Файл: Генике, А. А. Геодезические фазовые дальномеры.pdf

А. А. ГЕИИКЕ, Б. А. ЛАРИН, В. М. НАЗАРОВ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ

ФАЗОВЫЕ

ДАЛЬНОМЕРЫ

Допущено Главным управлением геодезии и картографии

при Совете Министров СССР

в качестве учебника для топографических техникумов

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А»

М о с к в а 1 9 7 4

УДК 528.51 : 621.181

Геішке А. А ., Ларин Б. А., Назаров В. М. Геоде­ зические фазовые дальномеры. М., «Недра», 19.74, 248 с.

В книге дана общая теория геодезических фазо­ вых дальномеров, рассмотрены характерные узлы п элементы их, приведены описания различных схем дальномеров и изложены методы измерений и матема­ тической обработки полученных результатов. -

„ Книга предназначена для учащихся топографи­ ческих техникумов. Содержание учебника несколько шире программы курса по геодезическим фазовым дальномерам, который читается в техникумах. Он мо­ жет быть также использован в качестве пособия студентами вузов и инженерно-техническими работ­ никами, занимающимися свето- и радподальномернымн измерениями.

Таблиц 14, иллюстраций 133, список литера­ туры — 5 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уже в течение нескольких лет в топографических техникумах учащимся геодезических и топографических специальностей читается новый курс по геодезическим фазовым дальномерам. Изучение этого предмета вызывает у учащихся определенные трудности, связанные с необходимостью систематизированных знаний различных техни­ ческих дисциплин: радиоэлектроники, оптики, метеорологии и т. д.

В процессе разработки плана построения книги авторы стредіились подойти с общих позиций к изучению всех дальномеров, принцип действия которых основан на определении времени распространения электромагнитных волн фазовыми методами.

В первой, основной, главе изложена общая теория геодезиче­ ских фазовых дальнодіеров.

Во второй главе рассдютрепы принципы действия и особенности работы отдельных узлов дальнодіеров. При написанип этой главы авторы руководствовались следующими соображениями. В процессе изучения общей схемы того пли иного дальнодіера возникает необходидюсть знания особенностей работы отдельных составных частей этой схедш. С принципами действия некоторых узлов, таких, как генераторы, усилители, детекторы, учащиеся уже знакомы из дру­ гих курсов. Поэтодіу при изучении уподіянутых узлов основное вни­ мание уделено характерным особениостяді их работы в схемах даль­ номеров. При рассдютрении таких узлов фазовых дальнодіеров, как источники генерирования электромагнитных колебаний, передающие и приемные систедіы для направленного излучения и приедіа, авторы старались подойти к их изучению с общих позиций, отдіечая в то же время конструктивные и другие особенности, свойственные тодіу или иному диапазону электромагнитных волн.

Втретьей главе приведены основные характеристики ряда даль­ нодіеров и описаны схедшые и конструктивные решения отдельных наиболее распространенных дальнодіеров.

Вчетвертой и пятой главах изложены діетоды работы с дально­ мерами в полевых условиях, а также способы математической об­ работки полученных результатов издіерения. В учебнике описаны те діетоды работы с приборами, которые находят практическое приме­ нение, и лишь в отдельных случаях даны дополнительные указания

овоздюжности выполнения той или иной операции другим способом.

ВВЕДЕНИЕ

Роль фазовых дальномеров при выполнении топографо-геодези­ ческих работ общеизвестна. Сейчас уже невозможно представить геодезические работы без использования дальномерной техники, и удельный вес ее возрастает с каждым годом. Для светодальномеров в 1957 г. была предложена следующая классификация:

1. «Большой» светодальномер, предназначаемый для измерения

использован при построении геодезических сетей 3—4 класса мето­ дами триангуляции и полигонометрии.

3. «Малый» или «топографический» светодальномер, который предназначен для измерения расстояний до 2 —3 км1с точностью 1 : 5000 1 : 10 000. Такой прибор можно применять при построе­ нии сетей съемочного обоснования и на других топографо-геодези­ ческих работах соответствующей точности.

Сейчас эта классификация нуждается в некотором пересмотре, так как классы «больших» и «средних» светодальномеров в значи­ тельной мере слились. Класс же «малых» сохраняется. Поэтому те­ перь есть смысл говорить о «геодезических» и «топографических» светодальномерах. Помимо них возник еще класс «специальных», или «инженерных», светодальномеров, отличающихся особо высокой точностью и предназначенных для решения специальных задач. Для обычных геодезических работ они пока что не приспособлены.

