Напрями розвитку електронної тахеометрії

Лазерні рулетки.

Електронні нівеліри.

Електронні теодоліти і тахеометри.

1. Вимірювання відстаней за допомогою електромагнітних хвиль засновано на визначенні часу і швидкості їх розповсюдження уздовж дистанції, що виміряється. При цьому можуть бути два випадки.

В першому з них електромагнітні хвилі проходять відстань D, що виміряється, двічі. Для чого на одному кінці лінії встановлюються передавач і приймач, а на іншому – відбивач, і відстань обчислюється за співвідношенням:

D = vτ /2 (3.1)

де v – швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль, τ – час розповсюдження уздовж дистанції в прямому і зворотному напрямах.

Такий варіант (з проходженням сигналу «туди і назад») іноді називають запитальним методом, вважаючи, що передавач посилає до відбивача «сигнал запиту», а від відбивача приходить «сигнал відповіді».

В другому випадку хвилі проходять відстань, що виміряється, тільки в одному напрямі: на одному кінці лінії є передавач, а на іншому – приймач, і відстань обчислюється за співвідношенням:

D = vτ (3.2)

де τ - час однократного проходження дистанції. Цей варіант іменують беззапитним методом.

Беззапитний метод реалізується в глобальних супутникових системах, що визначають координати за вимірюваними відстанями.

У всіх електронних віддалемірах, вживаних як на наземних, так і на космічних трасах, використовується двократне проходження сигналу, тобто схема з відбивачем, і, відповідно, співвідношення (3.1). Тому подальший виклад даного питання відноситиметься саме до цього випадку.

Будь-яка віддалемірна апаратура доставляє інформацію про час розповсюдження τ. Швидкість v при вимірюваннях на наземних трасах знаходять із співвідношення v = с/n за відомим значенням швидкості світла у вакуумі с = 299792458 м/с і показнику заломлення повітря n, яке можна обчислити, вимірявши температуру, тиск і вогкість повітря (для світлових хвиль треба знати ще довжину хвилі). На космічних трасах, що включають іоносферу (при вимірюванні відстаней до супутників і до Місяця) визначення швидкості v має свою специфіку. Віддалеміри виміряють або безпосередньо часовий інтервал τ, або інший параметр, що є певною функцією цього часового інтервалу.
Фізична сутність всіх методів вимірювання відстаней полягає в порівнянні одного і того ж параметра, пов'язаного з електромагнітним випромінюванням, до і після проходження випромінюванням дистанції, що вимірюється. Для цього один і той же сигнал від передавача розділяється на дві частини і прямує на приймач одночасно по двох різних шляхах: безпосередньо (без виходу на дистанцію) і через дистанцію, що виміряється (рис.3.1).

Рис.3.1. Загальна схема вимірювання відстаней за допомогою електромагнітних хвиль.

Перший шлях називають опорним каналом або трактом, а сигнал, що йде по ньому - опорним сигналом.
Другий шлях утворює дистанційний (інформаційний) канал, і відповідно сигнал, що приходить від відбивача називають дистанційним або інформаційним сигналом.
В приймачі (під приймачем на рис.3.1 розуміється приймально – вимірювальний пристрій) здійснюється порівняння опорного і інформаційного сигналів по вибраному параметру, або, іншими словами, вимірюється їх відмінність по цьому параметру, яке і містить інформацію про відстань, що вимірюється. Вибір параметра визначає метод вимірювання відстані.

Такими параметрами частіше за все є:

- час приходу імпульсу випромінювання (при імпульсному випромінюванні);
- фаза коливання (при безперервному випромінюванні).

В останньому випадку це може бути або фаза гармонійного (синусоїдального) коливання, безпосередньо випромінюваного передавачем, або, якщо це коливання (зване несучим), модульовано, - фаза модулюючого сигналу.

Відповідно розрізняють наступні методи вимірювання відстаней:

- часовий (імпульсний), з вимірюванням безпосередньо часу розповсюдження імпульсу;
- фазовий з вимірюванням різниці фаз на несучій частоті;
- фазовий з вимірюванням різниці фаз на частоті модуляції.

Часовий метод. Схема його реалізації показана на рис.3.2.

Рис.3.2. Схема реалізації часового методу

Передавач випромінює короткий імпульс, який розділяється на два - опорний і спрямований на дистанцію. Опорний імпульс запускає вимірника часових інтервалів, а імпульс, що повернувся з дистанції через час τ зупиняє рахунок часу.

Відстань обчислюється безпосередньо за співвідношенням D = vτ /2 (3.1). Вимірник часових інтервалів будується за схемою, принцип якої ілюструється на рис.3.3.

Рис.3.3. Принцип побудови вимірника часових інтервалів
Генератор виробляє безперервну послідовність гостроконечних відлікових імпульсів з періодом повторення Т_сч. Ці імпульси через електронний ключ поступають на лічильник.
Електронний ключ – це свого роду «ворота», які можуть відкриватися, пропускаючи імпульси на лічильник, і закриватися, припиняючи рахунок. Вони відкриваються опорним імпульсом випромінювання (старт-імпульс) і закриваються імпульсом випромінювання, що прийшов з дистанції (стоп-імпульс).
Таким чином, електронний ключ виявляється відкритий на якийсь час τ, за яке імпульс випромінювання двічі проходить дистанцію і яке необхідно виміряти.
Очевидно, що τ можна визначити по числу m імпульсів, підрахованих лічильником за цей час:
τ = mТ_сч = m/f_сч, де f_сч – частота проходження відрахункових імпульсів. Але було б найзручнішим, якби лічильник показував відразу величину відстані, що виміряється. Це можна зробити, якщо вибрати f_сч чисельно рівній половині швидкості розповсюдження випромінювання (в певних атмосферних умовах).
Дійсно, якщо в основну формулу для відстані D = vτ/2 підставити вираз τ = m/f_сч, то отримаємо: D = vm/2f_сч.
Якщо тепер покласти f_сч = v/2, то матимемо D = m, тобто число імпульсів, що показується лічильником, виражатиме собою безпосередньо відстань D. (Ми не розглядаємо такі неістотні тут деталі, як питання розмірності). В отриману величину D вводиться поправка за відмінність реальної швидкості v від «закладеного в прилад» значення.

