Lasery i ich zastosowanie w geodezji

Transkrypt

1 Lasery i ich zastosowanie w geodezji

2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania

3 Klasyfikacja laserów (może być przeprowadzona wg stanu skupienia, rodzaju materiału czynnego oraz sposobu pracy) 1. Lasery na ciele stałym (neodymowy, rubinowy) 2. Lasery gazowe: - atomowe (helowo-neonowe), - cząsteczkowe, - jonowe, - ekscymerowe. 3. Lasery barwnikowe (barwnik organiczny w ciekłym roztworze) 4. Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) 5. Lasery światłowodowe 6. Lasery na swobodnych elektronach (FEL)

4 Cechy światła laserowego Z samego zjawiska emisji wymuszonej wynikają podstawowe cechy światła laserowego. 1. Monochromatyczność ciąg falowy ma tę samą długość fali. 2. Równoległość promieniowania. 3. Koherencja (spójność), czyli uporządkowanie czasowo-przestrzenne emitowanej fali.

5 Rozróżniamy spójność przestrzenną i czasową. Światło spójne jest skłonne do interferencji tzn. dwa ciągi falowe wyodrębnione z wiązki takiego światła interferują ze sobą. Jeśli interferują dwa ciągi falowe emitowane z różnych punktów lasera to mówimy o spójności przestrzennej. Jeśli interferują ciągi falowe emitowane z tego samego punktu lasera, ale w różnym czasie, to mówimy o spójności czasowej. Eksperyment, którym możemy sprawdzić czy laser emituje promieniowanie spójne (spójność przestrzenna) jest doświadczenie z oświetleniem wiązką laserową dwóch szczelin.

6 Klasyfikacja funkcji i zastosowania laserów w geodezji 1. Wizualizacja w przestrzeni linii, płaszczyzn i punktów pomiarowych a) poziomych: niwelatory laserowe, niwelatory optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi, b) pionowych: pionowniki laserowe, pionowniki optyczne z laserami, c) dowolnie nachylonych: teodolity laserowe, teodolity optyczne z laserami, rzutniki, projektory laserowe, aliniometry laserowe, inne, 2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych: elektrooptyczne dalmierze laserowe, skanery laserowe, interferometry laserowe, 3. Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn.

7 Pierwszymi konstrukcjami są typowe urządzenia laserowe składające się z lasera i lunety kolimacyjnej (teleskopowej) ogniskującej. W zależności od sposobu ukierunkowania wiązki w przestrzeni przez takie urządzenie wyróżniamy w tej grupie: niwelatory laserowe (libelowe i kompensacyjne), pionowniki laserowe (libelowe i kompensacyjne), teodolity laserowe, aliniometry, rzutniki (wskaźniki) laserowe. Ta grupa rozwiązań, w szczególności wskaźniki laserowe, jest najczęściej stosowana w geodezji górniczej do nadawania kierunku wyrobisk, gdyż ich koszt jest znacznie mniejszy od kosztu teodolitu laserowego oraz dzięki temu, iż istnieje możliwość lepszego zabezpieczenia takiego wskaźnika przed wpływami atmosfery wyrobiska (zawilgocenie, zapylenie).

8 Drugą tendencją konstrukcji jest łączenie klasycznych przyrządów optycznych z laserami. Stosuje się cztery podstawowe rozwiązania: wprowadzenie do lunety od strony okularu wiązki laserowej bezpośrednio z lasera za pomocą łączników,

9 demontuje się okular a na jego miejsce zakłada się konstrukcję z niezależnym układem optycznym (płytka światłodzieląca i okular),

10 laser umieszczany jest w środku lunety, promień lasera przechodzi przez układ płytek, potem przez układ lunety i wychodzi na zewnątrz, omija okular a rekompensują to układy soczewek, które zastępują zogniskowanie przez okular,

11 luneta, okular, soczewka ogniskująca, na wspornikach laser z zasilaniem (nasadka laserowa).

12 Detekcja rozumiemy przez to wyznaczanie współrzędnych (określenie położenia) środka wiązki laserowej Trzy metody detekcji: 1) wizualna polega na ustaleniu środka wiązki za pomocą wzroku. Należy plamkę aproksymować do regularnego kształtu i wyznaczyć środek (koła lub elipsy). Błąd średni detekcji wizualnej m = ± (1-2 mm/100 m). Do detekcji wizualnej stosujemy specjalne ekrany obserwacyjne z naniesionym na nich podziałem. 2) fotoelektryczna polega na zastosowaniu jako urządzeń odbiorczych fotoprzetworników (fotodiody, fotogniwa, fototranzystory) są to urządzenia zamieniające energię świetlną na prąd elektryczny. Gdy wiązka przemieszcza się to indukowany jest prąd wartość prądu informuje o wartości przesunięcia osi wiązki. Dokładność tej metody zależy głównie od: - stabilności sygnału, - stopnia wzmocnienia sygnału.

