УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕФРАКЦИИ

Техническое решение относится к оптическому приборостроению, а именно к геодезическим приборам для определения атмосферной рефракции в условиях подземных горных выработок.
Известны методические приемы, основанные на использовании геодезических приборов, позволяющие оценивать уровень рефракции по наблюдениям колебаний изображений штрихов нивелирных реек (Павлив П.В. Проблемы высокоточного нивелирования. - Львов, Вища школа, 1980. - 145 с.). Такие способы используются в геодезии, однако их недостатком является сложность получения количественной характеристики явления, поэтому при производстве маркшейдерских работ как на открытых разработках, так и в подземных горных выработках эти способы применения не нашли.
Также известно электронное устройство для определения атмосферной рефракции, основанное на фиксации флуктуации показателя преломления воздуха, вызванных неустойчивостью стратификации атмосферы (Бертольд В., Диерк Д. Возможности применения цифровой камеры для определения вертикальной рефракции // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2001. - №2. - С.130-139). Известное устройство позволяет получить количественную характеристику рефракции в условиях дневной стратификации приземного слоя воздуха.
Недостатком второго аналога является невозможность применения его для определения атмосферной рефракции в условиях подземных горных выработках, поскольку стратификация рудничной атмосферы соответствует состоянию ночной инверсии земной атмосферы, при которой отсутствуют флуктуации показателя преломления воздуха (Терещенко Т.Ю. Разработка методики маркшейдерских работ при подземном строительстве с использованием лазерных приборов / Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.т.н. Моск. госуд. горный унив - т, М., 2004. - 22 с.)
Известно также электронное дальномерное устройство типа Disto (Беспалов Ю.И., Терещенко Т.Ю. Применение лазерных геодезических приборов в строительстве // Проблемы развития дорожно-транспортного комплекса. Межвузовский сб. научных трудов. - СПбГАСУ. Автомобильно-дорожный институт. Санкт-Петербург, 2006. С.45-47). Принципиальная блок-схема известного дальномерного устройства включает передающий и приемный объективы, источник излучения в виде полупроводникового лазерного диода (ПЛД), кварцевый генератор, приемник света, фазометр, гетеродин, управляющее устройство и индикатор. Дальномеры типа Disto обеспечивают измерение длины линий со средней квадратической погрешностью (СКП), не превышающей величины 3 мм.
В качестве прототипа выбрано устройство для определения рефракции УНОК (А.с. СССР №1793220, кл. G01С 5/00. 24.05.91. Опубл. 07.02.93. Бюл. №5), состоящее из корпуса насадки на объективную часть зрительной трубы нивелира, в котором укреплен ахроматизированный оптический клин и плоскопараллельная пластинка микрометра. Горизонтирование лучей осуществляется по жидкостному уровню нивелира. Вертикальную составляющую атмосферной рефракции определяют визированием на вертикальную рейку, содержащую V-образные и прямые штрихи, совмещая их изображения вращением барабана микрометра, по шкале которого снимают отсчет. Совмещение выполняется десятикратно, с контролем, по двум парам штрихов, то есть при наблюдении каждого цикла наблюдатель производит не менее 20 отсчетов. Расстояние между насадкой и рейкой составляет примерно 40 м, при наблюдениях на станции оно измеряется стальной 50-ти метровой рулеткой трехкратно. Линейная величина вертикальной составляющей рефракции определяется как
где Р - атмосферное давление, мбар;
Т - температура воздуха, °К;
D - расстояние до рейки, м;
α - угол отклонения луча клином, градусы;
τ - вертикальный градиент температуры воздуха, °К/м.
Величина τ определяется, исходя из изменения отсчетов по шкале микрометра относительно момента изотермии, соответственно вертикальная составляющая рефракции в угловой мере может быть представлена как
где ρ"=206265".
