Лекция Пропорциональные поправки. Геометрические поправки. Исследования светодальномерной аппаратуры. Эталонирование масштабных частот.

    Скачать с Depositfiles 

          7.1 Пропорциональные поправки

             7.2 Геометрические поправки

При рассмотрении различных типов схем дальномеров мы для простоты пренебрегали временными (фазовыми) задержками сигнала в аппаратуре, полагая, что мы получаем из измерений неискаженную величину

и, соответственно, разность фаз

На самом деле это не так.

При прохождении светового луча в стекле оптических систем, различного рода оптических элементах (включая модулятор света и оптический демодулятор) скорость его меньше, чем при распространении в воздухе, и, следовательно, возникает дополнительная задержка по времени и соответственно по фазе, эквивалентная удлинению измеряемого расстояния.

При прохождении электрических сигналов по различным цепям также возникают временные задержки. При этом задержки в общем случае различны в электрических цепях опорного и дистанционного трактов.

Кроме того, измеряемая разность фаз, которая по смыслу должна соответствовать удвоенному расстоянию между конечными точками измеряемой линии, закрепленными на местности, при измерениях оказывается отнесенной к «аппаратурному» пути — к расстоянию «модулятор — отражающая поверхность отражателя — фазовый детектор». Но дальномер и отражатель центрируются над концами измеряемой линии вертикальными осями вращения, которые, как правило, не совпадают с плоскостями указанных элементов прибора. Кроме того, при зеркальной оптике путь луча удлиняется за счет отражения. Вследствие этого результат измерений отличается от правильного на дополнительную величину чисто геометрического происхождения.

Указанные обстоятельства приводят к тому, что если измерить светодальномером базис точно известной длины, то измеренное значение будет отличаться от «истинного» на некоторую величину, которую мы обозначим через . Эта величина получила название постоянной поправки светодальномера.

Как следует из сказанного выше, ее в общем случае можно рассматривать состоящей из трех составляющих — геометрической, оптической и электрической. В то время как геометрическая и оптическая составляющие определяются конструкцией оптико-механической части прибора и в ряде случаев могут быть достаточно надежно определены расчетным путем, электрическая составляющая, связанная с задержками сигнала в электрических цепях, практически не поддается расчету и, что весьма существенно, она не остается постоянной во времени. Это происходит потому, что электрические параметры схемы зависят от многих нестабильных факторов — температуры, влажности, частоты и т. п. Поэтому необходимо принять меры к тому, чтобы исключить или свести к минимуму влияние нестабильной электрической составляющей на результаты измерений.

Известны два способа решения этой задачи. Первый способ относится к дальномерам с оптическим демодулятором (приборы с синхронной демодуляцией) и cводится к определенному конструктивному выполнению прибора — созданию так называемой симметричной схемы, в которой пути прохождения электрических и оптических сигналов в передающем и приемном каналах дальномера одинаковы. Для этого должны быть конструктивно одинаковы модулятор и демодулятор, а также электрические цепи, по которым к ним подводится сигнал от генератора модулирующего напряжения. Для достижения наиболее полной симметричности схемы требуется тщательный подбор модулятора и демодулятора по параметрам и особая тщательность монтажа высокочастотных цепей. Однако подобрать модулятор и демодулятор с абсолютно одинаковыми параметрами практически невозможно.

Поэтому наилучшим является вариант симметричной схемы, называемый схемой с совмещенными трактами, когда используется одно и то же устройство в качестве модулятора при передаче и в качестве демодулятора (фазового детектора) при приеме. В этом случае достигается полная идентичность электрических и оптических характеристик модулятора и демодулятора. Поскольку измеряемая разность фаз содержит разность фазовых задержек в модуляторе и фазовом детекторе, в такой схеме электрическая составляющая постоянной поправки будет равна нулю при любых условиях. Схема с симметричными или совмещенными трактами — схема с синхронной демодуляцией — применяется, в частности, во всех светодальномерах с плавным изменением частоты.