Оскільки лічильник може рахувати тільки ціле число імпульсів, то виникає помилка дискретності рахунку, яка тим менша чим менше Т_сч, тобто чим більша частота проходження відлікових імпульсів.

Крім того, важко отримати імпульси випромінювання малої тривалості з крутим фронтом. Тому імпульсний метод характеризується порівняно великою абсолютною погрішністю. Погрішність при вимірюванні τ, дорівнює 10 нс, дає помилку у відстані 1,5 м.Тому імпульсний метод вигідно використовувати для вимірювання великих відстаней, коли відносна погрішність вимірювання виходить малою.

Найбільш ефективне застосування імпульсного методу в оптичному діапазоні для вимірювання дуже великих відстаней, зокрема, до ШСЗ, що і використовується в лазерній супутниковій віддалеметрії. Оскільки відстані великі, то лазерний імпульс повинен бути дуже великої потужності; вона тим більше, чим менше тривалість імпульсу. Для вимірювання відстаней до ШСЗ застосовуються, як вже згадувалося, твердотільні лазери. Довгий час типове значення тривалості імпульсу складало приблизно 10 нс при піковій потужності до 100 Мвт.

В останньому поколінні таких віддалемірів застосовуються пікосекундні твердотільні лазери на гранаті, які генерують оптичні імпульси надкороткої тривалості порядку десятків пікосекунд (1пс = 10-12 с) з піковою потужністю до декількох гігаватт (1 Гвт = 109 Вт). За час в 1 пс світло проходить 0,3 мм, і застосування пікосекундних лазерів забезпечує різке підвищення точності імпульсного методу.

Фазовий метод на модульованому випромінюванні.
Цей метод використовується у всіх наземних геодезичних і топографічних світловіддалемірах і радіовіддалемірах, межа дальності дії яких може лежати в діапазоні від декількох кілометрів до декількох десятків кілометрів.

Джерело світла або радіохвиль випромінює несучі гармонійні коливання вигляду А sin (ωt + ϕ_о). Але перед виходом випромінювання на дистанцію який-небудь з цих параметрів (в світловіддалемірах звичайно амплітуда А, яка визначає інтенсивність світла, а в радіовіддалемірах - частота f) піддається модуляції по синусоїдальному закону з деякою частотою F, набагато меншої несучої частоти f.

Тобто, наприклад, в світловіддалемірах інтенсивність що виходить на дистанцію світла стає то більше, то менше, і це відбувається з частотою модуляції F. В світловому потоці виникає огинаюча – синусоїда частоти F. Фаза цієї синусоїди після проходження світлом відстані 2D (до відбивача і назад) відрізнятиметься від фази у момент випромінювання на величину ϕ, яка залежить від часу розповсюдження τ:

ϕ = 2πFτ = 2πF(2D/v). (3.3)

Цю різницю фаз виміряють фазометром, включеним між передавачем і приймачем. З формули (3.3) витікає, що шукану відстань D можна обчислити за формулою:
D = (v/2F)(ϕ/2π). (3.4)
На рис.3.4 показана узагальнена схема реалізації фазового методу з вимірюванням різниці фаз на частоті модуляції F.

Рис.3.4. Функціональна схема фазового віддалеміра

Оскільки фаза – кутова величина, значення якої повторюється через кожні 360^о, тобто 2π, то загальний фазовий зсув ϕ у формулі (3.3) можна представити у вигляді:

ϕ = 2πN + Δϕ, (3.5)
де N - ціле число повних фазових циклів по 2π, а Δϕ – дробова частина циклу, менша 2π. Будь-який фазометр може виміряти різницю фаз тільки в межах від 0 до 2π, тобто тільки Δϕ. Число ж N залишається невідомим.
Підставляючи (3.5) в (3.4), одержуємо основне рівняння фазової віддалеметрії:
D = (v/2F)(N + Δϕ/2π) (3.6)
яке часто записують в більш простому вигляді:
D = (λ/2)(N + ΔN), (3.7)
де λ = v/F – довжина хвилі модуляції, ΔN = Δϕ/2π – дріб, менший одиниці.

Частоту модуляції F часто називають масштабною частотою, оскільки відповідна їй довжина хвилі λ є тією масштабною мірою, яка «укладається» на відстані 2D (або, що те ж, половина довжини хвилі укладається на відстані D). Число укладень складає (N+ ΔN), що наочно видно з формули (3.7).
В основному рівнянні фазової віддалеметрії два невідомих: D і N. Таке рівняння не має однозначного рішення, і виникає так звана проблема вирішення неоднозначності (часто використовують також термін багатозначність) – проблема визначення цілого числа N.