К недостаткам прототипа относится большая нагрузка на наблюдателя, поскольку измерения в одном цикле занимают примерно 30 минут, тогда как при работе на одной станции приходится выполнять 10-12 циклов. Также к недостаткам прототипа следует отнести невозможность автоматизации процесса измерений.
Задачей технического решения является повышение производительности труда наблюдателя и автоматизация процесса измерений.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для определения рефракции, содержащем узел горизонтирования, узел отклонения пучка лучей по вертикальной рейке с оптическим клином и узел обработки результатов измерений предусмотрены следующие отличия. Устройство снабжено электронным дальномерным узлом, в приемном канале которого укреплен узел отклонения пучка лучей, а для измерения величины параллактического угла использован анализатор-декодер при штрих-кодовой разметке рейки, причем узел обработки результатов измерений выполнен с возможностью нахождения значения функции
где r - угол вертикальной рефракции;
b, D - вспомогательные параметры: соответственно, отрезок, зафиксированный по рейке анализатором-декодером, и расстояние до рейки, зафиксированное дальномерным узлом;
α, δ - угол отклонения луча оптическим клином и постоянная слагаемая.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно электронный дальномерный узел позволяет измерять расстояние D между устройством и рейкой непосредственно в момент определения рефракции, что способствует исключению трудоемких рулеточных замеров, свойственных прототипу.
Укрепление узла отклонения пучка лучей (то есть оптического клина) в приемном канале электронного дальномерного узла позволяет использовать свойства измерительного треугольника с постоянным параллактическим углом α для определения отклонения пучка лучей под действием вертикальной составляющей рефракции на дистанции D.
Использование анализатора-декодера при штрих-кодовой разметке рейки способствует автоматизации процесса отсчитывания по рейке отрезка «b», несущего информацию о действительной величине параллактического угла в измерительном треугольнике с учетом влияния угла вертикальной рефракции r. Такое техническое решение позволяет облегчить работу наблюдателя, исключив изнурительную процедуру взятия отсчетов по рейке.
Выполнение узла обработки результатов измерений предлагаемого устройства с возможностью непосредственного нахождения значения вертикального угла рефракции r позволяет облегчить процесс камеральной обработки материалов полевых наблюдений и избежать того объема вычислений, который свойственен прототипу. Предлагаемое техническое решение способствует оперативному получению информации о величине рефракции, обеспечивая выполнение тех или иных прецизионных геодезических измерений в конкретных условиях подземного строительства.
Рассматриваемое техническое решение позволяет создать новое устройство для определения рефракции, повышающее производительность труда наблюдателя и обеспечивающее автоматизацию процесса наблюдений. Предлагаемое устройство является универсальным, поскольку позволяет определять величину рефракции как в условиях подземных горных выработок, так и при неустойчивой стратификации приземного слоя воздуха, характерной для дневного времени суток на земной поверхности.
Техническая сущность предложенного решения поясняются чертежом, на котором:
Фиг.1 представляет блок-схему устройства для определения рефракции;
Фиг.2 представляет схему измерительного треугольника.
Предложенное устройство для определения рефракции состоит из (фиг.1) передающего объектива 1, полупроводникового лазерного диода (ПЛД) 2, кварцевого генератора 3, гетеродина 4, фазометра 5, селектора 6, приемника света 7, приемного объектива 8, оптического клина 9, анализатора-декодера 10, управляющего устройства 11 и индикатора 12. Вертикальная рейка 13 со штрих-кодовой разметкой устанавливается на противоположном конце наблюдаемой линии. Оптический клин 9 в приемном канале укреплен на расстоянии δ от приемного объектива 8 в пределах половины его светового отверстия при отвесном положении главной плоскости клина.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигнал кварцевого генератора 3 с частотой колебания f направляется в опорный канал, на фазометр 5, и в передающий канал, на ПЛД. Излучение полупроводникового лазерного диода 2, модулированное колебаниями с частотой f, передающим объективом 1 посылается на рейку 13. Лучи, отраженные от рейки, приемным объективом 8 направляются в приемник света 7. Вследствие преломления лучей в оптическом клине 9 образуется измерительный треугольник АВС с параллактическим углом α и переменным базисом ВС=b, отсекаемым (фиксируемым) по рейке 13 (фиг.2). Таким образом, отраженные лучи, поступающие в приемник света 7, содержат информацию о величине дистанции D и о величине отрезка b по штрих-кодовой рейке 13. Селектор 6 выделяет из сигнала, поступающего из приемника света 7, модулирующие колебания с частотой f, фаза которых, после понижения с помощью гетеродина 4 частоты колебаний до разностной частоты F, сравнивается в фазометре 5 с фазой колебаний в опорном канале. Полученная разность фаз излучаемых и отраженных колебаний позволяет определить (зафиксировать) в управляющем устройстве 11 величину дистанции D в линейной мере.
