Технология безотражательных измерений DR для геодезистов и инженеров-строителей

ТЕХНОЛОГИЯ БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ DR ДЛЯ ГЕОДЕЗИСТОВ И

ИНЖЕНЕРОВ-СТРОИТЕЛЕЙ

    Появление безотражательных электронно-оптических дальномеров произвело революцию в топографо- геодезической съемке, позволив выполнять измерения расстояний по новой технологии (DR) без использования отражающих целей или призм.

     Безотражательный дальномер позволяет геодезистам точно определить расстояние до удаленного объекта без необходимости установки призмы непосредственно в измеряемой точке. Измерения без отражателя открыли новые возможности съемки с одним исполнителем, существенно увеличив производительность и качество его работы и повысив уровень личнойбезопасности.

Объединив возможности  безотражательной технологии с роботизированными тахеометрами производительность съемки одним исполнителем возрастет еще больше.

      В настоящий момент в безотражательных системах используются электронные дальномеры двух типов:  импульсные дальномеры, основанные на принципе непосредственного измерения времени прохождения сигнала до цели и обратно, и фазовые дальномеры,  работающие по методу определения разности фаз сигналов. Поскольку в тахеометрах серии Trimble S6  применяется как импульсный DR300+, так и фазовый дальномер DR Standard, то Trimble в состоянии предложить геодезистам любую технологию по их выбору.

      Каждый метод измерений предназначен для решения конкретных задач и используется в различных приложениях. Целью данной статьи является описание каждого метода, сравнение их достоинств и недостатков для того, чтобы помочь вам выбрать тот метод, который наилучшим образом подойдет для вашей работы.

 

DR ТЕХНОЛОГИИ: ИМПУЛЬСНЫЙ И ФАЗОВЫЙ

ДАЛЬНОМЕРЫ

Электронное измерение расстояния без отражателя может быть произведено  любым из двух методов: с помощью  определения времени прохождения  сигнала или определения разности фаз. Метод определения времени  прохождения сигнала реализован в дальномере DR300+, в котором используется импульсный лазер.  Метод определения  разности фаз лежит в основе дальномера DR Standard.

Как показано на Рисунке 1, оптические схемы каждого из методов различны, имея свои преимущества и недостатки

Рисунок 1: Оптические схемы  импульсного (вверху) и фазового (внизу) дальномеров.

 

ИМПУЛЬСНЫЙ ДАЛЬНОМЕР

Для вычисления расстояний в  импульсном методе определяется точное время прохождения импульса до цели и обратно (TOF).

Импульсный лазер генерирует множество коротких импульсов в  инфракрасной области спектра, которые  направляются через зрительную трубу  к цели. Эти импульсы отражаются от цели и возвращаются к инструменту, где при помощи электроники определяется точное время прохождения каждого  импульса. Скорость прохождения света сквозь среду может быть точно определена. Поэтому, зная время прохождения, можно вычислить расстояние между целью и инструментом. Измерения с помощью определения времени прохождения сигнала (TOF) обычно имеют не только самую большую дальность, они также соответствуют самым высоким стандартам безопасности, поскольку интервалы между импульсами препятствуют накоплению вредной для глаз энергии.

Каждый импульс – это  однократное измерениерасстояния, но поскольку каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов, то с помощью усреднения результатов достаточно быстро достигается высокая точность измерений. На Рисунке 2 показано распределение измерений с помощью импульсного дальномера Trimble DR300+.

В ходе измерения делается около 20000 лазерных импульсов в секунду. Затем они усредняются для получения более точного значения расстояния. Обычные импульсные дальномеры имеют несколько худшую точность, чем фазовые дальномеры (до 10 мм).Однако в дальномере Trimble DR300+ используется патентованная методика обработки сигнала, позволяющая достичь высокую точность при измерении больших расстояний как с использованием, так и без использования призм. Некоторые тахеометры с импульсным дальномером перед каждым измерением должны быть сфокусированы на цель –Trimble DR300+ этого не требуется.

Рисунок 2. Осреднение импульсов

ФАЗОВЫЙ ДАЛЬНОМЕР

DR Standard – это лазерный дальномер, основанный на методе сравнения фаз сигнала. Дальномер передает коаксиальный оптический пучок с модулированной интенсивностью, который отражается от призмы или другой отражающей поверхности. После этого определяется разность фаз между переданным и отраженным принятым сигналом, по которой вычисляется расстояние.

В режиме измерений по призмам  дальномер DR Standard работает как быстрый и точный дальномер с большим радиусом действия (до 3500 м по одной призме). В безотражательном режиме DR дальномер DR Standard  передает красный коллимированный лазерный пучок до цели и вычисляет сдвиг фазы между переданным и принятым сигналами.

