Совершенствование методов и технических средств сканирующей тахеометрии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

------------------------------------------- © А. Л. Тригер, 2009

УДК 528.425 А.Л. Тригер

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СКАНИРУЮЩЕЙ ТАХЕОМЕТРИИ

Семинар № 2

Традиционные методы маркшейдерских съемок, такие как тахеометрическая, фототопографическая и другие, как правило, выполняются на объектах, находящихся в статическом положении. Однако, в связи с развитием новых технических средств и методов, в частности лазерной и сканирующей тахеометрией, появилась возможность решения ряда задач связанных с одновременными съемками множества объектов, находящихся в движении или меняющих свои параметры.

Сканирующая тахеометрия и традиционные методы съёмок, по сути, реализуют две отличные идеологии сбора пространственных данных. Так, например, в традиционных методах съёмок плотность расстановки пикетов определяется масштабом топографической съёмки и характером объекта. На практике плотность ограничена производительностью съёмочной бригады, которая, как правило, составляет несколько сотен пикетов в день. В то же время реальная плотность при выполнении съёмок методами сканирующей тахеометрии может достичь 50-100 тысяч измерений в сек. (3-5 точек на 1 мх2 земной поверхности). Сканирующая тахеометрия основана на сканировании местности лазерным излучением. Сам термин "ска-нирование" взят из радиолокации и обозначает изменение положения в пространстве главного лепестка излучения. Преимущественное использование в сканирующей тахеометрии лазерного излучения объясняется там,

что луч лазера когерентен, имеет малую угловую расходимость и достаточную мощность. Малая расходимость лазерного луча позволяет определять, угловые координаты с высокой точностью и на значительном удалении объекта от точки стояния прибора.

Процессы измерения угловых и линейных величин в сканирующей тахеометрии сводятся, в основном, к измерению временных интервалов, поэтому информация может быть представлена в цифровой форме простыми техническими средствами.

Известные способы [1] определения направлений и расстояний, заключающиеся в том, что развертывание луча осуществляют в плоскости горизонтальной и вертикальной, при чем в качестве начала отсчета времени используют сигнал, вырабатываемый внутри системы измерения. В результате такого сканирования получают информацию о горизонтальном направлении и расстоянии или о вертикальном направлении и расстоянии.

Для одновременного определения горизонтальных, вертикальных направлений и расстояний до объекта предлагается способ [2] сущность которого заключается в том, что луч лазера преобразуется в две световые плоскости в форме секторов, расходящихся от опорной точки под определенным углом и имеющих одинаковый, но противоположный наклон к

а

б

горизонтальной плоскости. Вращают световые плоскости в прямом и обратном направлениях вокруг вертикальной оси, проходящей через опорную точку, сохраняя углы наклона и разворота неизменными. Измеряют интервалы времени между начальными сигналами, вырабатываемыми и датчиком нуля и конечными сигналами, отраженными от объекта и принятыми в опорной точке. По измеренным интервалам вычисляют координаты объекта. Световые плоскости жестко связаны между собой и имеют возможность вращаться вокруг вертикальной оси Ъ, проходящей через опорную точку, синхронно, сохраняя углы наклона к горизонтальной плоскости неизменными, а на объекте устанавливается отражатель, например, уголковый.

Способ поясняется чертежом, где на рис. 1 изображена схема определения координат: рис. 1, а показывает

Рис. 1. Способ определения координат двумя наклонными плоскостями

пересечение объекта световой плоскостью С1, рис. 1, б

- плоскостью С2; на рис. 2 показана развертка одного оборота системы световых плоскостей.

Так как сформированные световые плоскости имеют одинаковый, но противоположный наклон ф к горизонтальной плоскости, то если объект I находится выше горизонтальной плоскости Г, проходящей через опорную точку М, наклонная световая плоскость С1 при вращении вокруг вертикальной оси Ъ достигает объекта раньше, чем линия МН пересечения горизонтальной и световой плоскостей достигает направления на объект - линия МК, т.е. отраженный от объекта I сигнал зафиксирует интервал времени та , пропорциональный углу поворота

а1 (рис. 1, а), а световая плоскость С2 достигает объекта I позднее, чем ее линия МР пересечения с горизонтальной плоскостью Г, и второй отраженный сигнал зафиксирует интервал времени , пропорциональный углу поворота а2, в то время как истинное горизонтальное направление на объект будет а0, (рис. 1, б).

