Строительство и связанные с ним инженерные изыскания не обходятся без инженерно-геодезических работ. Здесь то и оказываются особенно полезны лазерные измерительные приборы, позволяющие более эффективно решать соответствующие задачи. Процессы, традиционно выполняемые при помощи классических нивелиров, теодолитов, приборов линейных измерений, - теперь способны показывать более высокую точность и вообще могут быть автоматизированы.
Методы геодезических измерений существенно эволюционировали с появлением лазерных геодезических приборов. Лазерный луч буквально видно, в отличие от визирной оси прибора, что делает планировочные работы при строительстве, измерение и контроль результатов более простыми. Луч определенным образом ориентируется и служит опорной линией, либо создается плоскость, по отношению к которой в дальнейшем могут проводиться измерения с помощью специальных фотоэлектрических индикаторов или посредством визуальной индикации луча.
Лазерные измерительные приборы создаются и улучшаются по всему миру. Серийно выпускаются лазерные нивелиры, теодолиты, насадки к ним, центриры, светодальномеры, тахеометры, системы управления строительными механизмами и т. д.
Так, компактные лазеры размещаются в ударопрочной и влагостойкой системе измерительного прибора, при этом демонстрируют высокую надежность работы и стабильность направления луча. Обычно лазер в таком приборе установлен параллельно его визирной оси, однако в некоторых случаях лазер монтируется в приборе так, что направление оси задается при помощи дополнительных оптических элементов. Визирная труба служит для наведения луча.
Чтобы уменьшить расходимость пучка света лазера, перед выходным отверстием луча устанавливают телескопическую систему, которая уменьшает угол расходимости пучка пропорционально своему увеличению.
Телескопическая система также помогает сформировать сфокусированный лазерные пучок на расстоянии в сотни метров от прибора. Если увеличение телескопической системы, скажем, тридцатикратное, то на расстоянии 500 м получится пучок лазера диаметром в 5 см.
Если осуществляется визуальная индикация луча, то для отсчетов применяют экран с нанесенной на него сеткой квадратов или концентрическими окружностями, а также нивелирную рейку. В этом случае точность отсчета зависит как от диаметра светового пятна, так и от амплитуды колебания луча из-за непостоянного показателя преломления воздуха.
Точность снятия отсчета можно повысить размещая в телескопической системе зонные пластины — прозрачные пластины с нанесенными на них чередующимися (прозрачными и непрозрачными) концентрическими кольцами. Явление дефракции делит луч на светлые и темные кольца. Теперь положение оси пучка может быть определено с высокой точностью.
Когда используют фотоэлектрическую индикацию, применяют фотоприемные системы разнообразных типов. Самое простое - перемещать один фотоэлемент вдоль вертикально или горизонтально установленной рейки через световое пятно, одновременно фиксируя сигнал на выходе. Погрешность при данном методе индикации доходит до 2 мм на 100 м.
Более совершенны двойные фотоприемники, например на разрезных фотодиодах, автоматически отслеживающие центр светового пучка и регистрирующие его положение в момент, когда освещенности обеих частей приемника идентичны. Здесь погрешность на 100 м доходит лишь до 0,5 мм.
Четыре фотоэлемента фиксируют положение луча по двум осям, и тогда максимальная погрешность на 100 м составляет всего 0,1 мм. Наиболее современные фотоприемные устройства умеют также выводить информацию в цифровом виде для удобства обработки полученных данных.
Большинство лазерных дальномеров, выпускаемых современной промышленностью, являются импульсными. Расстояние определяется исходя из времени, которое потребовалось лазерному импульсу для прохождения до цели и обратно. А поскольку скорость электромагнитной волны в среде измерения известна, то удвоенное расстояние до цели равно произведению этой скорости на измеренное время.
Источниками лазерного излучения в таких приборах для измерений расстояний более километра служат мощные твердотельные лазеры. В приборах же для измерения расстояний от единиц метров до нескольких километров установлены полупроводниковые лазеры. Дальнодействие подобных приборов достигает 30 километров с погрешностью в пределах долей метра.
Более точное измерение дальности достигается путем использования фазового способа измерения, когда в расчет принимается еще и разность фаз между опорным сигналом и тем, который прошел измеряемое расстояние, с учетом частоты модуляции несущей. Это так называемые фазовые лазерные дальномеры, работающие на частотах порядка 750 МГц, где используется лазер с арсенидом галлия.
Высокоточные лазерные нивелиры, применяются например при проектировании взлетно-посадочных полос. Они создают световую плоскость вращением лазерного пучка. Плоскость фокусируется в горизонтали благодаря двум взаимно перпендикулярным уровням. Чувствительный элемент перемещается по рейке, и отсчет снимается по полусумме границ области, в которой приемное устройство генерирует звуковой сигнал. Дальность действия таких нивелиров достигает 1000 м с погрешностью до 5 мм.
У лазерных теодолитов ось лазерного пучка создает видимую ось наблюдений. Она может быть направлена непосредственно вдоль оптической оси зрительной трубы прибора либо параллельно ей. Некоторые лазерные насадки позволяют использовать саму зрительную трубу теодолита как коллимирующий узел (для создания параллельных лучей — лазера и визирной оси трубы), а отсчет вести по отсчетному устройству самого теодолита.
Одной из первых выпускаемых насадок к теодолиту ОТ-02 была насадка ЛНОТ-02 с газовым гелий-неоновым лазером выходной мощностью 2 мВт и углом расходимости около 12 угловых минут.
Лазер с оптической системой фиксировался параллельно зрительной трубе теодолита, так чтобы расстояние между осью пучка и визирной осью теодолита было 10 см.
Центр перекрестия сетки теодолита совмещается с центром светового пучка на необходимом расстоянии. На объективе коллимирующей системы имелась цилиндрическая линза, разворачивающая пучок и сектор с углом раскрыва до 40 угловых минут для одновременной работы в точках, которые расположены на разной высоте в пределах доступного створа прибора.
Смотрите также: Как устроены и работают лазерные термометры