Файл: Применения лазеров..pdf

возможных путей реализации такой системы является ис­ пользование дисперсионного способа определения средне­ интегрального значения группового показателя прелом­ ления [14, 15]. В дисперсионном способе используется раз­ ность оптических путей двух составляющих спектра от среднеинтегрального показателя преломления воздуха вдоль луча. Зная разность оптических путей, молено оп­ ределить среднеинтегральный групповой показатель пре­

ломления п по формуле

где AS — измеренная разность оптических путей для двух длин волн света %і и Х2; Щ— групповой показатель прелом­ ления в стандартных условиях для_ %— длины волн, для

которой предполагается вычислять п\ Ап0— разность груп­ повых показателей преломления в стандартных условиях для Кі и Х2, (ѵ0—1) — преломляющая способность водяного пара, равная (17,044—0,557/Х2)-10_6, Аѵ0— разность вели­ чин ѵ0 для }.і и ?-2; Т, I — соответственно температура воздуха (К) и давление водяных паров (мм рт. ст.) в точке установки прибора.

Для измерения разности оптических путей AS разра­ ботаны устройства (рефрактометры), основанные на пре­ образовании разности оптических путей в разность фаз двух радиочастотных колебаний с последующим ее изме­ рением радиотехническими методами [16].

Большинство применений лазеров в инженерной гео­ дезии связано с тем, что лазерный луч представляет собой физически реализованную опорную линию в пространстве, относительно которой можно производить измерение от­ дельных частей сооружения. Малая расходимость и высо­ кая интенсивность лазерного луча позволяют регистри­ ровать световое пятно на значительном расстоянии от прибора, причем регистрация может быть как визуальной, так и фотоэлектрической.

Сущность визуального лазерного метода контроля про­ тяженных объектов состоит в том, что луч лазера направ­ ляется вдоль оси объекта на небольшом расстоянии от него, а по поверхности объекта перемещается экран-мар­

ка с нанесенной на него координатной сеткой. Отсчет по экрану позволяет судить о положении соответствующей точки поверхности относительно опорной линии, задан­ ной лучом. Таким образом, можно контролировать поло­ жение объекта как в горизонтальной плоскости, так и по высоте для сильно протяженных сооружений [18].

В плоскости сечения луча образуется световое пятно с интенсивностью, убывающей к краям пятна. Размером пятна обычно считают расстояние между осью пучка и точкой в плоскости сечения, в которой интенсивность из­ лучения основной моды уменьшается в е2 раз [18]. Размер пятна зависит от расстояния и конфигурации резонатора. В первом приближении размер пятна можно определить, если известен угол расходимости луча Ѳ. Размер пятна dn на расстоянии L от лазера определяется выражением

dn ^ 2 L t g ~ .

Если используется коллимирующая оптика, уменьшаю­ щая угловую расходимость луча, то вместо Ѳ в формуле необходимо брать Ѳг— угол расходимости луча после оп­ тической системы. Следует отметить, что телескопическая система примерно во столько раз уменьшает угол рас­ хождения луча, во сколько раз увеличивает его диаметр.

Кроме визуальной регистрации, используются фотоэлек­ трические системы отсчета [19]. В общем случае система фотоэлектрического контроля, кроме лазера и светочув­ ствительных элементов, содержит также передающую и приемную оптику.

В литературе описано много различных вариантов сис­ тем с фотоэлектрической индикацией [20—23].

Применяются также методы фотоэлектрической реги­ страции с использованием формирования излучений (мо­ дуляция, развертка, сканирование) [24—26].

Отечественной промышленностью выпускаются так на­ зываемые лазерные визиры (ЛВ), представляющие собой сочетание лазерного излучателя и приемного устройства, устанавливаемого на исследуемом объекте [27, 28].

Прибор ЛВ-5 состоит из датчика направления и блока питания. Датчик направления содержит лазер ОКГ-13, коллимирующую оптику и подставку для наведения и кон­

408 Приложение 1

троля положения луча [29]. В качестве коллимирующей оптики использован обратный телескоп, имеющий диаметр объектива 34 мм и увеличение 25. Расходимость луча, вы­ ходящего из коллиматора, составляет 20". Прибор снаб­ жен уровнем с ценой деления 15". Вес прибора 5,8 кгс.

