УКД. 622.5
К стабильности построения опорного направления лазерного излучения в условиях Казахстана.
Д.т.н., профессор Нуржумин Е.К., к.т.н., доцент Аукажиева Ж.М.
г.Астана., КазАТУ им. С.Сейфуллина
Ориентирование пучка лазерного излучения в плане и по высоте с помощью геодезических лазерных приборов производится при контроле точности строительных конструкций.
Построение опорной линии производится двумя способами: по двум предварительно закрепленным точкам; построением проектного уклона с помощью отчетных приспособлений (1).
Построение опорной линии первым способом производится следующим образом.
На продолжении створа точек установливают лазерный геодезический прибор; на дальней точке створа–марку–экран. Лазерный пучок наводят на центр экрана. Устанавливают марку – экран на ближней точке и наблюдают, совпадает ли центр лазерного пучка с центром марки.
Марки устанавливают на одной высоте над точками. Если центр лазерного пучка не совпадает с центром ближайщей марки, то прибор смещают перпендикулярно створу по поверхности штатива и операцию повторят до тех пор, пока центр лазерного пучка не совпадает с центрами марок на ближней и дальней точках створа. Для ускорения процесса построения опорной линии на ближней точке можно устанавливать полупрозрачный экран.
Анализ точности постоения створа вышеуказанными способами выполнен автором работы и предельная погрешность ориентирования пучка лазерного излучения составляет «11». Полученная погрешность более чем в два раза меньше допустимой.
Точность ориентирования опорной линии по высоте при помощи лазерных геодезических приборов зависит от различных факторов и определяется по следующей формуле:
m1 mH2 my2 mодн2 mp2mo2,
где: mH - погрешность построения проектной отметки от реперов высотного обоснования;
my - погрешность установки марки в конечных точках;
mодн- погрешность из – за влияния угловой нестабильности оси диаграммы направленности лазера;
mpпогрешность из – за влияния рефракции на лазерный пучок;
moпогрешность отсчитывания.
Построение проектной отметки от реперов высотного обоснования обеспечивается нивелированием ІІІ класса. Погрешность передачи составляет mh 0,2мм.
В связи с тем, что приборы новой конструкции, то появилась необходимость выполнить исследования по определению угловой нестабильности оси диаграммы направленности (ОДН) лазера.
Погрешности из – за угловой нестабильности (ОДН) лазера оусловлена в основном тепловыми деформациями его конструктивных элементов.
Тепловые деформации корпуса лазера приводят к смещению зеркал резонатора и к смещению его оптической оси. Характер смещений оптической оси зависит от типа резонатора, а также материала из которого изготовлен корпус лазера. Поэтому величина погрешности из – за угловой нестабильности ОДН лазера для каждого прибора имеет свои значения.
Исследования стабильности ОДН лазер ЛГ-72-3 проводилась по методике, изложенной в работе (2). После 30минут с момента включения прибора процесс несколько стабилизируется, и величина погрешности из – за угловой нестабильности ОДН лазера не превышает «2».
Погрешность «mр» из – за вляния рефракции учесть на практике довольно сложно, так как она зависит от целого ряда факторов:
состояния атмосферы, виды подстилающей поверхности, высоты лазерного пучка и т.д. Для уменьшения влияния mр на точность выполнения работ целесообразно пропускать лазерный пучок внутри турбопровода, совмещая его с проектной осью. Исследования, выполненные автором показали, что средние квадратические отклонения, вызванные турбулентностью в трубопроводе составили «3».
В настоящее время, довольно широко и полно изучены вопросы, связанные с влиянием рефракции на точность выполнения отдельных видов геодезических измерений.
Детальный обзор исследований рефракции в земной атмосфере выполнен И.Г.Колчинским.
Следует отметить, что работы по исследованию земной рефракции в вертикальной плоскости относятся к геометрическому нивелированию, измерению расстояний оптическими дальномерами и геодезическому нивелированию на больших и малых расстояниях.
