Реферат на тему:

Визначення та врахування впливу вертикальної рефракції

Рефракція – фізичне явище, яке астрономи та геодезисти вивчають впродовж
трьох століть. У зв’язку з сучасними вимогами до точності визначення
положення точок поверхні Землі проблеми визначення, врахування та
усунення впливу рефракції на геодезичні виміри набули значної
актуальності. Підвищення точності геодезичних вимірів фактично неможливе
без підвищення точності визначення рефракції.

При досліджуванні та визначенні вертикальної рефракції її поділяють на
нормальну та аномальну [1,2]

 ср. = н. – ан.ср., (1)

або

(2)

 Для визначення нормальної складової вертикальної рефракції розроблені
досить надійні методи [3].

 Визначення аномальної рефракції у термічно турбулентній атмосфері є
проблематичнішим. У термічно турбулентній атмосфері хаотичне переміщення
з прискоренням різновеликих об’ємів та елементарних частинок повітря
призводить до короткочасних просторових змін густини повітря, а,
зрештою, до зміни його показника заломлення. Проявом аномальної
рефракції є видимі коливання зображення візирної цілі, оцінювання
величини яких виконують фіксуванням положення зображення у бісекторі
сітки ниток на око. За таких умов важко гарантувати об’єктивність
визначення величини рефракції, а, тим більше, підвищити точність
вимірів.

 Досягти цієї мети можна, якщо вдатися до вимірювання рефракції
лазерного променя, який підкоряється тим же законам розповсюдження у
атмосфері, що й світловий. На відміну від коливань зображень візирної
цілі у полі зору зорової труби, лазерний промінь, а, зокрема, його слід
реально коливається у вертикальній площині. Доведено [4], що амплітуда
коливань за короткий проміжок часу дорівнює середній аномальній
рефракції за той же час.

 У практиці геодезичних вимірів застосовують лазерні геодезичні прилади,
які за точністю не поступаються високоточним оптичним, а у сукупності з
відповідними приймальними пристроями, переважають їх. У геодезичних
лазерних приладах використовують малопотужні, найчастіше газові,
наприклад, Hе-Nе лазери. Генеровані ними лазерні промені
розповсюджуються у термічно турбулентній атмосфері за тими ж законами,
що й світлові. Коливання лазерної плями ідентичне коливанню візирної
цілі.

 Величину аномальної вертикальної рефракції можна визначити, якщо на
шляху лазерного променя у фіксованій точці розташувати фотоелектричний
датчик з рухомим світлочутливим елементом. Оскільки на промінь одночасно
діють нормальна і аномальна вертикальна рефракція, частину променя для
порівняння спрямовують на фотоелектричний датчик з нерухомим
світлочутливим елементом. На практиці при контролі прямолінійності, або
відхилень об’єктів у вертикальній площині під час прецизійних
інженерно-геодезичних робіт значення величини вертикальної рефракції
можуть бути співрозмірними з відхиленням контрольованих точок, тому
потрібно враховувати її вплив.

 Поставлену задачу розв’язують у такий спосіб. Спочатку визначають
початкові, або вихідні величини відхилень контрольованих точок. Для
цього лазерним випромінювачем 1 геодезичного лазерного приладу і опорним
фотоелектричним датчиком 2 задають опорну пряму (рис.1).

Рис.1 Схема вимірювання відхилень та визначення вертикальної рефракції

Енергетичну вісь лазерного променя суміщують з центром чутливого
елемента опорного датчика.

Відліковий фотоелектричний датчик 3 встановлюють у контрольованій точці.
У конструкцію відлікового фотоелектричного датчика входить
світлоділильний елемент 4, наприклад, напівпрозора розрізна куб-призма,
який жорстко скріплений з основою датчика. Світлоділильній елемент дає
можливість фіксувати положення енергетичної осі лазерного променя
одночасно на чутливих елементах опорного і відлікового датчиків.
Чутливий елемент відлікового датчика, який розташовано перпендикулярно
до частини лазерного променя, відбитого світлоділильним елементом, може
рухатись у напрямку, що збігається з напрямком лазерного променя.
Чутливі елементи датчиків являють собою фотодіоди з двома фоточутливими
ділянками, включені в електричну схему датчика у генераторному режимі. В
автоматичному режимі чутливий елемент рухають серводвигуни, привід
включення яких під’єднано до виходу схеми.

