Безотражательные дальномеры
В безотражательных дальномерах применяются две основные оптические системы: с фокусировкой (рисунок 7) и без нее (рисунок 8).
Рисунок 7 – Оптическая система с фокусирующей системой
Рисунок 8 - Оптическая система без фокусирующей системы
Системы с фокусировкой имеют фокусирующие линзы на траектории прохождения лазерного луча, в то время как в не фокусирующих системах линзы располагаются на визирной оси.
Только система с фокусировкой может дать чёткое сфокусированное изображение светового источника на цели. Свет в системах без фокусировки рассеивается по поверхности цели в соответствии с распределением Гаусса. Так же важны характеристики поверхности цели. В этом случае хорошо подойдёт оптическая система с фокусировкой излучаемого луча, когда она четко определяет диаметр точки лазера, которая попадает на цель, на сетке нитей зрительной трубы. При использовании системы без фокусировки невозможно четко определить точку, до которой происходит измерение, так как лазерный луч точно не спроецирован на сетку нитей (рисунок 9).
Рисунок 9 - Диаметр точки лазера
Импульсный и фазовый дальномер
Электронное измерение расстояния без отражателя может быть произведено любым из двух методов: определение времени прохождения сигнала и определения сдвига фазы. Метод определения времени прохождения сигнала реализован в дальномере типа DR200+ и использует импульсный лазер. Метод определение сдвига фаз реализован в дальномере DR Standard. Оптические системы для каждого из методов различны.
Импульсный дальномер
Импульсный метод для определения расстояний использует точное определение времени прохождения импульса до цели и обратно. Импульсный дальномер генерирует много коротких лазерных импульсов в инфракрасной области спектра, которые направляются через зрительную трубу к цели. Каждый из импульсов отражается от цели и возвращается к инструменту, где при помощи электроники определяется точное время прохождения импульса до цели и обратно. Скорость прохождения света через среду может быть точно определена. Соответственно зная время прохождения, можно вычислить расстояние. Хотя импульсный метод измерения времени прохождения сигнала имеет обычно самую большую дальность измерений, но при этом используется лазер достаточно высокой мощности, излучение которого может быть вредно. Один импульс - это одно измерение расстояния, но каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов и, соответственно, путем усреднения результатов (рисунок 10) из этих измерений достигается высокая точность измерений.
Рисунок 10 - Усреднение импульсов
Иллюстрирует принцип измерений, используемый в импульсном дальномере Trimble DR200+. Как правило, в измерении используется около 20000 импульсов. Обычные импульсные дальномеры могут иметь точность, которая хуже чем у фазовых дальномеров (примерно на 10 мм), но дальномер Trimble DR200+ использует патентованный процесс обработки сигнала, достигая при этом большой дальности измерений и высокой точности.
Фазовый дальномер
Метод измерения сдвига фаз работает по принципу наложения на несущую частоту модулированного сигнала. Это подобно тому как, например, звук модулируется на несущую волну при радиотрансляции, за исключением того, что в электронном дальномере используется световой диапазон длин волн. Прибор измеряет постоянное смещение фазы, несмотря на неизбежные изменения в излучаемом и получаемом сигнале. Сначала, сравнивая фазы опорного и получаемого сигнала, определяется сдвиг фазы, но ввиду того, что не известно целое число циклов ("неоднозначность"), нет возможности сразу получить расстояние. Неоднозначность разрешается путем многократных измерений модуляции длины волны, которая обеспечивает уникальное число циклов. Если целое число циклов получено, то расстояние до цели может быть точно определено с высокой точностью.
Сравнение двух технологий
В итоге, импульсный метод использует световой импульс для непосредственного измерения расстояния, в то время как метод измерения смещения фазы использует модулированный световой сигнал. Мощность импульса в импульсных дальномерах обычно намного больше, чем мощность излучения в фазовых дальномерах. Следовательно, импульсный метод может позволить измерить большие расстояния, чем фазовый метод. Импульсный метод немногим менее точный, чем фазовый метод, но с современным процессом обработки сигнала это отличие незначительно. В практике это различие не так важно, но есть преимущество в возможности измерения больших расстояний, которое имеет импульсный дальномер. Это делает его наиболее подходящим для большинства геодезических работ. Чем больше расстояние от излучателя, тем больше будет расходиться лазерный луч (рисунок 11).
Рисунок 11 - Эффект расхождения луча
Этот принцип действует и для импульсного метода и для фазового метода, хотя размер и форма расхождения луча имеют различия (это сказывается на размере пятна на цели). Кроме того, имеются и другие различия в этих методах.
Импульсный и фазовый методы также различны в чувствительности на прерывание сигнала во время измерений. Так как импульсный метод комбинирует непосредственное измерение времени прохождения импульса и технологию Trimble обработки сигнала, то он оказывается менее чувствителен к прерыванию сигнала, чем фазовый метод. При измерении фазовым методом, прерывание сигнала приводит к нарушению подсчета целого числа циклов, т.е. будет требоваться повторное определение неоднозначности.
Фазовая технология - DR Standard, используемая в Trimble 3300 и 3600, даёт высокую точность измерений, но имеет не очень большую дальность измерений. Для облегчения работы в плохоосвещенных местах, таких, как туннели, на этих приборах установлен лазерный целеуказатель, совмещенный с осью визирования. Приборы этих серий идеально подходят для работ внутри помещений или там где не требуется измерять большие расстояния безотражательным методом. Импульсный метод, который используется в дальномере DR200+ дает возможность измерять расстояния в два - три раза больше, чем фазовый. При этом точность незначительно отличается от фазового дальномера. Тем не менее, так как точность у импульсных дальномеров составляет всего 1 млн-1, что дает ошибку в 1 мм на 100 метров, то для многих пользователей этот факт не имеет особого значения, но при этом, геодезист получает возможность проводить измерения без отражателя на достаточно большие расстояния.
Следовательно, тахеометр с дальномером типа DR200+ может быть рекомендован как наиболее практичный инструмент для выполнения работ требующих съёмки площадных и других объектов, к которым невозможно подойти на близкое расстояние, или при работе в условиях с большим содержанием пыли в воздухе.