Вирішення багатозначності у фазових віддалемірах. В більшості сучасних світловіддалемірів і у всіх радіовіддалемірах багатозначність вирішують так званим способом фіксованих частот, при якому в віддалемірі передбачають кілька точно відомих частот модуляції, що перемикаються.
При всіх варіантах цього способу вони засновані на одній і тій ж ідеї: наявність декількох частот дозволяє створити ряд масштабних довжин хвиль, перша з яких відповідає основній (найвищій) частоті модуляції, а кожна подальша більше в ціле число раз. Це число звичайно вибирається рівним 10, а перша частота в автоматизованих віддалемірах – частіше всього така, щоб відповідна їй напівхвиля складала ( при стандартних метеоумовах) 10 м (частота ≈15 Мгц), що зручне для створення десяткової системи розрядів (так званий порозрядний спосіб). Якщо напівхвиля
λ1/2 = 10 м, то наступні значення будуть λ2/2 = 100 м λ3/2 = 1000 м і т.д. Для цих масштабних довжин напівхвиль можна записати рівняння вигляду (3.7) з своїми значеннями N і ΔN.
Що ж нам дає наявність ряду цих напівхвиль, що десятиразово збільшуються? Річ у тому, що при способі фіксованих частот, скільки б їх не було, для вирішення задачі потрібна додаткова умова – знання наближеного значення дистанції, що виміряється (D_прибл.). Все питання в тому, з якою точністю потрібно його знати. Якщо в віддалемірі тільки одна фіксована частота (довжина хвилі), то для безпомилкового визначення числа N треба знати відстань з помилкою менше чверті довжини хвилі. Це виходить безпосередньо з рівняння (3.7).
Дійсно, переписавши його у вигляді

N = (2D/λ) – ΔN (3.8)

і перейшовши до середніх квадратичних помилок m, отримаємо:
m_N = (2/λ) m_D. (3.9)

Щоб ціле число N було визначено вірно, його помилка повинна бути менше 0,5. Поставивши умову m_N < 0,5,
з (3.9) знайдемо:
m_D < (λ/4). (3.10)
Наперед знати відстань з такою точністю (для приведеного вище випадку – з помилкою менше 2,5 м) – нездійсненна вимога навіть за наявності великомасштабних карт. Створення ж вказаного вище ряду довжин хвиль дає можливість знати D_прибл. набагато грубіше. Кожний ступінь знижує вимоги до точності знання D_прибл. в 10 разів, і в результаті нього вимагається знати з помилкою менш чверті найбільшої довжини хвилі. Якщо вона складає, скажімо,
20 000 м (напівхвиля 10 000 м), то допустима помилка повинна бути менш ± 2,5 км; іншими словами, треба знати, скільки цілих 5–кілометрових відрізків міститься у відстані, що вимірюється.
Склавши для кожної з напівхвиль, що збільшуються в 10 разів рівняння вигляду (3.7) і додавши до них рівняння
D = D_прибл., ми одержуємо однозначно вирішувану систему найточніший розряд і його частки визначають на першій частоті.

1.2. Світловіддалеміри.

Про світло - і радіовіддалеміри. У світловіддалемірів, радіовіддалемірів довжина хвилі модуляції може лежати в діапазоні від 0,6 м до 20 м, що відповідає частоті F від 500 Мгц до 15 Мгц. Чим більше F, тим точніше віддалемір. Несуча ж частота f набагато вище, ніж F, і, відповідно, довжина хвилі несучої v/f набагато менше довжини хвилі модуляції v/F.

Несуча хвиля більшості радіовіддалемірів складає 3см (f=10000МГц=1010Гц), а в світловіддалемірах довжина хвилі несучої – це довжина хвилі світла, яка, наприклад, при використанні гелій-неонового (Не-Nе) лазера дорівнює 0,63 мкм. Це червоне світло з частотою f ≈ 5·1014 Гц.

Таким чином, з принципової точки зору світловіддалеміри і радіовіддалеміри відрізняються лише довжиною хвилі несучих коливань - в радіовіддалемірах вона на 4-5 порядків більше, ніж в світловіддалемірах. Але така відмінність всього лише в одному параметрі приводить до різкої відмінності цих приладів в схемних і конструктивних відношеннях, оскільки для оптичних хвиль і радіохвиль застосовуються абсолютно різні методи передачі, модуляції і прийому.

В даний час геодезичні радіовіддалеміри не випускаються і представляють лише історичний інтерес.

Фазові світловіддалеміри.

На рис.3.5 показана узагальнена блок - схема фазового світловіддалеміра. Випромінюване джерелом світло пропускається через модулятор, керований генератором моделюючої частоти F. Як модулятор останнім часом частіше за все застосовується електрооптичний модулятор Поккельса, робота якого заснована на лінійному електрооптичному ефекті (ефекті Поккельса).

Теорія ефекту пов'язана з кристалооптикою і досить складна; тут слід відзначити лише, що модулятор є кристалом у формі паралелепіпеда, до верхньої і нижньої граней якого прикладена напруга від генератора. Поляризоване світло, що входить в торець кристала лінійно перетворюється на виході з кристала у світло з еліптичною поляризацією, у якого вид еліпса під дією змінної моделюючої напруги від генератора періодично змінюється з частотою F, тобто світло модулюється за поляризацією. Таку поляризаційну модуляцію потім перетворять в амплітудну, тобто модуляцію світла по інтенсивності, поставивши на шляху світлового пучка поляризатор (який в цьому випадку називають аналізатором), вісь пропускання якого перпендикулярна напряму поляризації, що входить в кристал випромінювання.

За допомогою передаючої оптичної системи модульоване світло прямує на відбивач, встановлений в кінцевій точці лінії, що виміряється.
Як відбивач звичайно використовуються кутові призми (одна або декілька в єдиному блоці), які володіють тією чудовою властивістю, що світло відображається в тому ж напрямі навіть при розвороті призми до 30^о. Частина відображеного світла поступає в приймальну оптичну систему і прямує на приймально-фазометричний пристрій, основними компонентами якого є фотоприймач (приймач світла) і фазометр.

