CC BY
63
6
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЗДУШНОГО ТРАКТА НА ИЗМЕРИТЕЛЬНУЮ БАЗУ В ВИДЕ ПОЛИХРОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНЫ ПРИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ В.Л. Мусяков, Э.Д. Панков, А.Н. Тимофеев
Настоящая работа проводилась в рамках гранта РФ в области естественных и точных наук РФ Е02-7.0-6, целью которого являлось рассмотрение широкого круга вопросов, связанных с исследованием оптико-электронных систем (ОЭС) с оптической рав-носигнальной зоной (ОРСЗ) для инженерно-геодезических измерений, ослабляющих или компенсирующих действие атмосферы на основе многоспектральных методов.
При активном развитии техники все большую часть технологических операций занимает проблема пространственного позиционирования относительно протяженной базы, особенно при инженерно-геодезических измерениях в машиностроении [1, 2], контроле строительной планировки поверхности [3], а также при управлении исполнительными органами машин при производстве земляных работ [4]. Использование в качестве протяженной измерительной базы коллимированного лазерного луча достаточно широко исследовано [5], в то время как применение оптической равносигнальной зоны (ОРСЗ), позволяющее обеспечить в приборах высокую точность при большом диапазоне контроля и наличии вибраций и ускорений [6], недостаточно изучено.
Однако в настоящее время существует тенденция ужесточения требований по точности к проведению инженерных геодезических измерений, связанная с повышением точности изготовления строительных и промышленных конструкций, а также точности их монтажа и последующего контроля их состояния. Анализ показывает, что среди источников погрешностей в оптико-электронных системах для инженерных геодезических измерений главную роль играет влияние воздушного тракта, особенно при значительных дистанциях.
В качестве основного источника систематических ошибок при точном оптическом определении углов и расстояний признаны сегодня эффекты рефракции, которые обычно вызываются неоднородной средой распространения для оптического луча. Как показали многочисленные работы российских и зарубежных исследователей, а также исследования, ранее проведенные в СПбГУИТМО [7], наиболее перспективными с точки зрения повышения точности и увеличения дальности действия геодезических приборов являются многоспектральные (многоволновые, дисперсионные) или, как их принято называть, полихроматические методы компенсации влияния атмосферы [8].
Впервые полихроматический (дисперсионный) метод для применения в оптико-электронных дальномерах был предложен М.Т. Прилепиным [9]. Наиболее детальные и глубокие исследования этого метода проведены в работах М.Т. Прилепина и А.Н. Го-лубева [10]. В основу полихроматического метода положена зависимость показателя преломления воздуха от длины волны зондирующего сигнала, а его техническая реализация сводится к измерению разности оптических путей зондирующих сигналов с различными длинами волн. В литературе обсуждались двух- и трехволновый варианты данного метода.
На данном этапе исследований по теме гранта РФ Е02-7.0-6 предполагалось ограничиться исследованиями по двухволновому варианту.
Трудности в практической реализации полихроматических приборов были связаны с высокими требованиями к точности и с проблемой создания полихроматических источников излучения. Такие устройства стали появляться с развитием технологических возможностей [11, 12].
Основа двухволнового излучателя - двухволновый лазер, генерирующий синий свет удвоением частоты длины волны полупроводникового ИК лазерного диода в кристалле ниобата калия (КМЬОз). Такой твердотельный лазер идеально подходит для двухволнового излучателя и позволяет избежать проблемы объединения пучков двух лазеров. Он также дает стабильное коаксиальное одномодовое распространение на обеих длинах волн с достаточной оптической мощностью для области применения [11].
При исследованиях предполагается, что более простым в технической реализации окажется многоспектральный метод с использованием ОРСЗ.
Для светового диапазона зависимость фазового показателя преломления от длины волны может быть получена из теоретических предпосылок, однако количественные соотношения при этом могут быть установлены лишь с малой точностью. Поэтому указанную зависимость предпочитают получать экспериментально, подбирая подходящую функцию и определяя из опыта входящие в неё коэффициенты.
