Принципы измерения расстояний лазерными (квантовыми) дальномерами

Лазерные дальномеры (лазерные рулетки) − современные электронно-оптические приборы, используемые для определения дальности до любого предмета на местности. Погрешность измерений зависит от конструкции прибора и может колебаться от метра до одного миллиметра. В зависимости от модели прибора, дальномеры могут производить вычисления объемов и площадей помещений, а так же иметь различный набор сервисных функций.

Принцип работы большинства лазерных дальномеров основан на измерении разности фаз отраженного от предмета, до которого измеряется расстояние, лазерного импульса и излученного (рис. 7.8.).

Рис. 7.8 Оптические схемы фазового (слева) и импульсного (справа) дальномеров

Метод измерения разности фаз работает по принципу наложения на несущую частоту модулированного сигнала. Прибор измеряет постоянное смещение фазы, несмотря на неизбежные изменения в излучаемом и принимаемом сигнале. В результате сравнения фаз опорного и получаемого сигнала определяется только величина сдвига фазы, а целое число циклов остается неизвестным и не позволяет сразу получить расстояние. Эта неоднозначность разрешается путем много кратных измерений модуляции волны, в результате чего определяется уникальное целое число циклов. Как только целое число циклов определено, то расстояние до цели может быть вычислено очень точно.

Для вычисления расстояний в импульсном методе определяется точное время прохождения импульса до цели и обратно. Импульсный лазер генерирует множество коротких импульсов в инфракрасной области спектра, которые направляются через зрительную трубу к цели. Эти импульсы отражаются от цели и возвращаются к инструменту, где при помощи электроники определяется точное время прохождения каждого импульса. Скорость прохождения света сквозь среду может быть точно определена. Поэтому, зная время прохождения, можно вычислить расстояние между целью и инструментом. Каждый импульс – это однократное измерение расстояния, но поскольку каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов, то с помощью усреднения результатов достаточно быстро достигается высокая точность измерений.

В ходе измерения делается около 20 000 лазерных импульсов в секунду. Затем они усредняются для получения более точного значения расстояния.

Точность обычных импульсных дальномеров обычно несколько ниже, чем у фазовых (до 10 мм).

Лазерная рулетка – это компактный прибор. Он прост в использовании; имеет противоударный, пыле- и влагозащитный корпус для работы в любых условиях. Лазерные дальномеры помогают производить замеры в неудобных местах и из углов помещений. Прибор может оснащаться большим количеством дополнительных аксессуаров и принадлежностей, таких как алюминиевые штативы, отражатели, интерфейсные кабели, оптические визиры и т.д. Максимальная дальность определения расстояния индивидуальна для каждой модели лазерного дальномера.

 Лазерный дальномер часто называют лазерной рулеткой, потому что он заменил традиционную рулетку во многих отраслях бизнеса и производства. Вычисление площади и объема, сложение и вычитание – эти функции лазерного инструмента стали привычными. Более совершенные модели оснащены такими функциями, как замер угла наклона, вертикального, горизонтального или наклонного расстояния и т.п. Лазерная линейка, измеритель лазерный, измеритель расстояния и дальности – это все синонимы, которые часто используют люди для описания функций лазерного дальномера. Законодателем мод в этом сегменте много лет является швейцарская компания Leica Geosystems, которая выпускает дальномеры как под своим именем, так и для известнейших торговых марок.

Лазерные дальномеры имеют дальность действия, которая в большей мере зависит от окружающего освещения и отражающей способности визируемой поверхности. Измерения в помещениях обычно не вызывает проблем. Труднее под открытым небом: при слепящем солнечном свете крошечную лазерную точку трудно рассмотреть обычно уже на расстоянии 10 м. Повышают распознаваемость красные очки, улучшающие видимость лазерного луча. С другой стороны, отраженный сигнал может быть настолько слабым, что его уже нельзя будет обработать с нужной степенью точности. В этом случае вместо результата измерений лазерные дальномеры выдают сигнал ошибки.

