Лазерний далекомір, Фізичні основи вимірювань та принцип дії - Далекоміри в тахеометрах
Лазерний далекомір - прилад вимірювання відстаней із застосуванням лазерного променя.
Широко застосовується в інженерній геодезії, при топографічній зйомці, у військовій справі, навігації, астрономічних дослідженнях, фотографії.
Лазерний далекомір це пристрій, що складається з імпульсного лазера та детектора випромінювання. Вимірюючи час, який витрачає промінь на шлях до відбивача і назад і знаючи значення швидкості світла, можна розрахувати відстань між лазером і об'єктом, що відбиває.
Рис.1Сучасні моделі лазерних далекомірів
Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійною швидкістю дозволяє визначати дальність до об'єкта. Так, при імпульсному методі далекометрування використовується таке співвідношення:
деL- відстань до об'єкта,c- швидкість світла у вакуумі,n- показник заломлення середовища, в якому поширюється випромінювання,t- час проходження імпульсу до мети та назад.
Розгляд цього співвідношення показує, що потенційна точність виміру дальності визначається точністю виміру часу проходження імпульсу енергії до об'єкта і назад. Ясно, що чим коротший імпульс, то краще.
Фізичні основи вимірювань та принцип дії
Завдання визначення відстані між далекоміром та метою зводиться до вимірювання відповідного інтервалу часу між зондуючим сигналом та сигналом, відображення від мети. Розрізняють три методи виміру дальності в залежності від того, який характер модуляції лазерного випромінювання використовується в далекомірі: імпульсний, фазовий або фазово-імпульсний. Сутність імпульсного методу далекометрування полягає в тому, що до об'єкта посилається зондуючийімпульс, він же запускає тимчасовий лічильник у далекомірі. Коли відбитий об'єктом імпульс дійшов далекоміру, він зупиняє роботу лічильника. По часовому інтервалу автоматично висвічується перед оператором відстань до об'єкта. Оцінимо точність такого методу далекометрування, якщо відомо, що точність вимірювання інтервалу часу між зондуючим і відбитим сигналами відповідає 10 -9 с. Оскільки можна вважати, що швидкість світла дорівнює 3 * 10-10 см / с, отримаємо похибку в зміні відстані близько 30 см. Фахівці вважають, що для вирішення низки практичних завдань цього цілком достатньо.
При фазовому методі дальнометрування лазерне випромінювання модулюється за синусоїдальним законом. При цьому інтенсивність випромінювання змінюється у значних межах. Залежно від дальності до об'єкта змінюється фаза сигналу, що упав об'єкт. Відбитий від об'єкта сигнал прийде на приймальний пристрій також із певною фазою, яка залежить від відстані. Оцінимо похибку фазового далекоміра, придатного працювати в польових умовах. Фахівці стверджують, що оператору не складно визначити фазу з помилкою не більше ніж один градус. Якщо ж частота модуляції лазерного випромінювання становить 10 МГц, тоді похибка вимірювання відстані становитиме близько 5 див.
За принципом дії далекоміри поділяються на дві основні групи, геометричного та фізичного типів.
Рис.2Принцип дії далекоміра
Першу групу складають геометричні далекоміри. Вимірювання відстаней далекоміром такого типу засноване на визначенні висоти h рівнобедреного трикутника ABC (рис. 3) наприклад по відомій стороні АВ = I (базі) і протилежному гострому куту. Одна з величин, I зазвичай є постійною, а інша -змінної (вимірюваної). За цією ознакою розрізняють далекоміри з постійним кутом та далекоміри з постійною базою. Далекомір з постійним кутом являє собою підзорну трубу з двома паралельними нитками в полі зору, а базою служить переносна рейка з рівновіддаленими поділками. Відстань до бази, що вимірюється далекоміром, пропорційно числу поділів рейки, видимих в зорову трубу між нитками. За таким принципом працює багато геодезичних інструментів (теодоліти, нівеліри та ін.). Відносна похибка нитяного далекоміра - 0,3-1%. Найбільш складні оптичні далекоміри з постійною базою, побудовані на принципі поєднання зображень об'єкта, побудованими променями, що пройшли різні оптичні системи далекоміра. Поєднання проводиться за допомогою оптичного компенсатора, розташованого в одній з оптичних систем, а результат виміру прочитується за спеціальною шкалою. Монокулярні далекоміри з базою 3-10 см широко застосовуються як фотографічні далекоміри. Похибка оптичних далекомірів з постійною базою менше 0,1% від відстані, що вимірюється.
Принцип дії далекоміра фізичного типу полягає у вимірі часу, який витрачає надісланий далекоміром сигнал для проходження відстані до об'єкта і назад. Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійною швидкістю дозволяє визначати дальність до об'єкта. Розрізняють імпульсний та фазовий методи вимірювання дальності.
При імпульсному методі до об'єкта надсилається зондуючий імпульс, який запускає тимчасовий лічильник у далекомірі. Коли відбитий об'єктом імпульс повертається до далекоміра, він зупиняє роботу лічильника. За тимчасовим інтервалом (затримкою відбитого імпульсу), за допомогою вбудованого мікропроцесора, визначається відстань дооб'єкта:
де: L - відстань до об'єкта, з - швидкість поширення випромінювання, t - час проходження імпульсу до мети та назад.
Мал. 3- Принцип дії далекоміра геометричного типу
АВ-база, h-вимірювана відстань
При фазовому методі - випромінювання модулюється за синусоїдальним законом за допомогою модулятора (електрооптичного кристала, що змінює свої параметри під впливом електричного сигналу). Відбите випромінювання потрапляє у фотоприймач, де виділяється модулюючий сигнал. Залежно від дальності до об'єкта змінюється фаза відбитого сигналу щодо фази сигналу в модуляторі. Вимірюючи різницю фаз, вимірюється відстань до об'єкта.