 Ідеально було б сумістити, або встановити нулі відліків датчиків 2 і 3
коли лазерний промінь розповсюджувався б від випромінювача до датчика 2
прямолінійно. Тим не менше, нулі датчиків 2 і 3 можна встановити у ті
короткочасні проміжки часу, коли вертикальна рефракція відсутня ?ср.= 0,
тобто ?н.= ?ан..(У цей час середній аномальний градієнт температури ?ан.
= -0,0244 град/м.) Або починати вимірювання у час спокійних зображень.
Величину нормальної вертикальної рефракції визначають за наведеною вище
залежністю для ?н., для чого необхідно знати, чи виміряти температуру Т
і тиск Р.

 Після встановлення відлікового датчика у контрольованій точці при
наявності її відхилення енергетична вісь лазерного променя, що потрапляє
на чутливий елемент датчика, не збігається з його центром. Чутливий
елемент переміщують, а показами реєструючого приладу, наприклад,
мікрометричного індикатора фіксують його положення, яке відповідає
розташуванню контрольованої точки без відхилень. Таке положення
світлочутливого елемента відлікового датчика відповідає нульовому
відліку опорного датчика при умові прямолінійності опорної лінії. При
під’єднанні датчиків через блок порівняння встановлюються нулі обох
датчиків. У разі потреби вимірюють тиск і температуру у контрольованій
точці і вводять або враховують поправку за нормальну рефракцію.

Подальші виміри можна проводити під час дії аномальної рефракції та
одночасній зміні положення контрольованої точки. За таких умов досить
часто доводиться вести монтаж обладнання. Зміна положення сліду
лазерного променя на чутливому елементі відлікового датчика призводить
до фактичного розбалансування схеми фотоелектричного датчика. В
результаті включається привід серводвигунів і центр чутливого елемента
відлікового датчика відслідковує рух, або коливання енергетичної осі
лазерного променя. Крайні положення чутливого елемента відповідають
точкам максимальної амплітуди коливань променя. Оскільки у турбулентній
атмосфері максимальна амплітуда коливань променя дорівнює середній
аномальній рефракції, величини переміщень чутливого елемента від одного
крайнього положення до другого є величинами аномальної вертикальної
рефракції.

?

?

?

z ? ? O ?

??? Якщо величина аномальної вертикальної рефракції відома, то при
потребі вимірюють температуру і тиск, щоб визначити та відділити
значення нормальної вертикальної рефракції від відхилень точки.
Відхилення точки визначають відносно положення чутливого елемента, яке
було зафіксоване на першому етапі вимірювань.

 Таким чином підвищується об’єктивність визначення аномальної
вертикальної рефракції, а виміри можна виконувати, враховуючи її
значення.

 Але, оскільки, лазерний промінь є генерованим, з’являється можливість
цілеспрямованого керування ним на відміну від світлового променя. Якщо
знати закон коливання лазерної плями, або відстежити коливальний процес,
можна вплинути на положення лазерного променя у просторі.

 Пристрої, що служать для зміни напрямку, або положення променя у
просторі, у тому числі і лазерного, називають дефлекторами. Приклад
найпростішого оптичного дефлектора — призма заломлення. Складність
процесу руху променя в результаті аномальної вертикальної рефракції
потребує розробки складних засобів керування променем. Це пов’язано з
відстежуванням руху променя, перетворення та передачі інформації на
пристрій, що керує променем.

 На рис.2 наведена принципова схема визначення рефракції лазерного
променя у термічно турбулентній атмосфері та усунення впливу її.

 На виході променя з випромінювача 1 геодезичного лазерного приладу
встановлено напівпрозорий світлоділильний елемент 2. Частина лазерного
випромінювання, що пройшла через світлоділильний елемент, направляється
на відліковий датчик 3, який відіграє роль візирної цілі. Частина
відбитого випромінювання направляється світлоділильним елементом на
опорний датчик 4, який розташовано у безпосередній близькості від
випромінювача, наприклад, він може бути в одному блоці із
світлоділильним елементом. В усякому випадку, віддаль від датчика 4 до
лазерного променя, що вийшов з випромінювача, є такою короткою, щоб не
позначався вплив рефракції. Нулі датчиків 3 і 4 встановлюють за тих же
умов, що й у попередньому випадку.

