В инженерных изысканиях и строительстве при выполнении мно-гих видов инженерно-геодезических работ применяют лазерные систе-мы и приборы, которые позволяют решать инженерные задачи более эффективно, чем традиционные геодезические средства измерений (те-одолиты, нивелиры, приборы для линейных измерений). Лазерные гео-дезические системы и приборы позволяют автоматизировать процесс измерений и повысить точность.
Появление лазерных геодезических приборов привело к разработ-ке новых методов геодезических измерений. Луч лазера, в отличие от визирной оси геодезических приборов, реально наблюдаем, так как он несет определенную световую энергию в заданном направлении. Бла-годаря этому открываются возможности автоматизации геодезических измерений и их контроля, особенно при выполнении планировочных работ и при строительстве сооружений линейного типа. Световой луч, ориентированный определенным образом, является опорной линией или создает световую плоскость, относительно которых при помощи фотоприемных устройств могут выполняться необходимые геодезиче-ские измерения. Работы по созданию лазерных геодезических систем
и приборов ведутся во всем мире. В настоящее время разработаны и серийно производятся лазерные нивелиры, теодолиты, центриры, си-стемы для управления работой строительных машин и механизмов, светодальномеры, тахеометры, насадки к теодолитам, нивелирам и др. Лазеры, используемые в геодезических приборах, должны обладать компактностью, надежностью в работе, стабильностью направления лазерного луча, ударопрочностью и влагостойкостью.
Конструктивно геодезические приборы с лазерами, как правило, выполнены так, что лазер установлен параллельно визирной оси гео-дезического прибора, на котором он смонтирован. Иногда лазерный луч направляется с помощью оптических элементов параллельно визирной оси зрительной трубы, служащей для наведения лазерного луча. Пе-ред выходным отверстием лазера для уменьшения расходимости све-тового пучка устанавливают телескопическую систему. Если световой пучок пропустить через телескопическую систему, то на выходе угол расходимости пучка уменьшится пропорционально увеличению теле-скопической системы. Телескопическая система позволяет также сфо-кусировать лазерный пучок на расстоянии в несколько сотен метров, что значительно облегчает решение различных инженерных задач при работе с лазерными геодезическими приборами. При использовании телескопической системы с увеличением 30× диаметр лазерного пучка на расстоянии 500 м от прибора равен 50 мм.
При выполнении планово-высотных измерений и для задания на-правления световой луч принимают за опорную линию, относитель-но которой выполняют соответствующие измерения. Основным пре-имуществом лазерных геодезических приборов является возможность полной автоматизации измерений за счет создания видимой световой визирной линии или плоскости. При измерениях используют фотоэлек-трическую или визуальную индикацию лазерного луча. При визуаль-ной индикации для отсчетов по лучу используется экран, на который нанесена сетка квадратов или линии в виде концентрических окружно-стей, а также нивелирная рейка. Точность визуального отсчета по све-товому пятну от лазерного луча зависит не только от диаметра пятна, но
и от амплитуды колебания луча, которые вызываются непостоянством значения показателя преломления воздуха.
Увеличение точности визуального отсчета может быть достиг-нуто путем размещения зонных пластин в телескопической системе. Они представляют собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные концентрические кольца, нанесенные на прозрачное основание. При установке такой зонной пластины на выходе из телескопа лазерный пу-чок вследствие дифракции преобразуется в чередующиеся светлые и темные концентрические кольца. Они позволяют с высокой точностью определять положение оси светового пучка.
При фотоэлектрической индикации используются фотоэлектри-ческие системы различных типов. Наиболее простым лазерным фото-
приемником можно считать фотоэлемент, который перемещают вдоль рейки, установленной вертикально или горизонтально. В момент про-хождения фотоэлемента через световое пятно регистрируют сигнал на выходе фотоэлемента с помощью индикаторного устройства и фиксиру-ют положение фотоприемника на рейке. Погрешность регистрации по-ложения светового пятна фотоприемником составляет 1–2 мм на 100 м.