В светодальномерах, не имеющих оптического фазового детектора, изложенный способ неприменим. В них задача стабилизации постоянной поправки решается по-другому — применением оптической калибровочной линии — той самой линии оптического короткого замыкания (ОКЗ), о которой вкратце уже говорилось при пояснении обобщенной блок-схемы светодальномера (см. схему СД СТ5 «Блеск»).. По этой линии можно направить свет из модулятора сразу на приемник, минуя измеряемую дистанцию.

Смысл применения ОКЗ сводится к тому, что фазовые задержки электрического происхождения будут одинаковы при работе на дистанцию и работе на оптическую линию (при условии, что измерения дистанции и оптической линии не разделены большим промежутком времени), и, следовательно, в разности этих двух измерений будут исключены.

Оптическую линию конструируют таким образом, чтобы при ее измерении соблюдалось условие  при любой возможной в дальномере частоте модуляции. При нулевом методе измерений это означает, что достаточна наибольшая длина оптической линии, равная четверти длины волны модуляции.

Применение оптической линии в значительной степени стабилизирует постоянную поправку светодальномера. В автоматизированных приборах значение постоянной поправки закладывается в память вычислительного устройства и автоматически вводится в результат измерения расстояния. Однако во многих случаях по ряду неучтенных обстоятельств поправка не остается строго постоянной в течение длительного времени. Поэтому ее приходится периодически контролировать путем измерения линии известной длины (эталонного базиса) или измерения неизвестного расстояния по частям.

Исследования светодальномерной аппаратуры

Цель исследований светодальномеров обычно состоит в том, чтобы проверить, соответствуют ли их параметры, и в первую очередь точность, заданным требованиям. Для повышения точности измерений, особенно при проведении специальных работ, важно исследовать источники систематических погрешностей и по возможности учесть их влияние на результаты измерений. Кроме того, в процессе исследований контролируются такие качества прибора, как надежность, стабильность работы и т. п.

Прежде всего, как и при исследовании других геодезических приборов, производится проверка правильности функционирования аппаратуры. Далее выполняется определение важнейших параметров светодальномера и контроль их величин. Эта работа включает в себя:

— эталонирование масштабных частот;

— определение постоянной поправки прибора;

— исследование циклических погрешностей;

— исследование фазовой неоднородности модулированного пучка излучения.

Эталонирование масштабных частот.

Оно заключается в проверке соответствия значений масштабных частот паспортным данным (номиналам) и, при необходимости, в установке их в номинал. Если в дальномере не предусмотрена возможность такой установки, то в случае отклонения частот от номинала в измеренные расстояния приходится вводить соответствующие поправки.

Для эталонирования используются универсальные электронные частотомеры, содержащие термостатированный кварцевый генератор весьма высокой стабильности. В ряде дальномеров имеется специальный разъем[ для подключения кабеля, соединяющего прибор с частотомером. Если это не предусмотрено, то можно, например, при помощи установленной перед прибором на расстоянии 0,5-1 м собирающей линзы направить выходящее из него излучение на установленный в фокальной плоскости линзы фотодиод и сигнал от него подвести к частотомеру. При номинальном значении частоты  и измеренном (действительном) значении  выражение для масштабного коэффициента имеет вид

На эту величину надо умножить значение расстояния, измеренного на данной частоте.

Другая возможность контроля масштабного коэффициента светодальномера без измерения частоты состоит в измерении линий известной длины (в особенности очень длинных линий) и получении отклонений частот из разностей между измеренными и известными значениями расстояний.

Контроль частот особенно важен для дальномеров с большой дальностью действия и наивысшей точностью измерений.

В общем случае достижима точность контроля частоты порядка .

Определение постоянной поправки.

Постоянную поправку можно определить:

— при помощи оптической скамьи;

— из измерения линии известной длины (эталонного базиса);

— из измерений неизвестного расстояния и его частей.