Для воздуха принято эту зависимость представлять в виде, предложенном Коши: пф -1 = А + В / Л2 + С / Л4, (1)
где Л - длина волны излучения; А, В и С - коэффициенты дисперсии излучения для воздуха. Из последней формулы найдем, что
а пф/а л = -2В / л3 - 4С / л5,
и, имея в виду (1), получим
пф -1 = А + 3В / Л2 + 5С / Л4 . (2)
Коэффициенты дисперсии для воздуха определялись до настоящего времени многократно. При геодезических измерениях им придают значения, полученные Сирсом и Барреллем. По определению Сирса и Баррелла эти постоянные для сухого воздуха, содержащего 0,03% углекислого газа, при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. равны: А = = 2876,0410-7, В = 16,288 10-7, С = 0Д3610"7 Эти постоянные относятся к длинам волн света в пустоте, выраженным в микрометрах. Поэтому для воздуха при упомянутых выше условиях в соответствии с формулой (2)
N-107 = (пгр -1)-107 = 2876,04 + 3-16,288/Л2 + 5• 0,136/Л4 .
Здесь N - индекс преломления воздуха, или преломляемость.
Точность коэффициентов этой формулы такова, что она обеспечивает определение Пф для видимой части спектра с погрешностью порядка 10 .
Одним из основных источников погрешностей, сдерживающих возможности повышения точности геодезических измерений, является влияние рефракции световых лучей в атмосфере. При высокоточных измерениях влияние рефракции определяют, исходя из метеорологических параметров атмосферы (температуры, давления и влажности). О.И. Горбенко показал, что при горизонтальных градиентах температуры, равных 0,005 °С/м, поправка за рефракцию на среднюю точку створа длиной 1000 м составляет около 1,2 мм.
На практике во многих случаях для коротких дистанций на горизонтальных трассах градиент температуры можно считать постоянным. Тогда смещение по координате у [6]равно
5ур =-[(п - 1)/(пТ )]вгаё уТ • 12 /2,
где I - расстояние от выходного зрачка объектива задатчика базового направления (ЗБН) до рассматриваемой точки; §гафТ - градиент температуры по вертикальной оси ОУ.
Основными методами ослабления влияния рефракции, исследуемыми в СПбГУ ИТМО в последние годы, являются методы прямых измерений с введением поправки и компенсацией хроматической разности с оптическим и электронным путем.
Метод прямых измерений с введением поправки основан на прямых измерениях деформации ОРСЗ при двух длинах волн.
Известно, что если вдоль линии (рис. 1) направить два луча с длинами волн Л1 и Л2, то вследствие рефракции один из лучей придет в точку В1г а другой луч, вышедший из точки А под некоторым углом к линии АВ, придет в точку В2.
A
Sy2
у
\B2
Рис. 1. Схема дисперсионного метода учета рефракции
0
Пусть индекс рефракции N = (n - 1)-106. Согласно работе [4] выражение для индекса рефракции N равно
N = 77,6 P/T + 0,584 P/(T X2) , где T - температура среды, К; P - атмосферное давление, мб; X - длина волны, мкм. A = 77,6; B = 0,584; C = P / T. Тогда:
N = AP/T + BP/(X2T) = C(A + BX-2) .
Измерив разность деформации луча 5y12, обусловленной рефракцией при работе на длинах волн X1 и X2, получим (рис. 1):
5^2 = 5yi - 5У2 = -[(n - 1)/T] gradyTz02/2 + [П - 1)/T]grady Tza2/2 , где 5y1t 5y2 - величина деформации луча при работе на длинах волн X1 и X2; n1} n2 - показатели преломления для длин волн X1 и X2.
С учетом обозначений, приведенных выше, получим N = C(A + BX1-2), N2 = C(A + BX2-2),
(
3)
N1 - N2 = C(A + BX1-2) - C(A + BX2-2) = BC(Xi-2 - X2-2) .
(
4) 2
Обозначив Y = (1/7) gradyT zo„/l, на основании выражений (3) и (4) получим
5y12 = BCY (X2-2 - X/2>10-6 ,
5y1 = - (n1 - 1)Y = - C (A + BX1-2) Y-10'6 ,
5y1 = -(A + BX1-2) 5y12 / [B (X2-2 - X1-2)] .
