Вимірювання відстаней світловіддалеміром. Світловіддалеміри СТ-5”Блеск”, КДГ-3 (СМ-3) і ЄДК-2000

Лекція № 16. Вимірювання відстаней світловіддалеміром  (4 год)

План лекції:

1.  Принцип вимірювання відстаней світловіддалеміром.

2.  Світловіддалемір СТ-5”Блеск”.

3.  Світловіддалемір КДГ-3 (СМ-3).

4.  Світловіддалемір ЄДК-2000.

1. Принцип вимірювання відстаней світловіддалеміром

Вимірювання віддалей за допомогою електромагнітного випромінювання базується на залежності довжини шляху і часу, за який його проходить електромагнітна хвиля. Якщо швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль позначити через ν, то за кінцевий час τ хвиля пройде віддаль , що дорівнює:

D = ντ.                                                                                                           (7.14)

З формули (7.14) випливає, що для визначення Dнеобхідно знати швидкість розповсюдження електромагнітного випромінювання і інтервал часу τ . що відповідає вимірюваній віддалі.

Технологія вимірювання віддалей за допомогою електромагнітних хвиль полягає в тому, що на одному кінці вимірюваної лінії встановлюють прийомопередавач, що випромінює електромагнітні хвилі, а на другому кінці - відбивач, який віддзеркалює електромагнітні хвилі в бік прийомопередавача з вимірювальною апаратурою. Тому вимірюваний інтервал часу τ відповідає подвійній віддалі 2D, а шукана віддаль визначається за формулою

                                                                                      (7.15)

де τ - виміряний інтервал часу, що відповідає подвійній віддалі.

Інтервал часу вимірюють або безпосередньо, або вимірюють інший параметр, що є функцією цього інтервалу.

Розглянемо рівняння гармонічного коливання:

x(t) = Asin(ωt+φ₀),(7.16)

де х{t)                      -   величина, що коливається;

А                               -   амплітуда коливання

t                                -   час;

ω                                -    кругова частота;

φ₀                                                  -   початкова фаза коливань.

Вираз в дужках являє собою фазу гармонійного коливання, яка є функцією часу.

Суть методів вимірювання віддалей полягає у порівнянні одного й того ж фізичного параметра до і після проходження електромагнітною хвилею вимірюваної лінії. На рис.7.10 показана принципова схема приладу для вимірювання віддалей за допомогою електромагнітних хвиль.

Електромагнітний сигнал поступає на вимірювальну апаратуру двома шляхами: безпосередньо (цей шлях називається опорним каналом) і через вимірювану дистанцію (цей шлях називається дистанційним каналом). У відповідності з цим розрізняють опорний сигнал і дистанційний сигнал. У вимірювальній апаратурі виконується порівняння опорного та дистанційного сигналів за вибраним параметром. Відмінність параметрів обумовлена тим, що вони проходять різні шляхи, тобто ця відмінність є функцією вимірюваної віддалі

          За вибором параметра порівняння опорного та дистанційного сигналів визначають метод вимірювання віддалей. Розрізняють наступні методи: часовий або імпульсний, частотний і фазовий. Найширше розповсюджений у геодезичних світло- та радіовіддалемірах фазовий метод вимірювання віддалей. Він заснований на залежності фази гармонічного коливання від часу.

Якщо передавач випромінює гармонічні коливання кругової частоти ω з фазою:

φ₁ = ωt + φ₀,

то, пройшовши подвійну віддаль 2D від передавача до відбивача і назад, на приймач вони надійдуть з фазою

φ₂ = ω (t + τ) + φ₀.

Порівняння фаз φ₁ та φ₂ дає величину

φ_2D = φ₁-φ₂ = ωτ = 2πfτ,                                                                            (7.17)

де f - частота коливань.

З виразу (7.17) знайдемо часовий інтервал τ і за формулою (7.15) - вимірювану віддаль:

D = 1/2ντ = νφ_2D/4πf                                                                          (7.18)

Величина φ_2D являє собою зсув фаз між опорним та дистан­ційним сигналами, його виразимо у вигляді:

φ_2D = 2πN + φ,                                                                                    (7.19)

де N  -  кількість періодів коливання;

     φ  -  величина, менша від 2π , яка здобувається фазовимірювальним пристроєм.

Підставимо вираз (7.19) у формулу (7.18), тоді отримаємо:

                                                     (7.20)

де

                -   довжина хвилі електромагнітного випромінювання;

                -  фазова остача.

Вираз (7.20) являє собою основне рівняння фазового віддалеміра. Вономістить два невідомих - віддаль Dі кількість цілих фазових циклів N, для визначення яких вживають спеціальних заходів, що носять назву «розв'язання неоднозначності».

У залежності від діапазону хвиль електромагнітного випромінювання геодезичні фазові віддалеміри діляться на 2 класи - світловіддалеміри та радіовіддалеміри.

У світловіддалемірах використовується електромагнітне випромінювання оптичного діапазону - видиме світло або інфрачервоне випромінювання. У радіовіддалемірах використовують радіохвилі діапазону надвисокої частоти (НВЧ).

Сучасні фазові світловіддалеміри діляться на 4 групи.

Світловіддалеміри великої дальності дії, за допомогою яких можна виміряти віддалі до 15 - 50км з середньою квадратичною похибкою ± (10мм+2мм/км). Вони призначені для вимірювання сторін у державних геодезичних мережах, а також базисів космічної тріангуляції і тріангуляцій вищих класів.