Як фотоприймач використовується фотодіод або фотоелектронний помножувач (ФЕП), перетворюючий світло в електричний сигнал, який поступає на один вхід фазометра. На другий вхід фазометра подається сигнал від генератора масштабної частоти, який слугує опорним сигналом. Фазометр виміряє різницю фаз між опорним сигналом і тим, що прийшов з дистанції. В сучасних світловіддалемірах використовується цифровий фазометр.

Ідея цифрових (дискретних) фазових вимірювань полягає в тому, що шукана різниця фаз перетвориться у відповідний інтервал часу, який потім вимірюється шляхом підрахунку числа імпульсів (з відомим періодом повторення) за цей інтервал.
По суті справи, тут використовується той же принцип, що і в часовому (імпульсному) методі віддалеметрії (див. рис.3.3), але з деякими істотними відмінностями.
По-перше, опорний сигнал і сигнал з дистанції синусоїдальні, і з них формуються прямокутні імпульси;
електронний ключ відкривається переднім фронтом імпульсу опорного сигналу і закривається переднім фронтом імпульсу дистанційного сигналу.
По-друге, оскільки різниця фаз двох синусоїдальних сигналів може бути знайдена тільки в межах від 0 до 2π (величина Δϕ у формулі (3.5)), інтервал часу між старт - і стоп-імпульсом дорівнює не повному часу розповсюдження τ, а дробової частини Δτ періоду коливань тієї частоти, на якій працює фазометр.
Іншими словами, електронний ключ виявляється відкритим на якийсь час Δτ, пов'язаний з вимірюваною різницею фаз Δϕ, співвідношенням Δϕ = 2πF_фΔτ, де F_ф – частота
сигналів, що поступають на фазометр.
Ця частота звичайно набагато нижче за частоту модуляції F, що виробляється генератором масштабних частот, і утворюється в результаті гетеродинування, для чого в схему вводиться гетеродин (див. рис.2.3, де низька частота позначена через Δf).
Таку схему називають гетеродинною схемою.

В опорному каналі частоти генератора і гетеродина змішуються в радіотехнічному змішувачі См, а в сигнальному каналі функцію змішувача виконує фотоприймач, на який поступає частота від гетеродина і світло, модульоване з частотою генератора. Нагадаємо, що при гетеродинуванні фазові співвідношення не змінюються, і тому значення Δϕ на низькій різницевій частоті F_ф залишається таким же, як і на частоті модуляції F.

Щоб результат вимірювань був отриманий у вигляді відстані, частота рахункових імпульсів, як і при часовому методі, вибирається чисельно рівній половині швидкості світла за певних умов (з подальшим введенням поправки на реальні умови вимірювань). Для забезпечення десяткової системи відліку частота рахункових імпульсів f_сч повинна бути пов'язана з частотою F_ф, що поступають на фазометр сигналів співвідношенням:

f_сч = 10^k F_ф, (3.12)
де k – ціле число. Звичайно k = 3, що забезпечує точність результату до 0,001 від масштабної одиниці довжини, тобто від половини довжини хвилі модуляції. При типовій частоті модуляції близько 15 Мгц (λ/2 = 10 м) це дає 1 см. Для підвищення точності проводиться не однократне, а багатократне вимірювання різниці фаз ( наприклад, 1000 окремих вимірювань, які наступають один за одним протягом приблизно 10с), і результати вимірювань усереднюються. Усереднений по багатьох вимірюваннях результат видається на електронне цифрове табло на один розряд точніше, тобто остаточна точність виходить 0,0001 від λ/2 (в
приведеному вище прикладі – 1 мм).

2. Електронні теодоліти і тахеометри.

2.1. Електронні теодоліти.

Електронні вимірювання кутових величин реалізуються в електронних теодолітах і електронних тахеометрах.
Електронний теодоліт є пристроєм, в якому проводиться автоматичне причитування кутових величин з перетворенням їх в електричні сигнали. Ця операція здійснюється за допомогою аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). В електронних теодолітах застосовуються два основні види АЦП, які відрізняються методом отримання інформації про кут у вигляді електричних сигналів.
Ці два методи отримали назву кодового і інкрементального; останній часто називають просто цифровими.
Кодовий метод. При цьому методі лімб, з якого прочитується кутова величина, є скляним диском, на якому нанесена система концентричних кодових доріжок, що складаються з окремих елементів типу «так – ні» (наприклад, прозорих і непрозорих ділянок), забезпечуюючих можливість створення сигналів 1 і 0 в двійковій системі при причитуванні. Розташування цих елементів таке, що вони в певному коді зашифровують підлягаючу вимірюванню кутову величину, причому кожна доріжка звичайно відповідає певному розряду в значенні кутової величини, що виміряється. Кількість доріжок і послідовність розташування елементів в них залежать від вибраного коду і бажаної точності отримання кута. Як код можуть використовуватися різні числові коди – двійковий, двійково-десятковий, циклічний і ін. На рис.3.8. показаний вид кодованого круга в електронному теодоліті, що є складовою частиною одного з електронних тахеометрів фірми
«Х'юлетт- - Паккард» (США).
Кодовий метод є абсолютним методом, тобто таким, при якому значенню кутового напряму (певному кутовому положенню кодового диска) однозначно відповідає певний кодований вихідний сигнал.

Рис.3.8. Приклад кодованого круга в електронному теодоліті.