Следовательно, измерив 5y12 в контролируемой точке, можно определить величину поправки в результаты измерения в этой точке.
Метод минимизации хроматической разности с оптической компенсацией основан на компенсационной схеме измерений [13]. Так, величину 5y12 можно скомпенсировать, включив в ЗБН компенсатор хроматической разности, например, двухклиновой компенсатор с углами при вершинах вращающихся клиньев а, обеспечивающий величину смещения ОРСЗ на дистанции z0:
by¡ = 2а (nc¡ -1)zo sin а , где nci - показатель преломления материала клина для длины волны X¡; а - угол взаимного разворота клиньев. Аналогично, для 5y2
8y2 = 2а (nc2 -1)zo sin а , где nc1 - показатель преломления материала клина для длины волны Х2.
Из одновременной компенсации смещений ОРСЗ на обеих длинах волн одним компенсатором вытекает основное условие выбора показателей преломления клиньев (n¡ - 1) /(П2 - 1) = (Пс1 - 1) / (Пс2 - 1) . (5)
Таким образом, если подобрать клинья, чтобы выполнялось условие (5), то смещение луча с длиной волны X¡ и с длиной волны Х2 будет полностью исключаться для среды с постоянными градиентами температуры по дистанции или ослабляться для реальной среды. Например, для длин волн X¡ = 0,466 мкм и Х2 = 1,26 мкм в качестве материала для клиньев можно использовать стекло ЛФ1.
Другой способ построения системы, основанной на методе электронной компенсации хроматической разности смещений пучков ОРСЗ, базируется на специальном алгоритме работы излучателя. На рис. 2 представлена структурная схема измерительного канала, в которой в ЗБН излучение двух пар полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) - ИК 2, 18 и синих 4, 16 - с помощью светоделительных кубиков 3 и 17 собирается на зеркальной разделительной призме 19, которая расположена в фокальной плоскости объектива 15.
Объектив 13 приемной части (ПЧ) собирает пришедшее от ЗБН и разделенное по спектру светоделительным кубиком 5 оптическое излучение на фоточувствительных площадках фотоприемных устройств 6 и 12. Электрические сигналы с фотоприемных устройств поступают на синхронные детекторы 7 и 11, куда также поступают опорные сигналы с блока питания ПИД 1.
9
Рис. 2. Структурная схема предлагаемой системы
Суть алгоритма работы источников излучения состоит в том, что для определения величины погрешности, обусловленной рефракцией, используется противофазная модуляция их излучения таким образом, что в первый полупериод включаются одновременно в различных каналах источники с разной длиной волны излучения, а в другой полупериод - наоборот. В следующий период для определения величины смещения
также используется противофазная модуляция, но в каждом канале включаются одновременно оба источника с различными длинами волн.
Благодаря указанной фазовой манипуляции питанием ПИД достигается требуемый алгоритм обработки информационных электрических сигналов, в результате которого на выходе коммутатора-детектора 10 образуется сигнал, который пропорционален величине 5у12, и подается на блок индикации и выработки решений 9. Когда эта величина достигает минимального значения, блок 9 вырабатывает команду, которая разрешает блоку измерения 8 с помощью компенсатора 14 замерить величину смещения. Такой цикл измерения существенно увеличивает время измерения, за счет чего и достигается повышение точности измерения.
Временные диаграммы сигналов манипуляции ПИД представлены на рис. 3. Диаграмма I соответствует режиму измерения смещения ПЧ относительно ОРСЗ, а диаграмма II - режиму измерения смещения ОРСЗ, обусловленного рефракцией атмосферы; Фх - суммарный поток излучения от двух ПИД на ПЧ.
