5.4. Вимірювання ліній за допомогою електромагнітного випромінювання

Використання електромагнітного випромінювання для вимірювання ліній базується на властивості електромагнітних хвиль поширюватися у просторі з практично постійною швидкістю. Напрям електромагнітного випромінювання, потрібний для лінійних вимірювань, забезпечується оптичними або антенними системами. Перші працюють у оптичному діапазоні (їх називають світловіддалемірами), другі – у мікрорадіохвильовому (це радіовіддалеміри). Принципова схема роботи систем подана на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Принципова схема роботи системи для вимірювання ліній за допомогою електромагнітного випромінювання

Фізична суть всіх методів вимірювання віддалей полягає у порівнянні одного й того ж фізичного параметра, пов’язаного з електромагнітним випромінюванням, до і після проходження ним дистанції. Як правило, апаратура на одному кінці лінії містить передавач і приймач, а на другому – відбивач.

Один і той же сигнал (див. рис. 5.9) від передавача направляється двома шляхами: перший – безпосередньо на вимірювальний пристрій (без виходу на дистанцію); другий – на дистанцію (до відбивача і у зворотному напрямку - до приймача). Перший шлях називається опорним каналом, а сигнал, відповідно, - опорним сигналом, другий – дистанційним каналом, а сигнал, відповідно – дистанційним сигналом.

У вимірювальному пристрої виконується порівняння опорного і дистанційного сигналів за обраним параметром та визначення їх різниці, яка полягає лише в різниці пройдених дистанцій 2D – дистанційного сигналу, і d – постійної апаратної поправки опорного сигналу.

Основна формула для визначення довжини лінії D така:

,

де  - швидкість поширення електромагнітних хвиль у повітрі в умовах під час вимірювання,  - час поширення хвиль вздовж лінії, що вимірюється в прямому та зворотному напрямку, тобто

 = 2 (t₂ – t₁) ,

де t₂ та t₁ – зафіксований час виходу з початкової і приходу в кінцеву точку лінії, що вимірюється.

Швидкість  отримують за формулою

 = с : n ,

де с – швидкість електромагнітних коливань у вакуумі, n – показник заломлення повітря для електромагнітних хвиль, який визначається за спеціальними формулами як функція температури повітря, атмосферного тиску і тиску (пружності) водяної пари у повітрі (температуру і тиск повітря, тиск пари визначають за відповідними приладами під час знімальних робіт).

Методи вимірювання за допомогою електромагнітного випромінювання визначаються вибором фізичного параметру, за яким виконується порівняння опорного й дистанційного сигналів. Основні методи вимірювання відстаней – імпульсний, частотний, фазовий.

Імпульсний метод базується на визначенні різниці часу проходження випромінювального імпульсу у прямому і зворотному напрямках від приладу до об’єкта спостереження. Особливістю метода є порівняно велика потужність випромінювання, що забезпечує реєстрацію імпульсу, відбитого об’єктом спостереження, не застосовуючи відбивач.

Використовують імпульсні світовіддалеміри для визначення віддалей до Місяця та штучних супутників Землі (ШСЗ).

У частотному методі вимірювання ліній враховується залежність між зміною частоти коливань випромінювання та часом, за яким ця зміна відбулася.

Фазовий метод є найпоширенішим у геодезичній наземній віддалеметрії і використовується практично в усіх світло- і радіовіддалемірах, а також у більшості радіогеодезичних систем та у космічній геодезії. Він будується на залежності фази гармонійного коливання випромінювання від часу (його інтервалу), потрібного на вимірювання певної віддалі.

Сучасні фазові віддалеміри дають можливість вимірювати значно довші ( у порівнянні з раніше розглянутими трудомісткими способами) віддалі з відносно невеликими затратами часу та підвищеною точністю.

Фазові світловіддалеміри поділяють на такі групи:

- світловіддалеміри великої дальності дії для вимірювання віддалей у 15-50 км із середньоквадратичною похибкою  (10 мм +2 мм/км);

- світловіддалеміри малої дальності дії для вимірювання віддалей до 15 км з похибкою до 2 см;

- світловіддалеміри підвищеної і найвищої точності для вимірювання віддалей від 0,3 до 5 км з похибкою 2 мм і менше;

Світловіддалеміри першої групи призначені для лінійних вимірювань під час створення державних геодезичних опорних мереж; другої групи – у геодезичних мережах згущення (див. далі 9.1) і для топографічних знімань; третьої групи – для розв’язання задач прикладної геодезії та вимірювань спеціального призначення.

Сучасними моделями світловіддалемірів є світловіддалемірні насадки до існуючих геодезичних приладів.

Одним із розповсюджених є світловіддалемір «Блеск» (СТ5, що означає світловіддалемір топографічний з дальністю дії – 5 км.). Він має порівняно невеликі габарити і масу (12,5 кг.), зручний і надійний в роботі. Працює при температурі повітря від - 30 до +40С, тиску у 630-800 мм рт.ст., та вологості не більше 98%. Точність вимірювання віддалей  (10 мм. + 5 мм /км.).

Основні частини СТ5 такі (рис. 5.10): головка 1 вміщує прийомопередавальну оптичну систему, джерело світлового випромінювання, фотоприймальний пристрій, електронні вузли; на головці закріплена зорова труба 6; навідні та закріпні пристрої для наведення труби на відбивач у вертикальній і горизонтальній площинах розміщені на колонці 2 і основі 5; основа скріплюється з колонками гвинтами 4 (ними скріплюють головку світловіддалеміра з кутомірним приладом під час використання віддалеміра як насадки, що показано на рис. 5.10,в); на лицьовій панелі (рис. 5.10,б) розміщені цифрове табло 7, ручки управління 8, 9, 11, 12, та стрілочний індикатор 13; за допомогою підставки 10 світловіддалемір з’єднують зі штативом.

Рис. 5.10 Світловіддалемір «Блеск» (СТ5)

До світловіддалеміра додається комплект відбивачів, який дозволяє об’єднувати до 18 призм (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Відбивачі світловіддалемірів

Найновіші моделі світловіддалемірів дозволяють визначати горизонтальне прокладання ліній, перевищення кінців лінії, що вимірюються, координати відбивача, а також враховувати метеорологічні поправки.

Радіовіддалеміри дають можливість вимірювати віддалі, довші за 150 км, завдяки більшій проникаючий здатності радіохвиль. На відміну від світловіддалемірів вони здатні працювати за будь-яких погодних умов (окрім дуже сильного дощу) та у будь-який час доби.

У топографічному виробництві радіовіддалеміри використовують для знімання шельфу, великих озер і водосховищ. Радіогеодезичні системи застосовують для вирішення задач вищої геодезії, у повітряній і морській навігації для визначення місцеположення рухомого об’єкта (літака, корабля, тощо).

Радіовіддалемірами можна вимірювати віддалі й за відсутності прямої видимості між початком і кінцем лінії, довжина якої визначається, що неможливо під час роботи зі світловіддалемірами.

Сучасні моделі радіовіддалемірів (їх називають телуромірами, за назвою фірми, яка їх випускає) відрізняються високою точністю вимірювання, яка наближається до точності світловіддалемірів.