Фотоприемником другого типа является следящее фотоэлектриче-ское устройство, выполненное в виде двух фотоприемников (например, разрезные фотодиоды), автоматически следящих за центром светово-го пучка и фиксирующих его положение, при котором на фотоприем-никах имеется одинаковая освещенность. Такое устройство имеет по-грешность измерения 0,3–0,5 мм на расстоянии в 100 м. Фотоприемные устройства с четырьмя фотоэлементами позволяют фиксировать поло-жение лазерного луча по двум осям с погрешностью единичного из-мерения до 0,1 мм на расстоянии 100 м. Современные фотоприемные устройства, как правило, имеют многоэлементные приемники, позво-ляющие не только определять положение лазерного пятна в плоскости анализа, но и выдавать информацию в цифровой форме, что значитель-но упрощает последующую обработку сигнала.
Все существующие лазерные геодезические приборы, применяе-мые в строительстве и изысканиях, можно разделить, на две группы: собственно лазерные приборы геодезического назначения и насадки или составные части традиционных геодезических приборов.
Измерение расстояний было одним из первых технических при-менений лазеров. Первый экспериментальный дальномер был испытан уже в 1961 г. Подавляющее большинство современных лазерных даль-номеров являются импульсными и используются либо в составе лока-ционных или геодезических комплексов либо в качестве самостоятель-ных устройств. Такие приборы определяют расстояние в соответствии с формулой
D = c τ/2,
где τ – измеренное время прихода отраженного от цели импульса отно-сительно опорного; c – скорость распространения электромагнитного излучения в среде распространения.
Обычно в качестве источников излучения используются мощные твердотельные лазеры при измерениях расстояний более 1 км или по-лупроводниковые лазеры в малогабаритных устройствах с измерением
от нескольких метров до нескольких километров, а погрешность из-мерения большинства из них лежит в области нескольких дециметров при дальности действия до 30 км. Основными преимуществами таких лазерных дальномеров перед радиодальномерами являются более вы-сокая точность измерений, более высокая помехозащищенность, отсут-ствие паразитных отражений при работе в приземном слое атмосферы.
К недостаткам лазерных дальномеров следует отнести большее зату-хание сигнала в атмосфере и увеличение времени наведения на цель из-за малой расходимости лазерного пучка. К современным лазерным импульсным дальномерам следует отнести приборы с твердотельными лазерными источниками на гранатовых матрицах с активатором, в каче-стве которого использован редкоземельный элемент неодим, (ДИМ-3, ЛДИ-14 и КТД-2-2) или на стекле, активированным эрбием (EG-LRF), излучающими на длинах волн 1,079 и 1,54 мкм, соответственно. Эти приборы работают в диапазоне измеряемых дальностей от 50 м до 10 или 25 км с погрешностью измерений до 0,5 м.
Для более точных измерений дальности используют фазовый спо-соб измерения, основанный на определении разности фаз между сигна-лом, прошедшим определяемое расстояние, и опорным сигналом, фор-мируемым в самом приборе. Расстояние можно определить по формуле
D = (c /2 f)φ2 D /2π,
где φ 2 D – разность фаз, возникающая при прохождении расстояния, рав-ного 2 D; f – частота модуляции лазерной несущей.
Данное выражение можно преобразовать к виду, более часто ис-пользуемому в реальных светодальномерах,
D = c /2 f (N + φ/2π),
где N – число целых полных фазовых циклов модулирующей частоты или целое число длин волн модулирующей частоты, укладывающейся в расстояние 2 D; φ/2π – дробная часть фазового набега (0 < φ < 2π).
При проведении измерений в фазовых светодальномерах определя-ется либо величина дробной части фазового цикла при фиксированной частоте модуляции f, либо при фиксированном значении дробной части фазы измеряют изменение частоты модуляции. Независимо от способа получения измерительной информации для устранения неоднозначно-сти определения целого числа N необходимо проводить измерения на нескольких модулирующих частотах и/или знать приближенное значе-
ние измеряемого расстояния. К фазовым лазерным дальномерам можно отнести дальномер СП05, работающий на сверхвысоких частотах по-рядка 750 МГц, светодальномер «Блеск» СТ5 на полупроводниковом лазере с арсенидом галлия.
К группе самостоятельных лазерных приборов можно отнести вы-пускаемые нашей промышленностью в самом начале применения ла-зеров в геодезии приборы и системы: лазерный прибор многоцелево-го назначения ПИЛ-1, лазерный прибор УНЛЗ-У5, лазерные системы СКП-1, САУЛ-1, УКЛ-1, СЛВ (с прибором ЛВ-78), а также зарубежные приборы CL3BM, CL4B (Польша). Более совершенными являются ла-зерные системы со сканирующим устройством, в том числе разработан-ные в нашей стране СКП-1, САУЛ-1, УКЛ-1, СЛВ и зарубежные: Гео-плейн 300 (Швеция), система Лазерплейн, Ротолайт, LB-2 модель 3900, LAI 2900, LAI 5000 (США), I.AT 5025/26 (CШA), LSSK 611(Польша).