В реальних системах має місце не імпульсне, а приблизно синусоїдальна зміна інтенсивності світла на фотоприймачах при обертанні растрового круга, і імпульси формуються з одержуваних на виході фотоприймачів сигналів відомими електронними способами.
Інкрементальний метод є відносним методом, при якому визначаються тільки зміни кутового положення круга, тобто вимірюються кути, тоді як при кодовому методі вимірюються напрями, а кути обчислюються як різниці напрямів.
Як при кодовому, так і при інкрементальному методі для підвищення точності причитування кутів застосовуються інтерполятори – системи, що містять декілька, розташованих певним чином по відношенню до кутового круга пар фотодіодів, сигнали від яких зсунуті по фазі на певну величину; ці сигнали обробляються спільно, що дозволяє отримати високий кутовий дозвіл.
Прикладом інтерполятора може служити система, зображена на рис.3.9.; тут аналізатор, на якому також нанесені штрихи, грає роль дифракційних решіток, що дозволяють отримати в площині зображення 4 пучки і використати 4 фотоприймачі, розташовані таким чином, що вони при обертанні круга створюють чотири електричні сигнали, зсунуті по фазі щодо один одного на 90^о . За допомогою їх складання і віднімання
утворюються ще 4 сигнали, і всі ці сигнали обробляються спільно.
В сучасних електронних теодолітах точність вимірювання кутів може бути дуже високою, досягаючи 0,5".

2.2 Електронні тахеометри.

Електронним тахеометром називають прилад, що дозволяє виконувати як кутові, так і лінійні вимірювання з можливістю сумісної їх обробки.
Електронний тахеометр є об'єднанням теодоліта, світловіддалеміра з напівпровідниковим випромінювачем і мікропроцесора або мікрокомп'ютера в єдину нероз'ємну або модульну конструкцію.
Крім того, прилад, що володіє функціями електронного тахеометра, може бути отриманий при установці малогабаритного автоматизованого топографічного світловіддалеміра на оптичний або електронний теодоліт. Саме так конструювалися електронні тахеометри першого покоління. В цьому випадку реєстрація результатів кутових і лінійних вимірювань проводиться роздільно і для їх сумісної обробки необхідний зовнішній обчислювальний пристрій, який у вигляді окремого блоку може, наприклад, закріплятись на штативі теодоліта.
В електронних же тахеометрах нероз'ємної конструкції обчислювальний пристрій вбудований в сам прилад, а клавіатура управління виведена на передню панель приладу.
Електронні тахеометри можуть бути розділений на два типи:
• електронні тахеометри з візуальним відліком кутів (позначимо їх ЕТ/В);
• електронні тахеометри з електронним відліком кутів (позначимо їх ЕТ/Е).

В ЕТ/В кутомірна частина тахеометра є оптичним теодолітом з шкаловим мікроскопом або оптичним мікрометром; в ньому відліки, що знімаються візуально вводяться в процесор ручним набором на клавіатурі.
В ЕТ/Е кутомірна частина є електронним теодолітом з цифровою індикацією кутових величин на табло. Лінійні величини (результат віддалемірних вимірювань) виводяться в цифровому вигляді на табло в обох типах тахеометрів.
Тахеометри типу ЕТ/Е в зарубіжній літературі називають «універсальними станціями» (Total Station).

Узагальнюючі різноманітність фірм та моделей електронних тахеометрів можна зробити такі висновки і рекомендації:
1. Електронні тахеометри які сьогодні продукують приладобудівні фірми: Trimble, Leica Geosystems, Sokkia, Topcon, South, Pentax, Nikon, Spectra Presicion та інші забезпечують найрізноманітніші вимоги користувачів щодо точності, швидкодії, можливостей програмного забезпечення, рівня автоматизації.
2. Доцільно класифікувати електронні тахеометри на групи: прицезійні, точні, рутинні, універсальні, враховуючи точність кутових та лінійних вимірювань, і технічні можливості самих приладів, в залежності від яких, електронні тахеометри можуть бути використані для
різноманітних цілей, таких як: в метрології, для високоточних інженерно – геодезичних робіт, для кадастрових, топографічних та розмічувальних робіт, у будівництві, тощо.
3. Велике зацікавлення у фахівців користуються електронні тахеометри, що забезпечують досить високу точність вимірювання кутів та ліній. На нашу думку, до таких можна віднести прилади фірми Leica Geosystem, Nikon, Topcon та Trimble. Крім цього велике зацікавлення становлять електронні тахеометри, що можуть працювати без відбивача на великих відстанях(Leica Geosystem, Topcon), а також інтегровані з GPS – системи.(фірма Leica Geosystem).
4. Серед електронних тахеометрів представлених для порівняння, більше переваг мають прилади фірми Leica Geosystems, яка є світовим лідером у розробленні та інтеграції геодезичного обладнання для створення високоточних та надійних систем автоматизованого моніторингу інженерних споруд, та інших об'єктів. Важливим аргументом,цієї фірми, є пріоритет на якість та надійність роботи електронних тахеометрів, про що свідчить впровадження у виробництво ЕТ Leica 1200+ та ЕТ Leica SmartStation 1201+,1202+,1203+1205+, з інтегрованим GPS – приймачем.

3. Електронні нівеліри.

