается путь светового луча. Задачей фазоизмерительного устройства является измерение разности текущих фаз .

Существенную роль в принципе работы и конструкции светодальномеров имеет его фазоизмерительное устройство. Все светодальномеры делятся на три поколения. В основе деления светодальномеров на поколения лежит способ измерения разности фаз, либо тип фазометра, использованного в устройстве.

В светодальномерах первого поколения используют оптические фазометры, которые измеряют разность фаз на частоте модуляции света. Основной частью оптического фазометра является модулятор, работающий синхронно с модулятором передатчика (рис. 4.11).

Рис. 4.11 – Общая функциональная схема светодальномера первого поколения

Модулятор фазометра называют демодулятором. Синхронность работы модулятора и демодулятора заключается в том, чтобы их частота работы была одинаковой. Такая синхронность обеспечивается за счет того, что оба они работают от напряжения одного генератора, а именно от генератора измерительных колебаний. Кроме этого, обязательно должна быть известна разность фаз работы модулятора и демодулятора. Таким образом, должны выполняться два условия:

, (4.27)

где и — частота работы, соответственно, демодулятора и модулятора,

и — фаза работы демодулятора и модулятора,

— известная величина, которая может быть постоянной или переменной. При использовании равенств (4.27) интенсивность сигнала после прохождения через модулятор и демодулятор является функцией разности фаз . Она может иметь, например, следующий вид:

, (4.28)

где и — коэффициенты.

Если определить интенсивность сигнала , то можно получить искомую разность фаз . В этом и состоит суть работы фазометров дальномеров первого поколения.

Интенсивность сигнала на выходе из демодулятора измеряет либо регистрирует индикатор. Им может быть либо глаз наблюдателя, в этом случае регистрация называетсявизуальной, либо прибор, в этом случае регистрация называется приборной. Соответственно этому светодальномеры первого поколения разделяются на две группы: с визуальной и приборной регистрацией разности фаз.

В настоящее время используются дальномеры первого поколения с приборной регистрацией разности фаз. В них световой луч преобразуют в фототок после демодуляции. При этом используют модуляцию света только по форме эллипса поляризации. Процесс измерения этими дальномерами удалось в значительной степени автоматизировать.

В светодальномерах второго поколения в фазоизмерительных устройствах используют радиоэлектронные аналоговые фазометры. В них перед измерением разности фаз преобразовывают отраженный модулированный световой луч в ток, сила которого изменяется с частотой и фазой, равными частоте и фазе модуляции отраженного светового потока. Это преобразование осуществляется в специальном устройстве, которое называется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Поэтому в дальномерах второго поколения свет может модулироваться только по интенсивности (рис. 4.12). Роль колебаний с фазой, равной , выполняет измерительное напряжение, подаваемое на фазометр.

Аналоговые фазометры могут точно измерять разность фаз двух колебаний только на низких частотах. Вследствие этого возникает необходимость в понижении частоты прямого и отраженного сигналов перед подачей их в фазометр. Такое понижение частот в дальномерах второго поколения выполняется способом гетеродирования. В этом способе сохраняется разность фаз колебаний, т.е. разность фаз колебаний после понижения их частоты является такой же, как и перед понижением.

Рис. 4.12 – Общая функциональная схема светодальномера второго и третьего поколения

Для гетеродирования в фазоизмерительном устройстве необходимо иметь дополнительный генератор, который называется гетеродином, и два смесителя: опорный и сигнальный. Частота гетеродина является близкой к измерительной частоте. Разницу этих частот выбирают такой, при которой фазометр, используемый в дальномере, может работать наилучшим образом. Чаще всего это низкая частота, равная нескольким килогерцам.

На опорный смеситель подаются колебания с генератора измерительной частоты и с гетеродина. С опорного смесителя получают колебания низкой разностной частоты, фаза которых прямо пропорциональна фазе .

Сигнальный смеситель смешивает колебания с фотоэлектронного умножителя и с гетеродина. С этого смесителя выделяют колебания с частотой, равной разности частот измерительных колебаний, полученных с ФЭУ, и колебаний гетеродина, т.е. такой же частоты, как и с опорного смесителя. Их фаза является прямо пропорциональной фазе . Фазометр определяет разность фаз колебаний с опорного и сигнального смесителей, равную .

Светодальномеры третьего поколения отличаются от дальномеров второго поколения в основном в том, что в них вместо аналогового используют цифровой фазометр, который измеряет разницу фаз колебаний, также как и в светодальномерах второго поколения, после понижения их частоты способом гетеродирования. Однако это, на первый взгляд, незначительное различие, существенно изменило светодальномерную технику, и дало возможность перейти на экономичный импульсный режим работы и автоматизировать процесс измерений, а также процесс обработки. Это стало возможным благодаря тому, что процесс измерения фазометрами длится очень маленький промежуток времени, а результат измерения представляется в кодовой форме.

В дальномерах второго и третьего поколений неоднозначность разрешают многоступенчатым способом. При этом в дальномерах второго поколения используют косвенное измерение фазовых домеров для частот, которые необходимы для исключения неоднозначности. В дальномерах третьего поколения генератор генерирует колебания измерительных частот, необходимых для исключения неоднозначности, поэтому фазовые домеры измеряют непосредственно.