13 Możliwe w metodzie fotoelektrycznej są do osiągnięcia dokładności do setnych części milimetra. Układy takie można stosować do systemów pomiarowych rejestrujących zmianę położenia środka wiązki w czasie. Wykorzystuje się przy tym zasadę, że wartość prądów różnicowych jest proporcjonalna do przemieszczeń środka wiązki laserowej od położenia centralnego. Zależność między wartościami prądów a przemieszczeniem ustalana jest na drodze pomiarów testowych. Rozkład natężenia w plamce musi być jednorodny. Jednak dokładność tej metody detekcji, w warunkach terenowych, jest porównywalna do dokładności metody wizualnej.

14 3) zastosowanie matryc CCD (kamer cyfrowych) CCD składa się z przetworników, układ do określania środka wiązki jest układem współrzędnych pikseli matrycy. Pomiar odbywa się na zasadzie zliczania pikseli zajętych przez plamkę i uśrednienia położenia środka plamki w układzie pikseli matrycy. Schemat systemu detekcji wiązki laserowej

15 Tą metodę detekcji środka wiązki laserowej stosuje się m.in. do: pomiaru wychyleń budynków wysokich, pomiaru ugięć mostów, pomiaru refrakcji wiązki laserowej. Położenie elementu na matrycy CCD

16 Literatura Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i kątów, WNT, Warszawa Kraus M., Woschni E. G., Systemy pomiarowo-informacyjne, PWN, Warszawa Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne do pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa Wrocław Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH, Kraków Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn (dostęp dn ) (dostęp dn )

17 Niwelatory laserowe (lasery obrotowe)

18 Niwelatory laserowe (lasery obrotowe) pozwalają na wizualizacje płaszczyzny poziomej bądź nachylonej pod odpowiednim kątem. Odbywa się to dzięki wiązce laserowej, która z dużą prędkością obracana jest wokół osi głównej instrumentu. Możliwy jest bezpośredni odczyt z łaty przez osobę trzymającą ją. Wykorzystuje się do tego także specjalne fotodetektory, które pozwalają na zwiększenie dokładności pomiarów a czasem są one niezbędne, gdy wiązka laserowa nie jest widoczna. Większość niwelatorów laserowych wyposażonych jest w kolimator, który zdecydowanie przyśpiesza pracę przy wyznaczaniu płaszczyzn poziomych.

19 Niwelatory laserowe znajdują zastosowanie na budowach, w robotach ziemnych oraz pracach tyczeniowych. Są także wykorzystywane przy sterowaniu maszynami. Niwelator laserowy wykorzystany do sterowania pracą maszyn

20

21 Wskaźnik zamocowany na maszcie lemiesza pokazuje operatorowi wysokość, na jakiej ma ustawić element roboczy maszyny

22 Sposoby zastosowania niwelatora laserowego

23 TOPCON RL 25 - światło: 633 nm widzialny czerwony promień lasera - wyznaczanie płaszczyzny poziomej, pionowej i linii pionu - ręczne poziomowanie niwelatora (dwie libele rurkowe) - funkcja skanowania ograniczająca ruchy głowicy lasera - dokładność +- 4,4mm/30m, +-30" - prędkość obrotowa 0/80/300 obr./min. - zasięg pracy z czujnikiem: 200 m, zasięg pracy z płytką skanującą: 60 m - warunki pracy: od - 20 C do + 50 C - zasilanie: baterie alkaliczne - do 80 h - wymiary: 130 mm x 100 mm x 160 mm - masa: 1,8 kg

24 Niwelatory cyfrowe (kodowe) techniczne precyzyjne

25 Powszechnie w użyciu spotyka się niwelatory kodowe, które coraz bardziej wypierają z rynku niwelatory klasyczne. Wynika to z ich większej wydajności oraz możliwości automatyzacji pomiarów i opracowania wyników. Wszystkie modele niwelatorów cyfrowych działają na podobnej zasadzie. We wszystkich oś celowa ustawiona jest w kierunku poziomym dzięki układom kompensacyjnym. Różnią się od niwelatorów tradycyjnych sposobem identyfikacji odczytu położenia osi celowej na łacie, który wykonywany jest metodą optoelektroniczną. Niwelator kodowy Topcon DL-101C Niwelator kodowy Leica Na 2002

26 W lunecie każdego niwelatora zamontowany jest przetwornik optoelektroniczny obrazu łaty. Stosuje się łaty z podziałem w formie specjalnego kodu, który złożony jest z naprzemianległych pól jasnych i ciemnych o różnej grubości. Odczyt położenia osi celowej na takiej łacie odbywa się na zasadzie porównania dwóch obrazów: łaty zrzutowanej przez układ optyczny na matrycę kamery cyfrowej CCD i wzorca wprowadzonego do mikroprocesora przez producenta. Porównywanie odbywa się metodą korelacji przetwarzanego sygnału pomiarowego z sygnałem wzorcowym.