Електронний (цифровий) нівелір – це сучасний багатофункціональний геодезичний прилад, що поєднують функції високоточного оптичного нівеліра, електронного пристрою, що запам'ятовує, і вбудованого програмного забезпечення для обробки отриманих вимірів.
Основна відмінна особливість цифрових нівелірів - це вбудований електронний пристрій для зняття відліку по спеціальній рейці з високою точністю. Використання цифрових нівелірів дозволяє виключити особисті помилки виконавця і прискорити процес виміру. Цифрові технології дозволяють значно розширити можливості нівелірів і сфери їх застосування. Крім високої точності показань цифрового нівеліра, він також дає можливість виключити помилки людського фактора як такого. Крім уникнення людських помилок у вимірах, цифрові нівеліри здатні прискорити сам процес вимірювань, що сприяє чималому економії часу. Для того, щоб прилад виконав необхідний вимір, достатньо направити прилад на рейку, добре сфокусувати зображення і натиснути на пускову кнопку. Буквально за лічені частки секунди нівелір відобразить результат на екрані, а саме отримане значення і відстань від рейки до приладу.
З кожним роком цифрові нівеліри вдосконалюються, а професіонали додають все нові функції. Детальна розробка нівеліра дозволяє йому давати більш точні результати вимірювань. У результаті багатьох досліджень цього приладу росте не тільки попит на нього, а й сфера його застосування, оскільки на даний момент такого роду устаткування затребуване не тільки при будівельних і монтажних роботах, але також і в прикладній геодезії і вишукувальних роботах. Його популярність в широких масах і поширеному використанні можна також пояснити простотою і доступністю. Хоч для користування цим приладом і потрібні певні навички і знання, але надприродних умінь він не вимагає.
Цифрові (електронні) нівеліри є новим поколінням приладів для визначення висот точок. Наявність у конструкції приладів електронних давачів дає змогу в автоматичному режимі відлічувати рейки зі штриховим кодом, контролювати результати вимірювань, опрацювати їх вмонтованою у прилад ЕОМ і зберігати у накопичувані.

Для автоматичного відлічування штрих кодової рейки достатньо його тридцятисамнтиметрового відрізка - по 15 см догори і донизу від лінії візування. На одне вимірювання витрачають від трьох до дев'яти секунд. Багаторазові вимірювання осереднюються автоматично. Цифровими нівелірами вимірюють перевищення і довжини плечей нівелювання. Програмне забезпечення цифрових нівелірів дає змогу одразу після наведення приладу на рейки одержати перевищення та відмітки точок нівелювання.

Повторні вимірювання практично виключаються внаслідок автоматичного визначення похибок і введення поправок. Програмним забезпеченням деяких сучасних цифрових нівелірів пере­дбачено врівноваження вимірювань. Загалом цифрові нівеліри дають можливість повернутися до перерваних вимірювань. Панелі керування приладів слугують також для алфавітно-цифрового введення номерів та кодів точок і різновидів додаткової інформації. Результати вимірювань та їхнього опрацювання можуть бути занесені до карт пам'яті або до внутрішньої пам'яті приладу. Цифрові нівеліри зазвичай споряджені компенсаторами нахилу.

Разом із автоматичним режимом цифровими нівелірами можна виконувати візуальне нівелювання як оптичними нівелірами, застосовуючи рейки із традиційними шкалами, звичайно, з меншою точністю. Вважають, що використання цифрових нівелірів підвищує продуктивність виконуваних робіт на 50%. За мінімального часу одного вимірювання ємності батарей деяких нівелірів може вистачити на три дні.

Цифрові нівеліри виготовляють провідні фірми світу Trimble-Zeiss – DiNi 10, DiNi 11, DiNi 11Т, DiNi 12, DiNi 12T, DiNi 20, DiNi 21, DiNi 22; Leica – NA 2002, NA 3003; DNA 10, DNA03; Sprinter 100 (100 M); Sprinter 200 (100 M); Sokkia -SDL 30 та інші.

Лазерні нівеліри. Властивості лазерних випромінювачів, які застосовуються у лазерних геодезичних приладах, і, зокрема у нівелірах, описані вище.
Дещо умовно можна розрізнити чотири види лазерних нівелірів.

Перший з них - це власне традиційні оптичні нівеліри з лазерними насадками.

У другому виді лазер і зорова труба розташовані в одному корпусі. Вісь лазерного випромінювання паралельна до візирної осі зорової труби, але не суміщена з нею. Паралельне розташування візирної осі та осі лазерного випромінювання є істотним недоліком конструкції лазерного нівеліра цього виду. Паралельність двох згаданих осей доводиться контролювати під час вимірювань і вводити поправки у їхні результати. Це є додатковим джерелом похибок.

У третьому виді приладів - колімаційного типу цей основний недолік попереднього виду подолано. На рис. 3.15 подано принципову схему лазерного нівеліра колімаційного типу.

Рис. 3.15. Принципова схема лазерного нівеліра колімаційного типу: 1 - об'єктив коліматора; 2 - гвинт фокусувального пристрою; З - окуляр; 4 - лазер; 5 - елеваційний пристрій; 6 - підставка з
підіймальними гвинтами; 7-гвинт пристрою відхилення променя; 8 - циліндричний рівень.
Для наведення приладу на візирну ціль в оптичний канал гвинтом 7 вводять пристрій відхилення променя, який передає зображення цілі у поле зору окуляра. Після наведення на ціль пристрій відхилення променя виводять з оптичного каналу і промінь лазера скеровується об'єктивом 1 на візирну ціль. Для виведення лазера у горизонтальний стан слугує рівень 8. Прилад з достатньою мобільністю задає як візуальний, так і лазерний опорний промінь. Для скерування променя лазера у різних напрямках його устатковують різноманітними насадками.
Для інженерно-геодезичних вимірювань, зокрема у будівництві, широко застосовують лазерні нівеліри, в яких дзеркальні або пуризмові сканувальні системи розгортають лазерний промінь у площину. Часто для цього використовують пентапризму, що обертається. Спроби створити багатофункціональний прилад, яким одночасно можна контролювати прямолінійність, а також відхилення від площини та прямовисності, привели до появи приладу ЛАГ (СРСР), принципову схему якого подано на рис. 3.16.