Источник

Светодальномеры, электронные тахеометры.

В комплект светодальномера входят приёмопередатчик и отражатель. Приемопередатчик 1 (рис. 8.6) устанавливают на штативе на одном конце измеряемой линии, а отражатель 2 на специальной вешке или тоже на штативе – на другом.

Рис. 8.6. Измерение расстояния светодальномером

Приёмопередатчик излучает световой сигнал, принимает его после возвращения от отражателя, измеряет время t, прошедшее от излучения до приёма, и вычисляет расстояние

Здесь v – скорость света (при средних условиях v » 299710 км/с).

Рис. 8.7. Схема импульсного светодальномера

В импульсном светодальномере (рис. 8.7) лазерный источник излучения 3 под воздействием генератора импульсов 2 периодически посылает через объектив 4 световой импульс. Одновременно переключатель 7 запускает счётчик 8 временны¢х импульсов, поступающих от высокочастотного генератора 1. Световой импульс, отразившись от отражателя 5, поступает на преобразователь 6, который через переключатель 7 останавливает счётчик 8. Число импульсов, сосчитанное счётчиком 8, пропорционально прошедшему времени и, следовательно, измеряемому расстоянию. Для повышения точности измерения выполняются многократно и результаты осредняются процессором 9. Измеренное расстояние высвечивается на табло.

Измеренное расстояние исправляют поправками за атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, влияющие на скорость света. Для получения горизонтального проложения вводят поправку за наклон.

Конструктивно приемопередатчик представляет собой отдельный прибор, насадку на теодолит или блок, входящий в состав электронного тахеометра.

По их назначению принято различать светодальномеры для построения государственных геодезических сетей, светодальномеры для прикладной геодезии и маркшейдерии и светодальномеры для топографических съёмок.

Точность топографических светодальномеров 2 – 3 см, а применяемых в прикладной геодезии 2 – 3 мм.

Отражатели бывают призменные и плёночные. Основным элементом призменного отражателя (рис. 8.8 б) является стеклянная трипельпризма отражающая световые лучи в тех направлениях, откуда они пришли. Для увеличения дальности измерений изготавливают многопризменные отражатели.

Плёночный отражатель представляет собой отражающую свет пластиковую плёнку размером 1´1 см и больше, на которую нанесены штрихи (например, вертикальный и горизонтальный). Дальность измерений с пленочными отражателями меньше, чем с призменным. Но зато пленочный отражатель можно закрепить там, где установить призменный отражатель невозможно, например – приклеить в нужном месте на сооружение. Кроме того, пленочные отражатели гораздо дешевле призменных. При выполнении угловых измерений центр штрихов на отражателе служит визирной целью.

Существуют светодальномеры, использующие диффузное отражение сигнала от предметов и не требующие отражателя. Таким дальномером является «лазерная рулетка» Disto фирмы Leica (Швейцария). Прибор используют без штатива, с руки. Световой луч наводят на нужные объекты и на шкале читают расстояния до 200 м с точностью 1,5 мм.

Электронные тахеометры. Электронным тахеометром (рис. 8.8) называется прибор, объединяющий в себе светодальномер, электронный теодолит и микро-ЭВМ. Светодальномер прибора измеряет расстояние до отражателя. Датчики горизонтального и вертикального кругов электронного теодолита выдают отсчеты по кругам. Отсчеты расстояния и углов передаются на индикацию и регистрацию. Микро-ЭВМ обеспечивает возможность решения целого ряда стандартных геодезических задач, для чего прибор снабжен набором необходимых прикладных программ. Полученная в результате измерений и вычислений информация высвечивается на цифровом табло, а также регистрируется во внутренней памяти прибора и на флэш-картах для последующего ввода в компьютер для дальнейшей обработки.

Электронный тахеометр имеет, как правило, две панели управления, расположенные с обеих сторон прибора. На панели управления расположены дисплей и клавиатура для управления процессом измерений и ввода информации вручную. Ввод информации и управление возможны и с дистанционного пульта управления (контроллера). Тахеометр может иметь световой указатель створа, облегчающий установку вехи с отражателем на линию, по которой направлена труба прибора.

Программное обеспечение электронных тахеометров поддерживает решение достаточно широкого круга задач. Обычно бывает предусмотрен ввод и сохранение данных о станции: ее координат, номера точки, высоты прибора, имени оператора, даты, времени, сведений о погоде (ветре, температуре, давлении). По результатам измерений выполняется вычисление горизонтальных и вертикальных углов, дирекционных углов линий, горизонтальных проложений, превышений, высот точек, где установлен отражатель, приращений координат, плоских и пространственных координат наблюдаемых точек. Предусмотрена возможность вычисления координат по результатам засечек, вычисления расстояния до недоступной для установки отражателя точки и координат недоступной точки, определения высоты недоступного объекта. Для обеспечения разбивочных работ служат программы вычисления угла и расстояния для выноса точки с заданными координатами. При решении задач учитывается рефракция световых лучей в атмосфере.

