Лазерные опорные системы служат для создания пучка излучения требуемой конфигурации, придания ему нужного положения в про-странстве. Благодаря малому углу расходимости, высокой монохрома-тичности излучения и простоте оптической системы для формирования пучка лазера такие приборы находят широкое применение для задания опорных линий местности. Опорные линии, обозначенные с помощью лазерного излучения, используются для указания на местности осей со-оружений, разбивочных осей, направления движения механизмов и для задания наклона поверхностей и линий. С помощью лазеров достаточ-но просто производится вынесение точек в натуру. Основными приема-ми ориентирования лазерного пучка в пространстве является придание пучку нужного направления путем построения проектных углов и вве-дение лазерного пучка в створ двух закрепленных на местности точек.
Для построения на местности опорных линий и поверхностей ис-пользуются лазерные нивелиры, а также лазерные приборы вертикаль-ного проектирования. Как правило, в основу этих приборов заклады-ваются схемы разрабатываемых серийно геодезических приборов. Но методика расчета вследствие свойств лазерного излучения упрощается, а характеристики аппаратуры улучшаются.
Лазерные нивелиры предназначены для измерения превышений и передачи высотных отметок в промышленном и гражданском строи-тельстве путем создания в пространстве установленного под заданным углом визуально обнаруживаемого пучка. Наряду с традиционными
решениями, в которых лазер используется лишь как монохроматиче-ский высоконаправленный источник излучения, появились и принци-пиально новые лазерные схемы нивелиров, такие как задатчики гори-зонтальной плоскости.
В этом случае лазерный пучок вращается вокруг вертикальной оси с угловой скоростью более 20 об/с. При пересечении такой пло-скостью рейки на ней видна сплошная линия, определяющая уровень нивелирования. При этом можно производить нивелирование одно-временно в различных точках на значительной площади и тем самым резко повышать производительность работ по определению превыше-ний. Определение превышений может вестись как визуальным, так и фотоэлектрическим методами. Примером лазерного нивелира является шведский геодезический инструмент «Геоплан-300», который может работать в автоматическом и визуальном режиме. Схема разделения лазерного пучка и формирования плоскости симметрии показана на рис. 4.16, 4.17.
Лазер на смеси He-Ne, работающий в режиме генерации основной моды, размещен вертикально, и с помощью автоматического компенсато-ра положение пучка можно развернуть как в горизонтальную плоскость, так и в плоскость под заданным углом наклона. Световой поток от лазера делится на две равные части и направляется в диаметрально противопо-ложные стороны под углами 90 + Θ и 90 – Θ градусов от вертикали.
При этом в плоскости симметрии (горизонтальной плоскости или наклоненной под заданным углом) интенсивность перекрывающихся
| пучков одинакова, а выше и ниже | ||||
| 90º‒θ | 90º+θ | (в пределах 2Θ) интенсивность | ||
| одного пучка становится больше | ||||
| 1 | 6 | 2 | ||
| интенсивности другого. |
| 4 | 3 | I | ||
| 5 | ||||
| Рис. 4.16. Схема разделения | ||||
| лазерного пучка и формирования | ||||
| плоскости симметрии: | ‒θ 0 +θ | t | ||
| 1, 3 –диаметрально противоположные | ||||
| лазерные пучки; 2 – горизонтальная | Рис. 4.17. Распределение | |||
| плоскость; 4 – система разделения пучка | ||||
| и вращения относительно вертикальной | интенсивности лазерного пучка в | |||
| оси; 5 – лазер | плоскости анализа (наблюдений) |
| I | Скорость вращения лежит в | ||
| пределах 8–10 об/с, и при наблю- | |||
| дении в плоскости симметрии, | |||
| имея удвоенную частоту модуля- | |||
| t | ции, излучение визуально кажется | ||
| а | непрерывным, в то время как вне | ||
| плоскости симметрии наблюдает- | |||
| I | |||
| ся мигание (рис. 4.18). Фотоэлек- | |||
| трическим методом также фикси- | |||
| руется наличие первой гармоники | |||
| (10 Гц) сигнала, а удвоенная часто- | |||
| б | t | та принимается за нулевой отсчет. | |
| Диапазон действия на площади – | |||
| Рис. 4.18. Вид выходного сигнала | около 200 000 м2, точность переда- | ||
| при наличии рассогласования и при | чи отметок ±2 мм на расстоянии до | ||
| отсутствии превышений: | 60 м.Используемый гелий-неоно- | ||
| а –выходной сигнал при положении | |||
| приемника вне плоскости симметрии; | вый лазер имеет выходную мощ- | ||
| б –выходной сигнал при наблюдении в | ность 1,5 мВт, потребляет мощ- |
| плоскости симметрии | ность 20 Вт и рассчитан на авто- | |
| номное питание от аккумуляторов напряжением 12 в. | ||
| Широкое распространение получают в последнее время лазерные |
приборы вертикального проектирования, в которых пучок излучения лазера приводится в вертикальное положение или с его помощью за-дается вертикальная плоскость. Используется несколько способов за-дания вертикального положения пучка излучения. Наиболее простой из них заключается в установке пучка вертикально с помощью уровней. Этот способ был одним из первых применен в лазерном зенит-центри-ре ЛВЦ-1 с газовым He-Ne лазером в качестве источника излучения. Лазерный пучок с расходимостью около 12ʹ коллимирующей системой преобразован в пучок с расходимостью менее 30ʺ. Лазер и соосная ему коллимирующая система установлены вертикально с помощью цилин-дрических уровней с ценой деления 8ʺ. Такой прибор использовался при строительстве Останкинской телебашни в Москве, где получена погрешность проектирования на высоту 300 м около 15 мм.