Исследование стабильности диаграммы направленности приборов ЛВ-2 и ЛВ-5 [32] показало, что при наблюдении луча прибора ЛВ-5 на расстоянии 9 км отклонения луча при постоянных метеорологических условиях не были за­ мечены. Это объясняется тем, что в приборе ЛВ-5, создан­ ном на базе ОКГ-13, газоразрядная трубка и зеркала резо­ натора укреплены непосредственно в цилиндрическом кор­ пусе, изготовленном из инвара.

Для проецирования в вертикальном направлении и контроля высотных сооружений разработан лазерный зе- нит-центрир ЛЗЦ-1 [27, 30, 31]. Лазер с коллимирующей оптикой установлен в специальной юстировочно-центри- ровочной конструкции, снабженной уровнем с ценой де­ ления 8". Приемником служит экран с координатной сет­ кой. Точность прибора определяется ошибкой передачи координат (не более ±10 мм на расстоянии 500 м). Прибор позволяет регистрировать колебания и вибрации соору­ жений. Лазерный зенит-центрир ЛЗЦ-1 был применен для контроля вертикальности при строительстве Останкинской телевизионной башни [30].

Лазерные приборы находят широкое применение при ориентировании осей сооружений в строительстве [33]. Для задания направления и визуального контроля поло­ жения горнопроходческого щита на базе малогабаритного лазера ОКГ-13 создан лазерный визир ЛВ-1 [27, 34]. Раз­ работана система автоматического контроля и управления проходческим щитом [35], испытанная при строительстве бакинского метро. Испытания показали, что эта система может найти широкое применение в строительстве метро.

Лазеры находят применение также для геодезического контроля подкрановых путей и различных конструкций промышленных предприятий [36—39]. При помощи лазер­ ного визира ЛВ-1 была осуществлена геодезическая съемка подкрановых путей котельного цеха ГРЭС и цехов метал­ лургического завода. Точность лазерной съемки характе­ ризуется средней квадратичной ошибкой, равной в плане

среднедопустимых ошибок определения положения подкра­ новых путей.

Лазеры находят применение для ориентирования зем­ снарядов при прокладке подводных трубопроводов [40— 42]. Заслуживают внимания работы по ориентированию земснаряда с помощью лазерной системы, проводимые на реке Кама при ширине водной поверхности около 6 км. Излучателем и датчиком направления служит разработан­ ный на основе ОКГ-11 лазерный визир ЛВ-4І29] с оптико­ механическим сканером. Приемное устройство содержит 2 идентичных фотоприемника и блок сигнализации. Систе­ ма обеспечивает круглосуточную работу земснаряда с точностью ± 20 см на расстояниях до 5 км [40].

Интересен опыт применения лазеров для разбивочных работ, в частности для установки ленточных конвейеров [43, 44]. В качестве датчика направления использован ла­ зерный визир ЛВ-2 [29].

Колебания лазерного луча на расстоянии до 700 м состав­ ляют 2—3 мм. Среднеквадратичная ошибка нивелирования, вычисленная из сравнения с геометрическим нивелирова­ нием (нивелир НВ-1), оказалась равной ± 9 мм.

Во время геодезических работ при разбивке оси строя­ щегося у Рижского вокзала (г. Москва) участка эстакады длиной 360 м был использован новый визир ЛВ-5 [45]. Необходимость применения лазерного визира была вызва­ на тем, что разбивка оси эстакады обычными геодезичес­ кими инструментами была затруднена, поскольку эстакада пересекает около 50 железнодорожных путей, постоянно занятых составами. Кроме того, конвекция токов воздуха над нагретыми крышами вагонов, а также дымка отрабо­ танных газов от маневренных тепловозов и печного отоп­ ления вагонов сильно ухудшали видимость. Лазерный ви­ зир был установлен на специальной вышке, что обеспечивало прохождение лазерного луча выше крыш вагонов, на 1 — 1,5 м. Ось эстакады была разбита со среднеквадратичной ошибкой ± 6—8 мм бригадой из двух человек за 7 ч. Столь­ ко же времени затратила бы бригада из четырех человек, работая обычным геодезическим инструментом.

Лазеры используются также для нивелировки гори­ зонтальным и наклонным лучом [44, 46—49]. Система