   Метод измерения  разности фаз работает по принципу  наложения на несущую частоту  модулированного сигнала. Прибор  измеряет постоянное смещение  фазы, несмотря на неизбежные  изменения в излучаемом и принимаемом  сигнале. В результате сравнения  фаз опорного и получаемого  сигнала определяется только  величина сдвига фазы, а целое  число циклов остается неизвестным  и не позволяет сразу получить  расстояние. Эта неоднозначность  разрешается путем многократных  измерений модуляции волны, в  результате чего определяется  уникальное целое число циклов. Как только целое число циклов  определено, то расстояние до  цели может быть вычислено  очень точно.

 

СРАВНЕНИЕ ДВУХ ТЕХНОЛОГИЙ

В основном, в методе TOF световой импульс используется для непосредственного  измерения расстояний, в то время  как в методе измерения разности фаз используется модулированный световой сигнал. Мощность импульсов в дальномерах TOF обычно в несколько раз выше, чем мощность излучения фазовых  дальномеров. Следовательно, при импульсном методе возможно измерять большие расстояния (с призмами или без), чем при фазовом методе.

  Импульсный метод традиционно  несколько менее точен, чем  фазовый метод. Однако, используя   описанные выше современные методики  обработки сигналов Trimble, это отличие становится не таким значительным.(См. Таблицу 1).

 

 

Таблица 1:

	DR300+	DR Standard
По призме	3 мм + 3 ppm	1 мм + 1 ppm
В режиме DR	3 мм + 3 ppm	3 мм + 2 ppm

Сравнение точности двух методов.

 

Для многих практических задач  это отличие несущественно, зато возможность измерений больших расстояний с помощью импульсного дальномера очень востребована многими пользователями.

Чем больше расстояние от излучателя, тем больше расхождение лазерного пучка. Этот принцип действует и для импульсного, и для фазового методов, хотя размер и форма пучка на цели (отклонение пучка от точки визирования) отличаются. Этот эффект различного расхождения имеет как свои преимущества, так и недостатки, и будет более подробно обсужден в следующих разделах этого документа. Также импульсный и фазовый методы отличаются своей чувствительностью к прерыванию сигнала во время измерений, например, при пересечении луча транспортным потоком при работе рядом с дорогой. Так как импульсный метод объединяет непосредственное измерение времени прохождения импульса с технологией обработки сигналов Trimble, то он оказывается менее чувствительным к прерыванию сигнала, чем фазовый метод. При измерении фазовым методом прерывание сигнала приводит к необходимости повторного определения неоднозначности, но в конечном счете также выявляется и исключается из измерений.

ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕЗОТРАЖАТЕЛЬНЫХ

ДАЛЬНОМЕРОВ

Сравнить характеристики дальности различных дальномерных технологий можно непосредственными  измерениями до одной и той  же цели, например до стандартного призменного  отражателя. При измерениях в режиме Long Range по одной призме дальность измерений импульсного DR300+ и фазового DR Standard дальномеров практически одинакова – 5500 и 5000 метров соответственно. Однако не все фазовые дальномеры могут измерять так далеко на одну призму как DR Standard. Поэтому при сравнении с другими дальномерами проверьте все их технические характеристики.

СТАНДАРТЫ KODAK GREY И KODAK WHITE

Прямое сравнение характеристик  безотражательных  дальномеров требует соблюдения некоторых условий.  Поскольку на практике безотражательные измерения выполняются до поверхностей различных типов, в целях честного сравнения дальности нужно выполнить измерения на какую-либо стандартную поверхность, например, на тестовую нейтральную карту Kodak, обычно называемую Серой картой Kodak Gray.

  Карта Kodak Gray давно является признанным стандартом в профессиональной фотографии. Обычно это марка размером 4"x5" или 8"x10", толщиной 1/8", серая с одной стороны и белая с другой. Серая сторона называется Kodak Gray и отражает ровно 18% попадающего на нее белого света. Белая сторона называется Kodak White и отражает ровно 90% белого света. Так как стороны имеют различную отражающую способность, то сравнения дальности лучше проводить по обеим сторонам карты. 

В геодезической отрасли  имеется некоторая несогласованность  в использовании стандартов поверхностей, поэтому очень важно убедиться, что любое сравнение дальности  выполняется по одинаковым поверхностям. Например, в некоторых спецификациях  указывается просто "Kodak Card" без уточнения, сторона с какой отражающей способностью – 18% или 90% - была использована для тестирования. 