Если в лаборатории имеется оптическая скамья длиной, скажем, 25 м, то постоянную поправку можно определить путем сравнения измеренных длин отрезков с известными. Для этого отражатель перемещает вдоль оптической скамьи и устанавливают в точках, соответствующих известным значениям дальности. Охватываемый диапазон перемещений должен быть больше половины длины волны модуляции.

Определение постоянной поправки на эталонных линиях в поле сходно с измерениями в лаборатории. Расстояние между контрольными точками эталонной линии должно быть известно с точностью, по крайней мере на порядок превышающей точность дальномера. При измерениях по возможности должен охватываться весь диапазон дальностей, встречающихся на практике. Однако в производственных условиях наиболее часто ограничиваются многократным измерением одного базиса. Следует отметить, что выбор его длины не безразличен: при малой длине структура светового пучка, падающего на приемник, может отличаться от имеющей место при измерении более длинных линий, а при слишком большой длине базиса могут существенно возрасти те ошибки измерений, величина которых пропорциональна измеряемому расстоянию.

В наиболее общем случае, когда измеряются несколько базисов различной длины постоянная поправка  определяется из соотношения

где  — эталонные значения;

 — измеренные значения;

 — число измеренных линий.

Обычно можно полагать, что при средней квадратической ошибке измерения дальности  средняя квадратическая ошибка определения постоянной поправки.

Если нет возможности измерения эталонных линий, применяют метод определения постоянной поправки путем измерения неизвестного расстояния по частям. Такой метод позволяет осуществить достаточно хороший контроль постоянной поправки в полевых условиях, а также оценить ошибку измерений по внутренней сходимости. Сущность метода очень проста: если разделить линию  на два отрезка  и  (рис. ) и измерить их длины  и , то измеренными значениями будут  и .

Рис.

Очевидно, что

Так как

то

откуда

Аналогичным способом можно получить  при любом количестве отрезков.. В общем случае, когда линия длиной  разделяется на  отрезков (, …, ) постоянная поправка  будет равна

,

а средняя квадратическая ошибка этой величины

Обычно можно считать, что как вся длина, так и отдельные отрезки измеряются практически с одинаковой точностью, т. е. положить , и тогда

При числе отрезков более двух появляется возможность полевого контроля и повышения точности результата путем измерения длин отрезков во всех комбинациях. Однако с увеличением  возрастает объем измерений и усложняются подготовительные работы по разбивке трассы. Поэтому оптимальным с точки зрения точности и производительности работ обычно считается деление линий на три части. При  необходимо измерить 6 расстояний. Обработка измерений может быть выполнена коррелатным способом с дополнительным неизвестным, которым является постоянная поправка.

Циклические погрешности.

Циклические погрешности возникают чаще всего в фазометрических устройствах и обусловлены главным образом отличиями реальных параметров фазометров от расчетных значений (несимметрия цепей, неточности изготовления и т. п.). Эти погрешности называют циклическими, так как они действуют по периодическому закону в пределах фазового цикла. Пример циклической ошибки: фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем, не соответствует, как это должно быть теоретически, углу поворота ротора фазовращателя, и это несовпадение распределяется в пределах цикла приблизительно по синусоидальному закону. Для ослабления циклических погрешностей следует использовать наиболее рациональное включение элементов фазовращателя в схеме фазометра, а также, например, предусматривать повторение измерений с введением дополнительного сдвига фазы опорного сигнала на 90°, как это делается в некоторых светодальномерах («Кварц», Гранат»). Остаточным влиянием циклических ошибок во многих случаях можно пренебречь, однако при высокоточных измерениях это влияние нужно учитывать. Для этого и производится исследование величин циклических ошибок. Их определяют при помощи оптической скамьи длиной не менее половины длины волны модуляции (эта длина в фазовой мере соответствует одному фазовому циклу)

. Перемещая установленный на скамье отражатель через одинаковые небольшие интервалы известной величины (например, через 10 или 20 см при ), производят каждый раз измерения (отсчеты) и затем строят график хода этих отсчетов вдоль всей калибровочной длины. График может быть построен в функции как фазы, так и расстояния; это определяется типом отсчетного устройства исследуемого дальномера. В нанесенные на график точки вписывается подходящая синусоида, по которой составляется таблица поправок в отсчеты за влияние циклических погрешностей.