27 W procesie tym pożądana jest znajomość odległości ogniskowania d (odległość niwelatora od łaty), która z dokładnością do decymetra lub kilku centymetrów wyznaczana jest w niwelatorze najczęściej z analizy położenia soczewki ogniskującej układu optycznego. Dlatego też, w czasie pomiarów należy zawsze pamiętać, aby ustawić ostry obraz łaty. W niwelatorze cyfrowym zastosowano czujnik położenia soczewki ogniskującej, względem stałego punktu odniesienia, z którego jest wyznaczana odległość do łaty. Znajomość odległości przyśpiesza wykonywanie korelacji. Liczba obliczeń w celu rozwiązania korelacji została zredukowana poprzez zastosowanie dwóch etapów interpolacji korelacji zgrubnej i dokładnej.

28 W korelacji zgrubnej wykorzystywana jest odległość wyznaczona z położenia soczewki ogniskującej. W jej wyniku powstaje pole do udokładnienia odczytu w korelacji dokładnej, w wyniku której zostaje zidentyfikowany odczyt odpowiadający odległości od zera łaty do osi celowej niwelatora. Prawie każdy niwelator kodowy pozwala na eksport danych do komputera za pomocą odpowiedniego portu lub karty pamięci. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie przeniesienie odpowiednio sformatowanych wyników do programu obliczeniowego oraz ich archiwizacja. Oprogramowanie niwelatorów kodowych udostępnia wiele trybów pomiarów, jak również pozwala na wykonanie obliczeń oraz kalibracje instrumentu. Zależy to jednak do producentów sprzętu i ich oprogramowania.

29 Na wykonywanie odczytów niwelatorami kodowymi mają wpływ warunki zewnętrzne, takie jak: - turbulencja powietrza w wysokich temperaturach, - drgania kompensatora wywołane silnym wiatrem, - niejednorodne oświetlenie łaty, - kontrast i oświetlenie tła łaty oraz odblaski od podłoża i obiektów obok, - zasłonięcie części łaty (może uniemożliwić pomiar nawet, gdy zasłonięta jest część łaty, w którą nie celujemy - widoczna musi być odcinek łaty o określonej długości). Dokładność pomiaru zależy od oddziaływania wewnętrznego i zewnętrznego, czyli: - dokładność wyznaczenia pozycji względnej, - skali obrazu łaty kodowej, - jakość oświetlenia, - wyboru programu pomiarowego i jego dokładności, - dokładności (w tym rodzaju łaty) i sposobu ustawienia łaty.

30 Do zalet niwelatorów cyfrowych zaliczyć należy: - większą efektywność pomiarów dzięki automatyzacji, - wykluczenie z pomiarów błędów grubych popełnianych przez obserwatora podczas wykonywania odczytu, - możliwość prowadzenia pomiarów w warunkach niestabilnych przy zastosowaniu odpowiedniego trybu pracy, - automatyczna (w ograniczonym zakresie!!!) kontrola poprawności i dokładności pomiarów.

31 TOPCON DL-101C - niwelator samopoziomujący, cyfrowy (kodowy) Parametry: - powiększenie 32x, - średnica obiektywu 45 mm, - zakres pracy kompensatora 1, - dokładność ustawienia kompensatora 0.3", - dokładność 0.4 mm/ 1 km przy odczycie elektronicznym na łacie kodowej, inwarowej, - możliwość stosowania łat fiberglasowych i aluminiowych, - dokładność 1 mm/km przy odczycie optycznym, - najmniejsza działka 0.01 mm lub 0.1 mm, - dokładność pomiaru odległości do łaty do 5 cm, - zakres pomiarowy od 2 m do 60 m, - czas pomiaru 4 sekundy, - waga 2.8 kg. Zalety DL-101C: - szybki pomiar, - możliwość rejestracji danych i ich transmisji, - oprogramowanie dedykowane, programy pomiarowe. Wady DL-101C: - reaguje na zmiany temperatury, - czuły na zmiany warunków oświetlenia.

32 LITERATURA Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji, WNT, Warszawa Ingensand H., Check of Digital Levels, FIG XXII International Congress Washington, D.C. USA, April Ingensand H, The evolution of digital levelling techniques limitations and new solutions, Płatek A., Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji, Wyd. AGH, Kraków Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. I, Magazyn Geoinformacyjny GEODETA nr 6 (145), czerwiec Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. II, Magazyn Geoinformacyjny GEODETA nr 7 (146), lipiec Instrukcja obsługi niwelator kodowy Topcon DL-101C/DL-102C