Блок-схема його містить лазерний випромінювач, оптичну систему, пристрій розгортай лазерного променя у площину та візуальний або фотоелектричний реєструвальний пристрій. Горизонтальну площину "П" створює пентапризму 4, що обертається у осьовій системі 6 гнучким приводом 5 від електродвигуна постійного струму. До верхньої відбивної грані пентапризми, що зроблена напівпрозорою, проклеєно оптичний клин так, що разом з пентапризмою вони утворюють плоско-паралельну платівку.
Лазерний промінь, пройшовши вертикальну оптичну систему 7 із світлорозподільним елементом 9, доходить до напівпрозорої грані пентапризми 4. Частина променя, що відбилася цією гранню, утворює лазерну площину пентапризмою, що обертається. Частина променя, що проходить пентапризму з клином як плоскопаралельну платівку, поширюється у напрямку "В" вертикально (прямовисно) вгору.
Частина лазерного променя, проходячи світлорозподільний елемент 9, відбивається ним і горизонтальною оптичною системою 8, як пряма лінія скеровується у горизонтальному напрямку "Г".
Загальний окуляр 3 дає змогу розглядати слід опорної горизонтальної лінії "Г", слід лазерної площини "П" та слід вертикально спрямованого променя. Горизонтальний промінь та площину, у яку розгорнуто лазерний промінь, приводять у горизонтальний стан за допомогою двох контактних циліндричних рівнів, що розташовані перпендикулярно один до одного. Пристрій юстують, переміщуючи світлорозподільний елемент 9, а також елеваційним гвинтом 2.
Лазерні нівеліри, що будують горизонтальні площини, випускають численні фірми, а саме: Trimble-Zeiss, УОМЗ, Sokkia та інші.Дві перші із згаданих фірм називають їх лазерними нівелірами, наприклад, деякі з них IH52XL (Spectra), Plus (Spectra), НЛ-20К НЛ30. Фірма Sokkia випускає їх під назвою лазерних побудовувачів площин, наприклад, LP 30, LP 31 або горизонтальними чи вертикально-горизонтальними планувальниками такими, наприклад, як А 410 R, LV--205, EAGL-2EL та інші.
Лазерний нівелір-автомат НЛ-20К (рис. 3.17) створює видиму горизонтальну площину розгорнутим лазерним променем і застосовується у будівництві; для розмічування ділянок; встановлення обладнання; під час виконання вишукувань та у землевпорядкуванні

Завдяки оптичній системі лазерний промінь лазерного вимірювального інструментом може бути ущільнений, розщеплений на декілька променів; при цьому кожен з них спрямований у визначену, відмінну від інших, сторону. Таким чином, лазер може формувати одночасно декілька скоординованих точок, ліній, а також пробігати усі чотири сторони прямокутника.
Відносно новим напрямом в області конструкції будівельних(геодезичних) лазерних вимірювальних інструментів є ротаційні лазери. Їх можна умовно розділити на 4 підгрупи:
1. Лазери, в яких вирівнювання лазера здійснюється вручну.
2. Лазери з напівавтоматичним вирівнюванням.
3. Лазери з компенсаційним вирівнюванням,
4. З сервомеханізмом для вирівнювання лазера.
Лазерні рулетки є малогабаритним технічним пристроєм, оснащеним ЖК- дисплеєм, клавіатурою, обчислювальним пристроєм та лазером. Лазерні вимірювальні інструменти як рулетки здатні вимірювати відстані від 0,2 до 200 метрів.
Лазерні вимірювальні інструменти такі, як рулетки прискорюють, спрощують та автоматизують, будівельних та геодезичних робіт. Ці рулетки дозволяють здійснювати виміри за лічені секунди шляхом простих натиснень на кнопки приладу.
Вбудований інтерфейс лазерного вимірювального інструменту полегшує прочитування отриманих даних, а автоматичний режим роботи приладу зводить ризик невірних вимірів до нуля. Лазерні рулетки використовуються не лише в будівельній сфері, але і в навігації та при виконанні топографічних зйомок. Лазерні рулетки з внутрішньою пам'яттю, призначені для професійного використання, дозволяють зберігати результати вимірів, а найсучасніші моделі лазерного вимірювального інструменту можна під'єднувати до комп'ютера.
Лазерні рулетки придатні для використання в несприятливих погодних умовах та при коливанні температур в досить широкому діапазоні. Лазерний вимірювальний інструмент живиться від батарейок, які забезпечують виконання до 5-10 тис. вимірів. Лазерними рулетками можна користуватися і в умовах недостатньої освітленості, оскільки у більшості моделей є підсвічування дисплея.

Лазерний далекомір-рулетка - компактний прилад. Він простий у використанні; корпус у таких приладів, як правило, протиударний, пиле – і вологозахищений, розрахований на роботу на відкритому повітрі, або в умовах будівництва та інших геодезичних роботах.
Прилад може оснащуватися великою кількістю додаткових аксесуарів і приладдя, таких, як алюмінієві штативи, відбивачі, інтерфейсні кабелі, оптичні візири і т.д. Максимальна дальність визначення відстані індивідуальна для кожної моделі лазерного далекоміра.
Лазерний далекомір – як прилад для вимірювання відстаней, широко застосовується в інженерній геодезії (при будівництві шляхів сполучення, гідротехнічних споруд, ліній електропередач і т. д.), при топографічній зйомці, у військовій справі (головним чином для визначення відстаней до цілей), в навігації, в астрономічних дослідженнях, у фотографії. Лазерні далекоміри засновані на вимірі часу проходження хвиль відповідного діапазону від далекоміра до другого кінця вимірюваної лінії й назад.
Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійної швидкістю дає можливість визначати дальність до об'єкта. Так, при імпульсному методі дальнометрировання використовується наступне співвідношення:

L = ct / 2n,

де L - відстань до об'єкта, c – швидкість світла у вакуумі, n – показник заломлення середовища, в якому поширюється випромінювання, t – час проходження імпульсу до цілі і назад.