^ 1 11
Ф ф
Ф1И
Ф2И
Ф1С Ф2С
Фх
г
г
г
г
Ф1И Ф2И
Ф1С Ф2С
Фх
г
-► г
г
г
Рис. 3. Временные диаграммы модуляции потока излучения ПИД
Когда осуществляется режим измерения смещения ПЧ, сигналу с фазой 0° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 0° синего ПИД (аналогично для второй пары ПИД), а когда осуществляется режим измерения смещения ОРСЗ, обусловленного влиянием рефракции атмосферы, то сигналу с фазой 0° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 180° синего ПИД, а сигналу с фазой 180° ИК ПИД соответствует сигнал с фазой 0° синего ПИД.
Разность значений смещений пучка лучей в плоскости ПЧ для двух длин волн даст значение смещения пучка лучей, обусловленного рефракцией атмосферы в рассматриваемом спектральном диапазоне.
Ограниченный объем доклада не позволяет подробно отразить все результаты первого этапа работы по гранту. Вкратце они сводятся к следующему.
Многоспектральные методы компенсации влияния воздушного тракта находят все большее применение и развитие с целью повышения точности в геодезических измерениях. В настоящее время область применения этих методов ограничена, в основном, дальнометрией. Из литературных источников известны реализации лишь двухспек-тральных устройств - как дальномеров, так и геодезических угломерных приборов. В свою очередь, применяемые в угломерных приборах методы для достаточной степени компенсации сложны и требуют исключительно высокой точности измерений информативных параметров атмосферы. Предполагается, что более простым в технической реализации окажется многоспектральный метод с использованием ОРСЗ.
Исследования схемных решений ОЭС с ОРСЗ показали возможность достаточно простой реализации в них многоспектральных методов с применением трех и более длин волн. Использование в ОЭС с ОРСЗ метода хроматической разности с оптической или электронной компенсацией позволит полностью исключить влияние рефракции для среды с постоянными градиентами температуры по дистанции или ослабить ее влияние для реальной среды.
Собран стенд для исследований макета ОЭС с ОРСЗ и проведены предварительные исследования, которые показали, что чувствительности установки достаточно для проведения углубленных исследований физической модели системы с полихроматической ОРСЗ. Дальнейшие исследования предполагается развивать в направлении разработки методики исследований дополнительных возможностей повышения точности инженерных геодезических измерений с использованием оптической равносигнальной зоны при многоспектральном методе с применением трех и более длин волн.
Литература
1. Высокоточные угловые измерения. / Под ред. Ю.Г. Якушенкова М.: Машиностроение, 1987. 480 с.
2. Афанасьев В.А., Усов В.С. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М.: Недра, 1973.
3. Сытник В.С. Лазерные геодезические приборы в строительстве. М.: Стройиздат,
1988.
4. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. .М.: Недра, 1984.
5. Зацаринный А.В. Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений. М.: Недра, 1976.
6. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография. / Под общей редакцией Э.Д. Панкова. СПб: ИТМО, 1998. 238 с.
7. Глазунова Е.Ю. Проблемы влияния атмосферы на прохождение оптического излучения и положение оптической равносигнальной зоны в приборах с ОРСЗ .// Оптико-электронные приборы и системы: Сб. науч. статей. Вып. 99 / Под ред. Э.Д. Панкова. СПб: ИТМО, 1999. С. 14-18.
8. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии / А.М. Андрусенко и др. М.: Изд. стандартов, 1987. 224 с.
9. Прилепин М.Т. Определение показателя преломления воздуха при измерении расстояний светомодуляционными дальномерами. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1957. № 2. С. 123—132.
10.Прилепин М.Т., Голубев А.Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. М.: Недра, 1972. 168 с.
11.Bockem B. High-Accuracy Alignment Based on Atmospherical Dispersion // Technological Solutions for the Dual-Wavelength Transmitter. IWAA99, Oct. 18.-21.1999, Grenoble, France.
12.Ingensand H., Bockem B. A High-Accuracy Alignment System Based on the Dispersion
Effect. IWAA97, Oct. 13.-17.1997, Argonne, IL. 13.Бугрова В.В., Кирчин Ю.Г., Рождественский А.В., Тимофеев А.Н. Оптико-электронное устройство для измерения линейных смещений. А.с. 1516787. БИ № 39,
1989.