Неоднородность фазы модуляции в поперечном сечении пучка излучения может возникать из-за неоднородностей структуры излучающей поверхности светодиодов или неоднородности модулирующей среды при использовании внешних модуляторов (последняя может зависеть также от электрического режима работы модулятора и геометрии пучка). Это приводит к ошибкам измерения расстояния, величины которых зависят от того, в каком месте апертуры конического светового пучка окажутся отклонения фазы от значений, полученных на оси диаграммы направленности. Такие зависимости получают путем измерения изменений какого-либо расстояния при ступенчатом отклонении оптической оси прибора от направления, соответствующего максимуму принимаемого сигнала, в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Кроме того, фазовая задержка в приемнике и его чувствительность могут зависеть от места попадания пучка излучения на фоточувствительную площадку.

 

Типы светодальномеров и их параметры

Классификация светодальномеров.

Современные фазовые светодальномеры можно разделить на три следующие группы:

1. Светодальномеры большой дальности действия, при помощи которых можно измерять расстояния до 15—50 км со средней квадратической ошибкой порядка

±[(5-10) мм+(1-2) мм/км]. Они предназначаются для измерения сторон в государственных геодезических сетях, а также базисов космической триангуляции и триангуляции высших классов.

2. Светодальномеры малой дальности действия, при помощи которых можно измерять расстояния до нескольких километров (обычно до 1—3) с ошибкой порядка 2 см. Они предназначаются для измерения расстояний в геодезических сетях сгущения и для топографических съемок.

3. Светодальномеры повышенной и наивысшей точности для коротких расстояний, при помощи которых можно измерять расстояния до 0,3—3 км с ошибкой около 2 мм и менее. Они предназначены для прецизионного измерения расстояний при решении задач прикладной геодезии, в маркшейдерских работах и измерениях специального назначения.

В СССР в соответствии с ГОСТ 19223—82.указанным группам светодальномеров были присвоены соответствующие буквенные индексы:

1) Г (геодезические),

2) Т (топографические),

3) П (применяемые в прикладной геодезии).

Эти буквы добавляются к букве С, обозначающей слово «светодальномер», после чего указываются цифры, обозначающие дальность действия прибора.

Например, СТ-3 обозначает «светодальномер топографический с дальностью действия 3 км».

Светодальномеры второй группы (топографические) часто выполняются в виде совмещаемых приборов. Это означает, что они могут использоваться не только как автономные светодальномеры, но и как дальномерные насадки на теодолит, придавая получаемой комбинации приборов функции электронного тахеометра.

 

Работа современных дальномеров в значительной степени автоматизирована. В новейших приборах задачи управления, вычисления и контроля решаются при помощи микропроцессоров — модулей больших интегральных схем. После наведения прибора на отражатель нажимается кнопка запуска, и измерения производятся автоматически по заданной программе.

Эта программа обычно включает в себя регулировку интенсивности сигнала, определение длины измеряемой и внутренней калибровочной линии и вычисление их разности на различных автоматически переключаемых частотах модуляции, учет постоянной поправки и осреднение результатов измерений.

Поскольку при создании автоматического прибора он рассчитывается на определенное значение показателя преломления воздуха (т. е. значение наивысшей фиксированной частоты модуляции выбирается .численно равным половине скорости света в определенных атмосферных условиях), в результате измерений нужно вводить поправку за отличие реальных атмосферных условий от расчетных. Эта поправка может вводиться также автоматически путем соответствующего изменения частоты модуляции по результатам измерений метеорологических элементов или путем коррекции результатов вычисления дальности, производимой встроенным вычислительным устройством дальномера.

С учетом значения вертикального угла выполняется редукция измеренной наклонной дальности на горизонтальную плоскость в точке стояния прибора (в большинстве электронных тахеометров эта операция выполняется автоматически).

 

    Скачать с Depositfiles