Селектор 6 выделяет также сигнал, относящийся к величине отрезка b, фиксируемому по штрих-кодовой рейке, который преобразуется анализатором-декодером 10 и передается в управляющее устройство 11 в линейной мере.
При отсутствии атмосферной рефракции на дистанции между устройством и рейкой, например, в состоянии изотермии, луч, отклоняемый оптическим клином на угол α, должен падать на рейку в точке С (см. фиг.2), при этом будет соблюдаться соотношение
где Е - величина катета АВ в измерительном треугольнике АВС.
где D - расстояние до рейки; δ - постоянная слагаемая.
1
1
Однако, под действием атмосферной рефракции луч, преломленный оптическим клином, отклонится на величину ее вертикальной составляющей r, вследствие чего луч будет падать на рейку в точке С, поэтому величина катета ВС измерительного треугольника уменьшится на величину отрезка Δ. Соответственно анализатор-декодер 10 (см. фиг.1) будет фиксировать по рейке отрезок b=ВС, а величина вертикального угла рефракции может быть вычислена как
Или, учитывая соотношение (4), окончательно получим
Необходимая точность определения угла рефракции предлагаемым устройством обеспечивается выбором его основных параметров с учетом опыта эксплуатации лазерных дальномеров типа Disto и устройства для определения рефракции УНОК, выбранного в качестве прототипа (Беспалов Ю.И., Голованов М.Н. Новые приборы и методы ведения маркшейдерско-геодезических работ. - Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 1993. - 100 с.). Рекомендуемые параметры предлагаемого устройства:
- частота колебаний кварцевого генератора 3-f=50 мГц;
- частота, на которой в дальномерном узле производится измерение разности фаз отраженного сигнала и сигнала в опорном канале, F=4 кГц;
- для разрешения неоднозначности измерений в дальномерном узле предусматривается также определение расстояния при модуляции излучения ПЛД 2 с частотой колебаний 1 мГц;
- параллактический угол α=1°.
Для оценки точности определения угла рефракции предлагаемым устройством формула (6) преобразуется к виду
Где ρ"=206265″.
Тогда инструментальная средняя квадратическая погрешность (СКП) определения угла рефракции предлагаемым устройством равна
r
b
r
D
где (m) - СКП определения угла рефракции в зависимости от СКП измерения отрезка b; (m) - СКП определения угла рефракции в зависимости от СКП измерения расстояния D.
Соответственно
b
где m - СКП измерения отрезка b.
D
Где m - СКП измерения отрезка D.
b
D
r
b
r
D
r
Рассмотрим определение инструментальной СКП при D=40,000 м; δ=10 м; α=1°; m=0,3 мм (Елизаров В.М. Компарирование реек с помощью оптического микрометра нивелира // Геодезия и картография, 1975. №4. С.31-33.); m=3 мм. Поскольку, на основании выражений (9) и (10), (m)=0,52", а (m)=0,27", то, соответственно, по формуле (8) получим m=0,6".
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность измерений при повышении производительности труда наблюдателя и автоматизации процесса определения угла вертикальной рефракции.