Нивелирование на малых расстояниях сходно с методикой применения лазерного пучка при строительстве трубопроводов. Как показали исследования основного источника ошибок геодезического нивелирования (вертикальной рефракции), измерения должны начинать не раньше, чем через три часа после восхода солнца и заканчивается не позднее, чем за три часа до его восхода.
Все отмеченные выше исследования проводились применительно к визуальным способам измерений и не учитывались особенности влияния приземного слоя атмосферы на распространяющийся в нем пучок лазерного излучения. Известно, однако, что действие внешней среды в
этом случае имеет свою специфику, обусловленную высокой степенью когерентности, направленности, плотности и поляризованности лазерного пучка.
Специфика действия атмосферы на пучок лазерного излучения рассмотрена в геодезической латературе недостаточно полно. Имеющиеся сведения о влиянии вертикальной рефракции на точность «лазерных»
способов измерений немногочисленны, противоречивы и часто носят лишь качественный характер. Автор сравнивает кривые изменяемости рефракции для «белого» света и лазерного пучка и приходит к выводу, что лазерное излучение подвержено большему преломлению при прохождении через атмосферу по сравнению с обычным рассеянным светом. В этой же работе автор делает ссылку, что величина коэффициента рефракции зависит от длины волны источника излучения.
Определяя влияние атмосферы на законы распространения в ней пучка лазерного излучения исследователи, как правило, разделяют изучаемые явления на несколько групп, каждая из которых рассматривается самостоятельно и учитывает конкретные применения лазеров.
При исследовании влиянии внешней среды на точность геодезических измерений, все явления, обусловленные действиями атмосферы подразделяются на две группы. К первой группе относятся явления не связанные с турбулентностью:
а) ослабление интенсивности ПЛИ (затухание) в результате поглощения газовыми компонентами и аэрозольными частицами;
б) ослабление излучения вследствие рассеивания на флуктуациях плотности и рассеяния аэрозольными частицами;
в) образование фоновых засветок;
искривление траектории (рефракции).
Ко второй группе относятся явления, обусловленные турбулентным характером приземного слоя атмосферы:
а) случайные изменения интенсивности
б) нарушение когерентности и состояния поляризации;
в) случайные изменения диаграммы направленности;
г) случайные изменения направления распространения.
В Германии ведутся обширные исследования рефракции лазерного излучения. В этих работах описаны методики выполнения исследований с целью выявления рефракционных искажений на точность измерений с помощью лазерных геодезических приборов. На основании полученных результатов делаются выводы о характере и величине влияния рефракции на стабильность положения лазерного пучка в приземном слое атмосферы.
При использовании пучка лазерного излучения в качестве опорной линии при производстве геодезических работ важнейшим является обеспечение стабильности направления распространения лазерного пучка во времени. Одной из причин, вызывающих нестабильность пучка
лазерного излучения, является нагрев прибора под действием солнечных лучей и рефракция.
В связи с этим были выполнены специальные исследования на территории Казахстана (где летом обычно температура достигает +40Си выше), целью которых явилось определение степени влияние лазерного пучка и рефракции на точность геодезических измерений при высокой температуре окружающей среды.
Для этих целей на стройплощадке был закреплен базис длиной 100м с промежуточными точками через 10м, которые закреплялись металлическими штырями. Лазерная приставка устанавливалась в начальной точке и брались отсчеты по рейке с уровнем на остальных точках базиса при горизонтальном положении лазерного пучка.
Наблюдения велись в дневное времяс интервалом в 1 час с одновременным измерением температуры воздуха.
Математическая обработка результатов измерения была выполнена с применением современных вероятностно – статистических методов.
Исследования показали, что лазерные геодезические приборы можно использовать в условиях Казахстана.
Литература:
1. В.В.Грузинов и др. Лазерные геодезические приборы в строительстве. Москва, «Недра», 1977.
2. Игильманов Ж.А., Ким А.Ю. Применение лазерных приборов в строительстве. «Геодезия и картография», М.1985г. №1.