Точные названия двух сторон серой карты Kodak Gray Card -  “Kodak Gray Card 18% Reflective” и “Kodak Gray Card 90% Reflective”. Первоначальный выборфотографов на отражении 18% для стандарта Kodak базировался на том факте, что большинство реальных сцен и объектов фотографируются примерно при 18%  отражении попадающего на них света. Это также послужило причиной того, что фотографические экспонометры калибруются для определения точной выдержки при 18% отражательной способности. Это же значение 18% подходит и для типовых объектов съемки,  обеспечивая в среднем правдоподобные результаты.

В полевых условиях безотражательные DR измерения выполняются до множества различных объектов, отражающих значительно менее 90% попадающего на них света. По этой причине дальность, определенная по стандарту Kodak Gray с 18% отражающей способностью является более надежным показателем дальности,  достижимой в реальных условиях съемки. Дальность по стандарту Kodak White с отражающей способностью 90%  показывает только максимальное значение по очень хорошо отражающим целям. Условия освещенности цели также оказывают влияние на дальность. Обычно дальность снижается при измерениях до объектов, находящихся под прямым солнечным светом.

Рисунок 4: Тестовая нейтральная  карта Kodak (Номер по каталогу Kodak E1527795)

СРАВНЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

В Таблице 2 приведено сравнение  максимальных расстояний у Trimble DR300+ и DR Standard при измерениях на различные поверхности. 

  Таблица демонстрирует,  что используемый в DR300+  импульсный  метод измерений превосходит  фазовый метод в 4 – 8 раз.  При 90% отражающей поверхности  дальномер DR300+ измеряет расстояния  в десять раз большие, чем  фазовый дальномер. 

 

 

 

Surface	DR300+	DR Standard
Kodak 90%	>800 м	>70 м
Kodak 18%	>300 м	>50 м
Бетон	>400 м	>50 м
Дерево	>400 м	>60 м
Светлый камень	>300 м	>50 м
Темный камень	>200 м	>40 м

 

Таблица 2: Дальность измерений до различных отражающих поверхностей

ИЗМЕРЕНИЯ ДО ВЛАЖНЫХ, НЕОТРАЖАЮЩИХ

ПОВЕРХНОСТЕЙ, И ПОД УГЛОМ

Более высокий уровень  энергии импульсного метод позволяет  также выполнять измерения до влажных поверхностей на больших  расстояниях. Полевые испытания  показали, что импульсный дальномер  позволяет измерять расстояния до мокрых поверхностей в два или более  раз дальше, чем фазовый дальномер, особенно при измерениях под углом. Это еще более заметно при  использовании опции DR300+. Импульсный метод также увеличивает вероятность  удачных измерений до неотражающих и наклонных поверхностей, например, до мокрого асфальта. В таких ситуациях возможность измерений может послужить критерием выбора дальномера. Кроме того, скорость измерений импульсным методом позволяет работать в густом транспортном потоке.

  Импульсный метод также  лучше измеряет до узких объектов, таких как кабели и воздушные  провода. Просто возможность таких  измерений также может послужить  критерием для использования. 

СТАНДАРТЫ ЛАЗЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Несмотря на высокий уровень  энергии в импульсном методе, дальномеры, использующие этот метод, такие как DR300+, удовлетворяют самым высоким  стандартам лазерной безопасности и  имеют соответствующую классификацию. Излучаемые лазерные импульсы, хотя и  имеют достаточную мощность для  измерения на сотни метров, имеют  короткую продолжительность и поэтому  не накапливают энергию. Непрерывное  лазерное излучение, которое иногда используется для расширения дальности  фазовых дальномеров, может привести к накоплению опасной для глаз энергии. В большинстве геодезических  инструментов используются лазеры Класса 1, Класса 2 и Класса 3R.

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КЛАССА 1

Лазеры Класса 1, подобные Trimble DR300+ - невидимые лазеры, удовлетворяющие высочайшим стандартам безопасности: прямое попадание пучка на кожу или в открытый глаз безвредно. Лазеры Класса 1 также не вызывают опасности, если другой геодезический инструмент попадет в пучок его излучения. Стандарт IEC  60825-1 гласит “Лазеры, которые безопасны в достаточно предсказуемых условиях работ, включая использование оптических инструментов для совместных наблюдений”. Дальномер DR Standard в режиме измерений по призмам также использует лазер Класса 1.

ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ КЛАССА 2

Лазеры Класса 2 излучают видимый лазерный пучок, который  может представлять опасность для  глаз при прямом попадании. Пользователи должны специально позаботиться о том, как избежать прямое попадание луча в оптические прибора, такие как бинокли или другие геодезические инструменты.