Нивелир модели «Лазерплейн» (США) предназначен для нивелир-ных работ при строительстве взлетно-посадочных полос аэродромов, при ирригационных и дренажных работах и т.д. Вращающийся лазер-ный пучок создает световую плоскость, фиксируемую в горизонталь-ном положении с помощью двух взаимно перпендикулярных уровней с ценой деления 5ʺ. В комплект прибора входит специальная нивелирная рейка, по которой перемещается чувствительный приемный элемент. В зоне облучения приемное устройство вырабатывает звуковые сигналы
и отсчет определяется как полусумма двух границ «звучащей» области. Дальность действия прибора может достигать 1000 м, а погрешность нивелирных работ достигает 5 мм при благоприятных метеоусловиях. Прибор в четыре раза повышает производительность работ по сравне-нию с классическим нивелированием. Современные приборы, решаю-щие задачи нивелирования и створофиксации, включают лазерные мо-дули МЛ-04, лазерные струны ЛНС и др.
Лазерные теодолиты имеют лазерный источник излучения, ось пучка которого создает визуализированную ось наблюдений. При этом ось пучка излучения может быть направлена вдоль оптической оси зри-тельной трубы теодолита или параллельно ей. Различают собственно лазерные теодолиты, где лазер конструктивно входит в состав прибора,
и лазерные насадки, где серийно выпускаемый теодолит комплектует-ся лазерным источником и узлом согласования лазерного излучения и оптической оси зрительной трубы теодолита. Наиболее перспективным
считают создание высокоэффективных лазерных насадок, позволяющих использовать зрительные трубы теодолитов в качестве коллимирующих узлов, а отсчет вести по отсчетным устройствам самого теодолита.
Одним из первых известных решений лазерной теодолитной насад-ки отечественного производства являлась насадка ЛНОТ-02 к теодоли-ту ОТ-02. Источником излучения был газовый гелий-неоновый лазер
с выходной мощностью 2 мВт и углом расходимости около 12ʹ. Лазер
с коллимирующей оптической системой устанавливается параллельно зрительной трубе теодолита с расстоянием 10 см между осью пучка и визирной осью теодолита. На малых расстояниях (до 100 м) необходимо для каждого измерения совмещать центр перекрестия сетки с центром светового пучка, а на расстоянии более 500 м это совмещение проис-ходит автоматически. Коллимирующая система лазера позволяет фоку-сировать его излучение на разные расстояния, а цилиндрическая линза на объективе коллимирующей системы разворачивает пучок и сектор
с углом раскрыва до 40ʹ для одновременной работы в точках, которые расположены на разной высоте в пределах створа, обеспечиваемого расходимостью лазерного пучка после прохождения коллимирующей системы (20ʺ). Аналогичное конструктивное решение имеет лазерная теодолитная насадка фирмы «Wild» (Швейцария) GLA-3, однако ис-пользуемый лазер имеет большую мощность (5 мВт) и, как следствие, несколько большие габариты излучающей головки лазера.
Другой разновидностью лазерных насадок являются насадки, в кото-рых ось лазерного пучка совмещена с визирной осью зрительной трубы те-одолита с помощью световода. В качестве световодов чаще всего использу-ют волоконную оптику, обеспечивающую гибкую оптическую связь с до-пустимыми потерями. В этом случае лазер необходимой мощности распо-лагается на треноге теодолита, а ввод пучка осуществляется относительно небольшим узлом, который не нарушает балансировку трубы. В лазерных насадках с совмещенными осями пучка и зрительной трубы целесообраз-но использовать сетки, у которых отсутствует центральное перекрестие, так как в этом случае уменьшаются потери излучения на виньетирование и за счет дифракции. Гибкие оптические связи могут достигать длины 1,5 м. Схема лазерной окулярной насадки приведена на рис. 4.27.