При измерении больших расстояний до 500 м в яркий солнечный день лучше применять импульсные дальномеры с инфракрасным излучателем. Они обычно снабжены оптическими визирами, т.к. излучаемые ими импульсы находятся в невидимой для человеческого глаза части спектра. Однако точность измерения такими дальномерами существенно ниже и составляет 0,1-0,5 м. На рис. 3.8. представлен дальномер, снабженный двумя лазерными излучателями и использующий оба способа измерения расстояний − импульсный и фазовый.

ЛЕКЦИЯ 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ УЧАСТКОВ МЕСТНОСТИ МЕХАНИЧЕСКИМ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИМ, И АНАЛИТИЧЕСКИ СПОСОБАМИ

8.1 Измерение площадей на топографических картах и планах

8.2 Полярный планиметр

8.3 Измерение площадей палетками

8.4 Точность измерения площадей разными способами  

Измерение площадей на топографических картах и планах

Способы измерения площадей. На планах и картах площади определяют аналитическим, геометрическим или механическим способом.

Аналитический способ состоит в вычислении площади многоугольника по координатам х_i, y_i (г = 1, 2, ..., n) его вершин:

                                                             (8.1)

Геометрический способ основан на разделении фигуры на несколько таких частей (треугольник, прямоугольник, трапецию), площади которых определяют по удобным формулам. Частный вид этого способа — использование различных палеток в виде системы параллельных линий, удаленных друг от друга на одинаковое расстояние, а также в виде сеток квадратов со сторонами 2—10 мм (в зависимости от размеров определяемой площади). Палеткой с параллельными линиями площадь делят на трапеции с постоянной высотой h, равной расстоянию между смежными параллельными линиями. Длину li средней линии каждой трапеции измеряют (между противоположными границами контура) и определяют площадь:

                                                                                                         (8.2)

Для палетки со сторонами квадрата, равными d,

                                                                                                (8.3)

где N — число целых квадратов, уложившихся в измеряемой площади, Δа_i  —·

дробная часть квадрата (оценивают на глаз)

Механический способ основан на применении специального прибора — планиметра.

Полярный планиметр

На рис. 8.2 показан полярный планиметр с одной кареткой (бывают планиметры с двумя каретками, которые фиксируют положение планиметра сразу двумя отсчетами). Для измерения площади планиметр устанавливают так, чтобы ведущим острием иглы 5 (иногда иглу заменяют кольцом со стеклом, в центре которого выгравирован кружок) при неподвижном полюсе 2 можно было обводить по всему контуру. При этом колесо 14 должно двигаться легко и плавно, а рычаги 1 и 4 не должны образовывать очень острых и тупых углов (меньше 15° и больше 165°). Держась рукой за ручку 6, осторожно ведут острие иглы 5 так, чтобы колесо 14 не отрывалось от бумаги. Один оборот колеса 14, на барабане 15 которого нанесено 100 делений с подписанными десятками (0, 1, 2, ..., 9), соответствует смещению циферблата 11 на одну единицу. Деления отсчитывают по стрелке 12. Десятые и сотые доли берут по барабану 15, а тысячные доли — по верньеру 16. Следовательно, отсчет слагается из четырех цифр.

Сделав два отсчета: No— до обвода и N — после обвода площади, определим ее значение по одной из следующих формул:

F=Cn;                                                                                        (8.4)

F=Cn + Q,                                                                                  (8.5)

где n — разность отсчетов: при обводе по ходу часовой стрелки n = N—N_o, против хода часовой стрелки n = N_o —N; С — цена деления планиметра; Q — постоянная планиметра.

Если полюс находится вне обводимого контура, то применяют формулу (8.3), если полюс внутри контура, то применяют (8.4). Величины С и Q определяют путем измерения планиметром площадей (квадрата, круга), значения которых известны.

Изменяя длину R рычага 4, под которой понимают расстояние от иглы 5 до шарнира 19, можно сделать цену деления С равной некоторому круглому числу Со. Длину рычага Rо, соответствующую этому числу, вычисляют по формуле:

R_o = (C_oR)/C                                                                              (8.6.)

и устанавливают по верньеру 17: освободив винт 21, перемещают каретку 20 сначала грубо, а затем точно, используя винт 8.