История свѳто- и радиодальномеров очень коротка и насчитывает не более двух-трех десятков лет. Теоретические предпосылки для их создания появились намного раньше, однако лишь прогресс в обла­ сти физики и радиоэлектроники позволил, опираясь на эти предпо­ сылки, создать приборы, удовлетворяющие требованиям геодезии.

Одно из основных положений, которое используется при измере­ нии расстояний свето- и радиодальномерами, — постоянство ско­ рости распространения электромагнитных волн в вакууме. Это по­ ложение было экспериментально доказано для света" еще Майкельсоном. Было установлено также, что скорость света в приземном слое

5'

близка к скорости в вакууме и их различие зависит лишь от пара­ метров атмосферы.

Эксперименты с радиоволнами вначале давали значения скорости, значительно отличающиеся друг от друга и от значения скорости света. Советские ученые, академики Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси и их ученики в своих работах доказали, что скорость рас­ пространения электромагнитных воли радиодиапазоиа в атмосфере также близка к скорости света.

Первое авторское свидетельство на прибор для измерения рас­ стояний по времени распространения света было выдано в 1933 г. советскому инженеру Г. И. Трофимуку. Он предложил использо­ вать две синхронно работающие ячейки Керра, питаемые генерато­ ром высокой частоты. Меняя частоту генератора, можно установить момент, когда измеряемое расстояние будет равно половине длины волны генерируемых колебаний. Одиако длина волны не могла быть измерена с достаточной точностью, и такой дальномер не был осу­ ществлен.

В 1936 г. в Государственном оптическом институте (ГОИ) под руководством А. А. Лебедева был разработан и изготовлен первый в мире действующий светодальномер. Ои имел интерференционные модулятор и демодулятор и визуальную индикацию.

Этим дальномером можно было измерять линии длиной до 3,5 км. Однако ошибка была чрезмерно велика — около 2—3 м. Из-за малой точности и этот дальномер не нашел применения.

Реальная возможность использования светодальномеров для гео­ дезических целей появилась лишь после работ шведского ученого Э. Бергстранда по измерению скорости света, выполненных в соро­ ковых годах. На основе этих работ в 1952 г. был создан прибор для измерения расстояний, названный геодиметром.

Эта первая модель была чрезвычайно громоздка и неудобна для практического применения. В результате дальнейшего совершенст­ вования были созданы геодиметры NASM-2, а затем NASM-2A, от­ носящиеся к классу «больших». Последний дальномер, хотя и был довольно громоздок, однако вполне мог применяться для геодези­ ческих работ и в свое время получил довольно широкое распро­ странение. Впоследствии появились геодиметры более совершенных моделей.

Первым советским светодальномером, нашедшим широкое при­ менение в геодезии, был средний дальномер СВВ-1, разработанный в 1953 г. под руководством В. П. Васильева и В. А. Величко.

В1961 г. прибор был усовершенствован; повышена точность измерений

иувеличена дальность действия. Светодальномером СВВ-1 измеряют

восновном стороны полигонометрии 2 и 3 классов.

В1958 г. в ЦНИИГАиК под руководством В. М. Назарова был разработай большой светодальномер ЭОД-1, предназначенный для измерения базисных сторон триангуляции и сторон полигонометрии 1 класса. В светодальиомер ЭОД-1 за счет усложнения радиоэлек­ тронной части удалось не вводить чрезвычайно сложный и громозд­

6

кий отдельный оптико-механический узел, имеющийся в NASM-2A. Вместо нее оказалось достаточно иметь компактную линию с ходом луча всего около 90 см, встроенную в прибор. Благодаря этому габариты прибора существенно уменьшились. Светодальномер ЭОД-1 выпускался небольшими сериями вплоть до 1965 г.

В 1960 г., также в ЦНИИГАнК, под руководством А. И. Демуш­ кина был разработан средний светодальномер СДД-60, работавший с двумя фотоумножителями по дифференциальной схеме. Однако его постоянная поправка оказалась нестабильной, и распространения этот прибор не получил.

В ГОИ им. С. И. Вавилова под руководством ІО. В. Попова в 1956 г. был разработан средний светодальномер с дифракционным модулятором света. На основе его в 1959 г. был изготовлен дально­ мер ГД-300, которым можно было измерять днем линпп длиной до 10—15 км. Однако результаты измерения оказались весьма неста­ бильными, и этот светодальномер также не получил распространения.