Другим распространенным способом установки вертикальной линии является использование искусственного горизонта, образованного поверх-ностью налитой в плоский сосуд ртути. Схема простейшего лазерного оп-тического отвеса с искусственным горизонтом приведена на рис. 4.19.
Зеркало 1 устанавливается перпендикулярно оптической оси авто-коллимационной зрительной трубы 4. Затем весь прибор, включая зер-кало 1, лазер 2, светоделитель 3 и трубу 4, поворачивается до совмеще-ния изображений лазерного пучка от зеркала 1 и поверхности ртути 5. После совмещения двух изображений пучка ртутное зеркало убирается
и пучок лазера направляется вниз с погрешностью порядка ±5ʺ. Для по-строения отвесной линии вверх используется схема с дополнительным светоделителем 5, показанная на рис. 4.20. Зеркало 7 позволяет контро-лировать стабильность лазера относительно первоначально выставлен-ного положения. Точность вертикализации может быть повышена до 1″.
2
3
1
4
5
Рис. 4.19. Схема лазерного отвеса с использованием искусственного горизонта:
1 –контрольное зеркало, 2 –газовыйлазер, 3 – светоделитель, 4 – зрительная труба, 5 – ртутное зеркало
2
1
6 4
3 7
5
Рис. 4.20. Схема лазерного отвеса с построением вертикальной линии в двух направлениях относительно горизонта:
1 –контрольное зеркало, 2 –газовыйлазер, 3 – светоделитель, 4 – зрительная труба, 5 –ртутное зеркало, 6 – светоделитель, 7 – хранитель опорного направления
Фотоэлектрический лазерный отвес использует явление диф-ракции от круглого отверстия и искусственный ртутный горизонт
в качестве опорного положения. Схема такого отвеса приведена на рис. 4.21.
Излучение лазера через цен-тральное отверстие дифракци-онной щели попадает на ртутное зеркало 1 и возвращается в виде кольцевой картины на четыре фо-
3
2'
2
1
5
Рис. 4.21. Лазерный отвес с использованием искусственного горизонта и дифракционной щели:
1 –ртутное зеркало; 2, 2 ʹ –фотодетекто-ры; 3 – газовый лазер; 4 – центральное отверстие дифракционной диафрагмы; 5 –диафрагма с кольцевыми прорезями
тодетектора 2, закрытые диафрагмой с кольцевыми прорезями, пока-занной на рисунке под номером 5. В случае совпадения дифракционной картины и диафрагмы имеет место максимальный сигнал на каждом де-текторе, а при дифференциальном включении электрический сигнал от-сутствует. Любое смещение приводит к разбалансу электронного трак-та и появлению сигнала рассогласования. Очевидно, что расстояние от диафрагмы до ртутного зеркала и размер дифракционной щели должны быть согласованы. При расстоянии от ртутного зеркала до щели, рав-ной 1 м, получена погрешность воспроизведения вертикальной линии порядка 0,3ʺ. Сложность работы данного прибора определяется необхо-димостью совмещения лазерного источника 3 с дифракционной щелью как по совпадению центров, так и по перпендикулярности оси пучка к плоскости щели.
Задание вертикальной плоскости осуществляется вращающимися пентапризмами, установленными на выходе лазерных нивелиров, или
с помощью вращающихся призменных систем, совмещенных с лазер-ными отвесами.
Реализация изложенных выше схемных решений осуществляет-ся генераторами световых линий, среди которых следует выделить серийные приборы развертки в прямую линию LG-D532 и LG-D650 или развертки пучка в крест со взаимно перпендикулярными лучами KLM-C532 и KLM-C650 с полупроводниковыми лазерными излучате-лями с длинами волн 532 и 650 нм соответственно.