5. Напрями розвитку електронної тахеометрії.

До теперішнього часу існує дуже багато конкретних моделей електронних тахеометрів, що випускаються різними фірмами в різних країнах. Відмітимо, що в даній лекції навмисно не описуються які - небудь конкретні прилади, бо розвиток в цій області йде такими швидкими темпами, що щороку з'являються нові моделі. Велика увага надається гібридним (модульним) конструкціям, що допускають просту і легку збірку моделей з різними можливостями. Подібні системи володіють у відомому сенсі більшою гнучкістю, ніж нероз'ємні конструкції, дозволяючи з максимальною ефективністю використовувати геодезичні прилади, що випускаються фірмою, синтезуючи їх різним чином залежно від виду необхідних робіт. При цьому різноманітність теодолітів і віддалемірів часто поєднується з уніфікацією комп'ютерної техніки, коли фірма випускає універсальний пристрій збору і реєстрації даний (електронний польовий журнал, він же зовнішній накопичувач), який може працювати з широкою комбінацією вимірювальних приладів.
Жорстка конкуренція примушує західні фірми вести безперервне вдосконалення своїх моделей і розробку нових приладів. Приблизно однаковими залишаються такі характеристики, як дальність дії (до декількох кілометрів) і точність (типова точність лінійних вимірювань складає 5мм + 5 мм/км, кутових – в діапазоні від 10 до 1-2"), і основна
увага розробників направлена на створення максимальних зручностей для споживача. Як приклад можна вказати, що перший прорив в цій області був здійснений в 1986 році шведською фірмою «Геотронікс» (Geotronics AB), що створила прилад «Геодіметр 400» і потім декілька подальших моделей (440, 460), які утворили нове покоління електронних тахеометрів.

В геодиметрах чотирьохсотої серії, окрім режиму «трекінга» (стеження за відбивачем, що рухається, коли беруться відліки через кожні 1-3 секунди), який вже використовується в інших приладах, були вперше застосовані наступні новинки:
1) система прецизійного електронного контролю процесу кутових вимірювань, що дозволяє працювати при одному крузі (положенні труби без перекладу через зеніт) без втрати точності. Ця система забезпечує:
- автоматичну корекцію колімаційної помилки і нахилу осі обертання труби;
- повне виключення вплив ексцентриситету і помилок розподілів шкали (лімба);
- автоматичну компенсацію порушень центрування інструменту в процесі роботи;
2) електронний рівень, що забезпечує автоматичну нівеляцію приладу без обертання його навкруги вертикальної осі;
3) багатофункціональний дисплей (на рідких кристалах), що має табло з чотирма строчками по 16 розрядів в кожній; на цьому дисплеї може відображатися відразу велика кількість інформації;
4) «Юніком» – пристрій для одностороннього мовного зв'язку з реєчником по оптичному променю. На рейці з відбивачем змонтований фотоприймач; передача здійснюється шляхом модуляції голосом інфрачервоного променя, який служить джерелом випромінювання далекомірної частини приладу. Надалі оптичний зв'язок був замінений двостороннім радіозв'язком;
5) «Треклайт» – пристрій для «самонаведення» реєчника, який дозволяє йому швидко відшукати промінь від приладу і встановити в нього відбивач, змонтований на рейці. Пристрій є трибарвним джерелом видимого світла, випромінюючим біле, червоне і зелене світло; пучок білого світла знаходиться між червоним і зеленим і працює миготливими спалахами 2-3 рази в секунду. Якщо реєчник знаходиться в створі, він бачить біле світло, при відхиленні від створу вліво – зелене, а управо – червоне. На дистанції 100м ширина зони білого світла складає 25см, а червоного і зеленого – по 5м; відхилення пучка білого світла дорівнює відхиленню інфрачервоного випромінювання від основного джерела віддалеміра. Коли біле світло потрапляє на відбивач, частота спалахів білого світла подвоюється, сигналізуючи реєчнику про правильну установку відбивача.

Програма “ Положення недоступної точки ” (наприклад така, що знаходиться під мостом) дозволяє визначати цю точку за допомогою результатів вимірів допоміжної точки, що знаходиться під тією, що визначається, з подальшим візуванням на визначувану точку. Функція “ Визначення прихованої точки ” дозволяє визначити координати точки, яка перекрита будівлями або технікою, за допомогою спеціальної віхи на кінцях якої розміщені
відбивачі. При вимірах віха розташовується під будь – яким кутом а програма проводить виміри прихованої точки так, ніби вимірювання проводиться прямим візуванням на неї.
Крім того в даних електронних тахеометрах включено програми: “ Шляховик ” що дозволяє виконувати розмічування і контроль положення траси при будівництві доріг та інших криволінійних об’єктів, а також опція ” Координатна геометрія ” що включає в себе ряд функцій: пряму та обернену геодезичну задачі, трасування, різноманітні комбінації перетинів (азимут – азимут, відстань – відстань, по 4 – ох точках) визначення ортогональних та подовжніх відступів. Координати обчислених точок можуть бути відразу винесені в натуру.

Дата добавления: 2014-01-07