Спеціальні геодезичні прилади.
До них можна віднести:
1. Лазерні геодезичні прилади;
2. Фотоелектричні автоколіматори;
3. Гіротеодоліти.
Літнарович Руслан Миколайович – к.т.н., доцент.
V – СЕМЕСТР.
Частина II.
Лекція 1.
Основні методи вимірювання віддалей.
Якщо виміряти проміжок часу, за який електромагнітні хвилі пройшли шлях d, то можна визначити його довжину: , де
- час проходження електромагнітними хвилями шляху d;
=300000 км/с.
Для визначення проміжка часу необхідно зафіксувати моменти проходження хвилею початку та кінця шляху, тобто початку та кінця віддалі.
Набагато простіше визначити такий проміжок часу, коли її початок і кінець фіксуються в одній точці. Це є можливим, коли електромагнітні коливання проходять лінію 2 раза. Тому на одному кінці лінії хвилі повинні відбиватись.Тоді .
Схема світловіддалеміра (електронного).
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1
Замість проміжку часу можна вимірювати зміну відомої функції часу, яка відбулася за час дворазового проходження променя вимірюваної лінії. Це приводить до змін конструкції та функціонування світловіддалеміра. У зв¢язку з цим класифікацію методів за допомогою електромагнітних хвиль проводять за тією фізичною величиною, зміну якої визначає вимірювальний пристрій.
Існує 3 методи вимірювання:
1) Часовий (найбільш наочний) або імпульсний;
2) Фазовий;
3) Частотний.
Часовий метод
Основна частина імпульсу проходить вимірювану лінію 2 рази. Вимірюваний пристрій визначає час запізнення приходу на нього відбитих імпульсів відносно прямих. Формула (1) є основною формулою часового методу.
(2) – СКП визначення довжини лінії;
- СКП визначення часу .
В польових умовах час визначається з точністю , тобто 10 нсек.
Згідно з формулою (2) СКП визначення часу дасть СКП визначення лінії 1,5м. Таке значення похибки матиме місце на довгих і коротких лініях, що обмежує застосування імпульсного віддалеміра в геодезії. Вказана точність може задовольнити геодезистів на віддалях, не коротших 100 км. Лінії такої довжини вимірюють радіогеодезичні і супутникові системи.
Переваги частотного методу: велика потужність у випромінюваному імпульсі при низькій потужності живлення СД. Тому при однаковій потужності живлення радіус дії імпульсного СД є завжди більшим, ніж у СД з безперервним випромінюванням. У радіовисотомірів приймач приймає імпульси, відбиті від поверхні Землі.
Тепер знаходять застосування лазерні, імпульсні СД, які дозволяють вимірювати з невисокою точністю значні відстані до об’єкта. Імпульсні СД знайшли застосування при вимірюванні ліній до місяця і штучних супутників Землі.
1.2 Фазовий метод вимірювання вимагає того, щоб передавач віддалеміра безперервно випромінював вздовж лінії гармонічні коливання – групу періодичних коливань, що записується рівнянням:
або , де
- амплітуда гармонійних коливання.
Аргумент або - поточна фаза, що є лінійною функцією часу і визначає стан гармонійно змінюваної величини в момент часу . Фаза вимірювання в кутових величинах. Величини і називають початковими фазами. Їх значення обумовлене вибором початку відліку часу. Фаза є пропорційної до частоти коливань - кількість циклів коливань, що здійснюються за 1 сек. Одиницею частоти є Герц.
, (3)
Частота коливань є обернено пропорційна до періоду коливання:
, (4)
Період – час, за який здійснює 1 повний цикл коливання. Відрізок, на який розповсюджується хвиля, називається довжиною хвилі коливання:
, (5)
Коливання, які випромінює передавач, проходять вимірювання лінію, відбиваються, ще раз проходять лінію та приймання приймачем.
Роль вимірювального пристрою в фазовому методі виконує фазометр, який вимірює різницю фаз коливань, що потрапляють на нього. Запишемо рівняння фаз коливань, що йдуть на фазометр в момент часу .
Фаза прямих коливань: (6)
, (7)
Різниця фаз прямих і відбиваючих коливань: ,(8)
Як бачимо, різниця фаз пропорційна до часу та вимірювальної частоти. Виразимо в (7) час через формулу (1):
, (9) – основна формула фазового методу.
З (9) видно, що для визначення довжини лінії фазовим методом необхідно вимірювати різницю фаз та знати їх частоту і швидкість розповсюдження в повітрі. Виміряна різниця фаз містить помилку . В зв’язку з цим обчислимо довжину лінії з помилкою
Для зменшення впливу помилки вимірювання різниці фаз на точність випромінювання довжин лінії необхідно збільшувати частоту. В фазометрі дозволяють одержувати довжини ліній з достатнього точністю з частотою не менше 10 МГц. Тому такі вимірювальні частоти використовують фазових ВД.