 Аномальну вертикальну рефракцію визначають згідно відстежування руху
сліду лазерного променя по відліковому датчику 3. Система відстежування,
що виконана, наприклад, на основі серводвигунів, рухає світлочутливий
елемент датчика услід за переміщенням енергетичної осі лазерного
променя, фіксуючи амплітуду та частоту його переміщень. Ці параметри
передаються на систему управління дефлектора 5, який встановлено на
виході променя з світлоділильного елемента 2. Згідно з інформацією про
амплітуду та частоту коливань, дефлектор,працюючи у протифазі, вирівнює
коливання променя. Промінь стає короткочасно нерухомим, незалежно від
турбулентності атмосфери. Внаслідок дії вертикальної рефракції
енергетична вісь променя не буде збігатися з центром світлочутливого
елемента датчика 3 при нульовому відліку, тобто з’явиться різниця

показів відлікового 3 та опорного 4 датчиків, яку фіксують за допомогою
блоку порівняння 6. Різниця відліків опорного 4 та відлікового 3
датчиків відповідає різниці вертикальних рефракцій, або величині
вертикальної рефракції.

 Для прикладу конкретного схемного рішення з метою реалізації принципу
усунення впливу вертикальної рефракції у турбулентній атмосфері дл
відстежування руху енергетичного центру лазерної плями застосовано
квадрантний масив фотодіодів, наприклад, ФДК-142. Оскільки необхідно
відстежувати рух по вертикалі, квадранти були з’єднані між собою
попарно. Фотодіод під’єднано на вхід балансового або різницевого
підсилювача, який дає можливість досягти повної симетрії відносно
оптичних входів. Схемне рішення визначення аномальної рефракції у
попередньому випадку принципово не відрізняється від описуваного.

 Робота балансового підсилювача пояснена на схемі (рис.3).

 Коли лазерний промінь нерухомий, його енергетична вісь розташовується
на центральній лінії фотодіода, а обидві його півколові ділянки
освітлюються з однаковою інтенсивністю. Електричні сигнали, що йдуть від
кожної з ділянок, також однакові. Ці сигнали є вхідними для схеми
балансового підсилювача. Якщо зміни вхідних електричних сигналів від
фотодіода однакові Uвх1= Uвх2, тобто вони збігаються за фазою і однакові
за амплітудою, вихідний сигнал Uвих прямує до нуля. Це спостерігається у
тому випадку, коли енергетична вісь випромінювання збігається з
центральною лінією фотодіода. Коли енергетична вісь внаслідок руху
променя, що коливається, не збігається з центральною лінією, півколові
ділянки фотодіода освітлюються з різною інтенсивністю Uвх1? Uвх2, а Uвих
приймає різні значення за величиною. Величина сигналу Uвих подається на
магніто-електричну основу дзеркального оптико-механічного дефлектора. В
залежності від величини Uвих, тобто в залежності від коливань лазерної
плями, магніто-електричний привід змінює кут нахилу відбивача, який
повертає промінь до положення, коли його енергетична вісь збігається з
центральною лінією фотодіода, а Uвих?0.

 Запропоноване схемне рішення являє собою варіант принципової схеми
визначення та усунення впливу вертикальної рефракції, зокрема, її
аномальної складової. Роздільна здатність схеми не гірша від 0,1мм.
Оптико-механічний дефлектор є одним з конструктивних варіантів
досліджуваних дефлекторів дл вивчення вертикальної рефракції у термічно
турбулентній атмосфері. Перспективними для цієї ж мети можна вважати
конструкції магнітно-електричних або п’єзоелектричних дефлекторів у
комбінації їх з оптико-механічними.

Література

О.Мороз, А.Островський. Прогнозування вертикальної рефракції. Вісник
геодезії та картографії. Київ, 1999, №1 ст.14-18.

О.Мороз. До питання рефракції в термічно турбулентній атмосфері.
Інженерна геодезія. Київ, 2000, №43 ст.157-163.

Учет атмосферных влияний на астрономо-геодезические измерени .
//А.Л.Островский, Б.М.Джуман, Ф.Д.Заблоцкий, Н.И.Кравцов,- М.:
Недра,1990.-235с.

O.Moroz , A.Ostrovskij. Generalized theory of refraction and turbulence.
Reports of geodesy. Warsaw university of technology. Рroceedings of the
EGS symposium G12. «Geogetic and geodynamic programmes of the CEJ
(Central Europian Initiative)».

Nice, France, 24-29 april 2000, № 6(52), 2000, s.217-226.

Похожие записи