Использование электронных тахеометров значительно повышает производительность труда, упрощает и сокращает время на обработку результатов измерений, исключает такие ошибки исполнителя, которые имеют место при визуальном взятии отсчетов, при записи результатов измерений в журналы, в вычислениях. При работе с электронным тахеометром отпадает необходимость иметь калькулятор для выполнения полевых вычислений.

Источник

Какие группы светодальномеров существуют

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

Общие технические условия

Electro-optical range-finders. General specifications

Дата введения 1991-07-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Главным Управлением геодезии и картографии при Совете Министров СССР

А.И. Спиридонов, Г.С. Крюков, А.С. Сушков, Р.А. Татевян

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 24.04.90 № 995

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

1.1, 2.1, 2.22, раздел 3, 4.1, 4.11, разделы 5, 6

5. Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 25.03.92 № 251

6. ПЕРЕИЗДАНИЕ (октябрь 1996 г.) с Изменением N 1, утвержденным в марте 1992 г. (ИУС 6-92)

Стандарт не распространяется на светодальномеры, применяемые в космической геодезии и маркшейдерии.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

1. ТИПЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

1.2. В зависимости от области применения светодальномеры подразделяют на четыре группы:

1.3. Допустимую среднюю квадратическую погрешность измерения расстояния одним приемом светодальномеров представляют формулой

, (1)

— измеряемое расстояние, мм.

Предел измерения, км

Конкретные значения параметров и и пределов измерения устанавливают в технических условиях на конкретные светодальномеры.

1.4. Светодальномеры допускается изготовлять в виде насадок на геодезические приборы.

1.5. Условное обозначение светодальномеров должно состоять из порядкового номера модернизации, обозначения группы, значения верхнего предела измерения, параметров и через дробь и обозначения технических условий на конкретные светодальномеры.

В условное обозначение светодальномеров, изготовляемых в виде насадок на геодезические приборы, следует включать букву «Н».

По согласованию с потребителем допускается к условным обозначениям добавлять их наименования.

Пример условного обозначения светодальномера группы СГ первого выпуска с верхним пределом измерений 20 км и параметрами = 1; = 2:

То же, светодальномера группы СТ после первой модернизации с верхним пределом измерений 7 км и параметрами = 5; = 5:

То же, светодальномера группы СТ первого выпуска с верхним пределом измерений 5 км и параметрами = 10; = 3, изготовленного в виде насадки:

То же, светодальномера группы СТД первого выпуска с верхним пределом измерений 0,3 км и параметром = 20:

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

2.1. Светодальномеры следует изготовлять в соответствии с трeбованиями настоящего стандарта, ГОСТ 23543, технических условий по рабочим чертежам на конкретные светодальномеры, утвержденным в установленном порядке.

2.2. Перечень дополнительных требований и показателей, включаемых в технические условия на конкретные светодальномеры, приведен в приложении 1.

По заказу потребителя светодальномеры изготовляют с любыми другими значениями углов.

2.4. Светодальномеры и отражатели должны быть снабжены устройствами для их взаимного ориентирования.

2.5. Светодальномеры и отражатели должны быть снабжены оптическими центрирующими устройствами. Светодальномеры группы СП (кроме насадок) должны быть снабжены встроенными оптическими центрирующими устройствами, а по заказу потребителя и устройствами для принудительного центрирования.

2.6. Питание светодальномеров осуществляют от источников с номинальным напряжением 6 или 12 В.

2.7. Светодальномеры должны сохранять работоспособность при изменении напряжения источника питания на ±10 %.

2.8. Перечень функций, выполняемых светодальномерами, приведен в приложении 2.

Массу остальных составных частей, входящих в комплект светодальномеров всех групп, устанавливают в технических условиях на конкретные светодальномеры.

2.12. Светодальномеры должны быть работоспособны при воздействии на них следующих климатических факторов:

Допускается по согласованию с заказчиком устанавливать в технических условиях на конкретные светодальномеры верхний предел температур плюс 40 °С.

2.13. Светодальномеры должны быть работоспособны при атмосферном давлении 600-1070 гПа (450-800 мм рт. ст.).

2.14. На внешних поверхностях светодальномеров не должно быть незащищенных токопроводящих элементов напряжением более 36 В.

2.15. Внутри светодальномеров вблизи электронных блоков напряжением более 42 В должны быть нанесены предупреждающие надписи или знаки, а в технических условиях на конкретные светодальномеры должны быть соответствующие указания по мерам безопасности.

Критерии отказов устанавливают в технических условиях на конкретные светодальномеры.

Критерием предельного состояния является необходимость проведения ремонта с затратами более 50 % стоимости светодальномера.

Источник

Фазовый метод измерения расстояний. Светодальномеры и радиодальномеры

(1.83)

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

(1.85)

В современных светодальномерах управление, вычисление и контроль выполняются микропроцессором по заданной программе. Измерение расстояний таким светодальномером состоит в установке над пунктами свето-дальномера и отражателя, наведении светодальномера на отражатель и нажатии кнопки «пуск». Измерения выполняют в течение нескольких секунд.

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.

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.

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.

Источник