В 1965 г. нод руководством В. Ф. Хомазы был разработан свето­ дальномер СГ-2М с синхронно работающими ячейками Керра и фото­ электрической индикацией. В нем применены фазовая модуляция сигнала, частотомер для измерения значения плавно изменяемой ча­ стоты модуляции в момент фиксации минимума и следящая система для автоподстройки выходного контура на частоту, точно соответ­ ствующую минимуму. На основе СГ-2М в дальнейшем бьтл разра­ ботан дальномер СГ-3 с газовым ОКГ.

ВЦНИИГАнК под руководством П. Е. Лазаиова был разработан

ив 1967 г. исследован светодальномер «Кварц», в котором ѣ качестве источника света был применен газовый лазер.

Этим дальномером, выпускаемым малыми сериями, возможно измерять днем расстояние до 30 км. В последнее время за рубежом также появились светодальномеры с газовым лазером. Это Геоди- метр-8 (Швеция) и Геодолит-3 (США).

За последнее десятилетие было разработано довольно много и то­

пографических светодальиомеров. Первый образец такого дально­ мера, известного под названием ДСТ, был изготовлен в 1958 г. Он, по существу, был уменьшенной и упрощенной копией СВВ-1. При испытаниях этого дальномера была получена низкая точность изме-' рений, и он не нашел применения.

В 1961 г. в МИИГАиК под руководством В. Д. Большакова А. И. Демушкиным был разработай более совершенный образец малого светодальномера СТ-61. Модернизированная модель СТ-62М выпускается небольшими партиями и используется па геодезических работах.

В1963 г. во ВНИИМИ под руководством Г. И. Бородулина раз­ работан топографический светодальномер ТД-1, специально предна­ значенный для маркшейдерских работ.

В1965 г. в ЦНИИГАнК под руководством Г. А. Фельдмана был разработал топографический светодальномер «Кристалл». Дально­ мер отличается от всех ранее известных оригинальной оптической

7

системой: в нем одна и та же оптическая система является и переда­ ющей и приемной. Этого удалось достигнуть за счет разделения свето­ вого пупка по поляризации. Светодальномер «Кристалл» выпускается серийно и используется на производстве.

В 1965 г. в ГОИ под руководством Ю. В. Попова был разработан топографический светодальномер ГД-314,'в котором впервые в мире в качестве источника излучения применен полупроводниковый оп­ тический квантовый генератор из арсенида галлия, работающий в спонтанном режиме. Этот дальномер характеризуется очень малым потреблением электроэнергии — всего около 6 Вт. На основе ГД-314 нашей промышленностью разработан светодальномер СМ-3.

За границей в разное время малые светодалыюмеры разрабаты­ вались Гигасом (ФРГ), Элленбергером (ФРГ), Бьерхаммером (Шве­ ция), Делонгом и Соколиком (ЧССР) и др. Однако эти разработки

с арсенид-галлиевыми излучателями.

Появляется тенденция сочетать дальномер с угломерным устрой­ ством: геодиметр 700 (Швеция), Рег-Эльта 14 (ФРГ).

Помимо светодальномеров, предназначенных для выполнения гео­ дезических работ, разрабатываются дальномеры для специальных целей. Ими измеряют сравнительно небольшие расстояния, но они характеризуются очень высокой точностью: ошибки измерений со­ ставляют десятые доли миллиметра. Примером такого светодальномера может служить, например, разработанный в Англии мекометр. К этому же классу можно отнести разработанный во ВНИМИ под руководством Г. И. Бородулина маркшейдерский светодальномер МСД-1.

Радиодальномерная техника получила развитие в результате

странения радиоволн. При проведении этих исследований были раз­ работаны способы измерения длин линий, предложены схемы радио­ дальномеров, изготовлены их образцы и выполнены большие экспериментальные работы.

Предложенный в 1930 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папа­ лекси радиоинтерференционный способ определения расстояний ме­ жду пунктами при помощи электромагнитных волн лег в основу разработки различных фазовых дальномерных систем как в СССР,

так и за границей (Декка, Рейдист и др.).

В СССР разработка радиодальномерных систем для геодезиче­ ских целей была начата в ЦНИИГАиК в 1933 г. Разработку вели Е. Я. Щеголев, А. И. Грузинов при ближайшем участии Л. И. Ман­ дельштама и Н. Д. Папалекси. Эксперименты, проведенные в пе­ риод с 1933 по 1941 гг. с аппаратурой типа РИР (радиоизмернтель расстояний), показали, что расстояния до 100 км могут быть изме­ рены с ошибкой порядка ±5-^10 м в зависимости от физико-геогра­

8