Коливання з частотою 10 МГц розповсюджуються в атмосфері не прямолінійно. Тому у ВД вимірювальні частоти переносяться в здовж вимірювальних ліній на надвисокочастотних несучих коливаннях, траєкторію яких в атмосфері можна вважати прямолінійною.
У великій групі ВД несучими коливаннями є коливання оптичного діапазону, частота яких більша від 1000 ГГц. Ці прилади називаються світловіддалемірами.
Є група ВД , в яких використовують ультрокороткохвилеві несучі коливання , частота яких 3-30ГГц. Їх називають радіовіддалемірами. Вимірювальні коливання модулюють частоту , амплітуду або інші параметри несучих коливань.
Модуляцією називають закономірну зміну будь-якого параметра коливань.
, де
/2- пів довжина хвилі вимірювальної частоти (своєрідна одиниця міри довжини лінії , бо саме з нею порівнюють довжину лінію).
Коефіцієнт показує , скільки разів /2 вклалася в довжину лінії.
Фазометри ВД дозволяють вимірювати різницю фаз тільки в межах одного періоду, тобто вони вимірюють тільки фазовий домір. Ціле число N фазометри не вимірюють. Якщо довжина вимірювальної лінії є меншою /2, то фазовий ВД вимір. ЇЇ однозначно , тому /2- однозначно визначуваною віддалю, на даній вимірювальній частоті. Незважаючи на цей недолік, фазовий метод зайшов дуже широке застосування. Він використовується практично у всіх СД і РД, а також в радіогеодезичних і супутникових системах. Фазометри мають шкалу , з якої під час вимірювань знімають відліки. Вони є фазовими домірами в поділках шкали.
Лекція 2.
2.1 Частотний метод. Може ґрунтуватися на двох різних принципах: один – на використанні частотно-модульований несучих коливань ; другий – на ефекті Доплера. В першому варіанті несуча частоту модулюють так, щоб вона змінювалась згідно лінійному закону, тобто так, щоб була простою залежність між зміною частоти та часом , за який ця зміна відбулася. Половина періоду частоти модуляції несучих коливань Т/2 – 1/2f повинна бути більшою від часу проходження електромагнітними хвилями подвійної лінії у всьому радіусі дії ВД, тобто, щоб Т/2>2S/ T/2>2Smax/ . Коливання , які 2 рази пройшли виміряну лінію , приймає приймач і разом з частотою прямих коливань передає їх на виміряний пристрій. Покажемо графік зміни частоти в частотному ВД.
У вимірювальному пристрої визначають різницю прямих і відбитих коливань ( ), що буде
- частота коливань, які випромінює передавач в момент часу f
- частота коливань, які приймає приймач в момент часу f.
Різниця частот залежить від довжини лінії , або часу τ. На рис 2.1 суцільною лінією показаний графік зміни частоти прямих коливань, модульованих за законом “трикутника”. Штриховою лінією нанесений графік зміни частоти відбиття коливань. Як видно з рисунка , різниця частот прямих і відбитих коливань є постійною , за винятком дуже малого проміжку часу, чим нехтують. На основі рисунка можна записати.
де - виміряне значення різниці частот;
F- амплітуда зміни частоти;
Т- період частоти модуляції несучих коливань.
- основна формула частоти методу (за законом “трикутника”).
2.2. Частотний метод з модульованими коливаннями. Застосовуються в радіовисотомірах, а також в системах м’якої посадки космічних апаратів.
Другий спосіб застосовує ефект Допплера. Його використовують тільки в тих випадках, коли віддаль між передавачем і приймачем швидко змінюється. Він передбачає, що рухомий передавач безперервно випромінює ЕМ коливання частоти . При цьому методі не модулюють коливань, які випромінює передавач. Нерухомий приймач на поверхні землі приймає ці коливання. Через те, що віддаль між передавачем і приймачем швидко змінюється, частота коливань, які проходять на приймач, відрізняються від частоти випромінюваних передавачем коливань. Ця зміна частоти є виявленням ефекту Допплера. Частота прийнятих коливань:
, (2.6)- де - частоти коливань які випромінює передавач;
- швидкість передавача;
- кут між напрямком;
- швидкість ЕМ коливань.
У зв’язку з тим, що швидкість навіть у випадку його розміщення на ШСЗ в багато раз менша від , то значення підкоріного виразу є дуже близьким до 1. Величини є складовою швидкості передавача в напрямі на приймач або радіальною швидкістю , тобто
Приймаючи до уваги вищесказане, запишемо: , (2.7)
, (2.8), де
- частота Допплера.
Її вимірює частотомір на наземній станції ВД.
2.3. Схема доплерівського віддалемірного пристрою (показано на рис. 2.2)
Для визначення частоти Допплера на наземній станції є генератор, який генерує коливання такої ж частоти, яку випромінює передавач, тобто . Коливання з приймача з частотою із генератора йдуть на змішувач. З нього отримують коливання, частота яких = різниці частот . Частоту цих коливань вимірює частотомір.
Виключення багатозначності у фазовому методі вимірювання віддалей.
Лекція 3.
Дата добавления: 2016-07-27; просмотров: 2124;