Лазерное излучение из световода 1 с помощью призмы-куба 2 и системы 4 фокусируется на сетку нитей 5, сопряженную с плоскопа-раллельной пластиной 3. Изображение сетки нитей и лазерного пятна наблюдается через окуляр 6. Совмещение осей пучка и зрительной тру-
5 4 3 2 6
7
1
Рис. 4.27. Схема лазерной окулярной насадки со световодом:
1 –световод от лазера; 2 –призма-куб; 3 –пластина; 4 –система переносаизображения; 5 – сетка нитей; 6 – окуляр зрительной трубы; 7 – юстировочная линза
бы производится линзой 7, имеющей два взаимно перпендикулярных юстировочных перемещения. Общим недостатком лазерных насадок являются большие потери мощности при вводе излучения за счет при-менения полупрозрачных элементов и согласующих линз и призм.
Лазерные теодолиты, как правило, конструируются на базе механи-ческой осевой системы серийных теодолитов с использованием серий-но выпускаемых лазеров. В отечественной практике ранее использова-лись лазерные теодолиты ЛТ-75 на базе теодолита ТТ2ʺ/6ʺ с лазером ЛГ-75 и ЛТ-56 на базе горного теодолита ТГ-1 и лазера ЛГ-56. В обоих случаях теодолитные осевые системы позволили без существенных до-работок установить в лагерах лазеры с коллимирующими оптическими системами. В ЛТ-75 был использован лазер мощностью более 30 мВт, что позволяло производить работы на больших расстояниях в течение длительного времени, например, в гидротехническом строительстве и для ограждения морских каналов и фарватеров. Погрешность отсчета по горизонтальному кругу 2ʺ в пределах 360°, а по вертикальному – 6ʺ
в пределах ±30°. Лазерный теодолит ЛТ-56 использовался для контроля за движением горнопроходческой техники в тоннелях и имел погреш-ность отсчитывания горизонтальных углов, равную 30ʺ. В настоящее время в состав электронных тахеометров входят только полупроводни-ковые лазерные излучатели, резко сократившие габаритные размеры лазерных узлов теодолитов или приставок к ним.
В заключение этого раздела перечислим лазерные геодезические приборы, которые выпускались в нашей стране. Их можно разделить на самостоятельные и используемые как дополнительные устройства к геодезическим приборам классического типа. К первой группе можно отнести лазерный прибор многоцелевого назначения ПИЛ-1, лазерный прибор УНЛЗ-У5, лазерные системы СКП-1, САУЛ-1, УКЛ-1, СЛВ, ПЗНЛ-01, ЛНС. Ко второй группе относятся лазерный нивелир НЛ-1 и лазерные насадки к теодолитам Т1, Т2, Т3, T16.
Система СКП-1 состоит из лазерного излучателя, закрепленного
в точке с известной высотной отметкой и создающего опорную свето-вую плоскость, фотоприемного устройства, закрепленного на рабочем органе землеройной машины, и индикатора, который устанавливается
в кабине машиниста. Дальность действия передатчика 500 м, часто-та вращения пентапризмы 72–108 об/мин. Система САУЛ-1, в отли-чие от СКП-1, обеспечивает установку световой плоскости с уклоном от 0 до 0,03. В качестве излучателя используется лазер ИЛГН-207 (в современной модификации ГН-2П-1). Система УКЛ-1 была предна-значена для автоматического управления рабочим органом землерой-ной машины и применялась при строительстве каналов, трубопроводов и т.д. В качестве источника излучения использовался лазер ИЛГН-203. Дальность действия системы 500 м, средняя квадратическая погреш-ность ±5 мм. Лазерная система СЛВ предназначена для непрерывного контроля за движением землеройной строительной машины по задан-ному направлению и уклону. Она состоит из лазерного визира ЛВ-78, сканирующей насадки, двух фотоприемных устройств и двух индикато-ров положения (по направлению и уклону).
Построитель зенитно-надирной линии ПЗНЛ-01 предназначен для нивелирования при проведении строительных и отделочных работ. Излучение полупроводникового лазера, работающего на длине волны 0,65 мкм, совместно с оптической системой и встроенным двигателем автоматически задает горизонтальную плоскость и вертикальную ли-нию. Лазерный геодезический прибор ПИЛ-1 предназначен для гео-дезических измерений, в которых используются задаваемые лазерным лучом горизонтальные и вертикальные линии и плоскости. Сканиру-ющее устройство позволяет получить световую плоскость или сектор регулируемой величины. Современные образцы прибора такого типа известны под марками LG и KLM.