Угол А, равный разности а2 и а1,

зависит от угла наклона световых плоскостей С1 и С2 и определяет вертикальное направление, т.к. связан с вертикальным утлом в превышения объекта над горизонтальной плоскостью зависимостью:

в = к А = к-

1 2

(1)

где к - tgф - коэффициент, учитывающий наклон световых плоскостей С1 и С2.

В случае расположения объекта I ниже горизонтальной плоскости Г (на чертеже не показано) световая плоскость С1 при вращении вокруг оси Ъ достигает объекта I позднее, чем линия МН пересечения горизонтальной и световой плоскостей достигает направления на объект - линия МК, а световая плоскость С2 достигает объекта раньше, чем линия МР пересечения с горизонтальной плоскостью Г. Поэтому угол а1 поворота световой плоскости С1 будет больше угла а2 поворота плоскости С2 и разность а1 и а2 принимает отрицательное значение, следовательно величина в будет со знаком минус, что и является признаком расположения объекта I ниже горизонтальной плоскости Г, Если объект I расположен строго в горизонтальной плоскости Г, угол а1 будет равен углу а2, в связи с чем вертикальное направление принимает нулевое значение.

Горизонтальное направление на объект определяется по формуле:

а = -

(2)

Рис. 2. Развертка одного оборота системы световых плоскостей

Следовательно, измерив за один оборот наклонных световых плоскостей два временных интервала, пропорциональных углам поворота световых плоскостей, можно одновременно определить горизонтальное и вертикальное направления. Но величина угла, вычисленная по формуле (2) отличается от истинного горизонтального направления на величину 8а, (рис. 2.), т.к. из-за конечной скорости распространения света сигнал, отраженный от объекта, будет зарегистрирован на опорной точке с задержкой на время

2Я

V

(3)

где Я - расстояния от опорной точки до объекта I; V - скорость распространения сигнала.

За это время световые плоскости повернутся на угол 8а.

Для того чтобы определить истинное горизонтальное направление на объект, а также расстояние до него, световые плоскости вращают в обратном направлении. При этом отраженные от объекта сигналы зафиксируют интервал времени та3, пропорциональный углу поворота а3 плоскости С2,и та4, пропорциональный а4 плоскости С1. Истинное горизонтальное направление определяется по формуле:

(4)

2

Расстояние до объекта определяется на основании интервала времени Ат,

т

Я •

тя =

равного разности интервалов та и та по формуле:

т — т

(5)

Я = V — = V —__—

4 4

а = -

2Т

- горизонтальное направ-

ление;

в = к та2 та1 0 2Т

ление;

V (та-та4)

В знаменателе формулы (5) стоит постоянная величина, равная 4, т.к. за время та1 - та4 сигнал проходит расстояние

Я от опорной точки до объекта два раза туда и обратно.

Практически одновременно с измерением временных интервалов измеряют и период вращения Т световых плоскостей, а координаты объекта вычисляют по формулам:

Я = -

та.

4

вертикальное направ-

- расстояние до объек-

Таким образом, измерив четыре временных интервала (по два от каждой плоскости), можно определить три координаты объекта, не прибегая к помощи специальных механизмов для измерения углов. Наличие угла поворота плоскостей позволяет идентифицировать световые плоскости и исключить многозначность при определении вертикального направления. При этом исключается операция визирования, а процесс измерения не разделяется на операции измерения каждой координаты в отдельности.

1. Лисицкий Д.В. Основные принципы цифрового картографирования местности. М. «Недра», 1988.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Тригер Л.М., Тригер А.Л. Способ определения координат объекта, а.с. №1681636. [ЕШ

— Коротко об авторе ------------------------------------------------------------------

Тригер А.Л. - аспирант кафедры маркшейдерского дела и геодезии Московского государственного горного университета.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 2 симпозиума «Неделя горняка-2009». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Попов.