RU2382985C2

RU2382985C2 - Method for detection of averaged values of air refraction index, angles of side and vertical refraction and device for its realisation

Info

Publication number: RU2382985C2
Application number: RU2007141188/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евлампиевич Дементьев (RU); Виктор Евлампиевич Дементьев; Дмитрий Викторович Дементьев (RU); Дмитрий Викторович Дементьев
Original assignee: Виктор Евлампиевич Дементьев; Дмитрий Викторович Дементьев
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2010-02-27
Also published as: RU2007141188A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention is related to geodesic instrument making, in particular, to methods and devices for geodesic measurements. Substance of invention consists in the fact that detection of averaged values of air refraction index, angles of side and vertical refraction is carried out on the basis of measurement of fluctuation of horizontal and vertical components of arrival angle fluctuation in focal plane of receiving lens due to pulsations of atmosphere refraction index. Simultaneously, length of track is measured, as well as values of meteorological elements in one or several points on track. Then taking into account length of track and measured values of meteorological elements, values of refraction index and angles of side and vertical refraction are calculated as averaged for the whole track. Device for detection of averaged values of air refraction index, angles of side and vertical refraction comprises laser for homing at target, receiving lens, downstream which there is a beam splitter installed, and photodetector is installed in focal plane, which is arranged in the form of quadrant detector (CCD matrix) and connected via coupling unit to processor.

EFFECT: simplified method and design of device.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к геодезическому приборостроению, в частности к способам и устройствам для геодезических измерений.The invention relates to geodetic instrumentation, in particular to methods and devices for geodetic measurements.

Известен способ определения показателя преломления, боковой и вертикальной рефракции при геодезических измерениях, заключающийся в измерении метеорологических элементов (давления Р, температуры Т, влажности е воздуха и их градиентов в одной (двух) точках трассы) и на основании этих данных вычислении значения показателя преломления и углов боковой и вертикальной рефракции [1].A known method for determining the refractive index, lateral and vertical refraction during geodetic measurements, which consists in measuring meteorological elements (pressure P, temperature T, humidity e of air and their gradients at one (two) points of the route) and based on these data, calculating the value of the refractive index and angles of lateral and vertical refraction [1].

Недостатком данного способа является то, что не учитывается неоднородность атмосферы и показателя преломления, который изменяется случайным образом во времени и пространстве, поэтому полученные таким образом значения показателя преломления воздуха n₁ (n₂) в одной точке (или в двух точках трассы), не позволяют оценить среднее значение показателя преломления для всей трассы

или

, а горизонтальные и вертикальные градиенты показателя преломления, определенные в одной или двух точках трассы, не равны среднему значению этих градиентов для всей трассы, т.е.

Поэтому углы боковой и вертикальной рефракции, вычисленные на основании измерения метеоэлементов и их градиентов, не являются представительными для всей трассы. Для строгого решения этой задачи необходимо знать распределение метеоэлементов и их градиентов вдоль всей трассы распространения электромагнитной волны. Для этой цели необходимо измерить температуру, давление, влажность и их градиенты в каждой точке трассы, что практически не выполнимо.The disadvantage of this method is that it does not take into account the inhomogeneity of the atmosphere and the refractive index, which varies randomly in time and space; therefore, the values of the refractive index of air n ₁ (n ₂ ) thus obtained at one point (or at two points on the path) are not allow us to estimate the average refractive index for the entire path

or

, and the horizontal and vertical gradients of the refractive index, determined at one or two points of the path, are not equal to the average value of these gradients for the entire path, i.e.

Therefore, the angles of lateral and vertical refraction, calculated on the basis of measurements of meteorological elements and their gradients, are not representative of the entire path. For a rigorous solution to this problem, it is necessary to know the distribution of weather elements and their gradients along the entire propagation path of the electromagnetic wave. For this purpose, it is necessary to measure temperature, pressure, humidity and their gradients at each point of the route, which is practically not feasible.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дисперсионный способ определения среднего значения показателя преломления и рефракции [2].The closest in technical essence and the achieved result is the dispersion method of determining the average value of the refractive index and refraction [2].

Сущность этого способа заключается в том, что при измерениях в начальной точке трассы устанавливают приемопередатчик, содержащий лазер (два лазера), излучающий на длинах волн λ₁ и λ₂, а в конечной точке - отражатель, от которого отраженный сигнал вновь поступает в приемопередатчик. При этом измеряют длину трассы L и разность оптических путей двух длин волн света ΔL, а также дисперсию рефракции Δr, по которым определяют среднее значение показателя преломления и рефракцию для всей трассыThe essence of this method is that when measuring at the starting point of the path, a transceiver is installed containing a laser (two lasers) emitting at wavelengths λ ₁ and λ ₂ , and at the end point, a reflector, from which the reflected signal again enters the transceiver. In this case, the path length L and the difference of the optical paths of the two light wavelengths ΔL, as well as the dispersion of refraction Δr are measured, which determine the average value of the refractive index and refraction for the entire path

Недостатком этого способа являются высокие требования точности к разности измерения оптических путей ΔL и дисперсии рефракции Δr.The disadvantage of this method is the high accuracy requirements for the difference in the measurement of optical paths ΔL and refraction dispersion Δr.

Например, чтобы определить этим способом

с точностью 10^-7, используя длины волн λ₁=0,44 мкм и λ₂=0,63 (гелиево-кадмиевый и гелиево-неоновый лазеры), необходимо измерить разность оптических путей с ошибкой не более 0,05 мм на трассе протяженностью 10 км. А для определения угла рефракции с точностью 1" необходимо измерять дисперсию рефракции Δr с точностью порядка 0,02". Приборы, реализующие дисперсионные способы измерения усредненных значений показателя преломления и рефракции, очень сложны и дорогостоящи и практически не могут работать в условиях турбулентной атмосферы. По этим причинам данные устройства до настоящего времени находят крайне ограниченное применение.For example, to determine in this way

with an accuracy of 10 ^-7 , using wavelengths λ ₁ = 0.44 μm and λ ₂ = 0.63 (helium-cadmium and helium-neon lasers), it is necessary to measure the difference in optical paths with an error of not more than 0.05 mm along a path length 10 km And to determine the angle of refraction with an accuracy of 1 "it is necessary to measure the dispersion of refraction Δr with an accuracy of the order of 0.02". Devices that implement dispersion methods of measuring the average values of the refractive index and refraction are very complex and expensive and practically can not work in a turbulent atmosphere. For these reasons, these devices are still finding very limited use.

Целью изобретения является упрощение способа и устройства определения усредненных значений показателя преломления воздуха, боковой и вертикальной рефракции.The aim of the invention is to simplify the method and device for determining the average values of the refractive index of air, lateral and vertical refraction.

Указанная цель достигается тем, что пучок лазерного излучения наводят на визирную цель и измеряют горизонтальную и вертикальную составляющие флуктуаций угла прихода в фокальной плоскости приемного объектива вследствие пульсаций показателя преломления атмосферы. Кроме того, измеряют температуру и давление воздуха в одной или нескольких точках трассы. Полученные результаты используют для вычисления усредненных для всей трассы значений показателя преломления, а также боковой и вертикальной рефракции.This goal is achieved by the fact that the laser beam is aimed at the target and measure the horizontal and vertical components of the fluctuations of the angle of arrival in the focal plane of the receiving lens due to pulsations of the refractive index of the atmosphere. In addition, temperature and air pressure are measured at one or more points on the route. The results are used to calculate refractive index values averaged over the entire path, as well as lateral and vertical refraction.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема устройства для определения усредненных значений показателя преломления, а также боковой и вертикальной рефракции.The invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of a device for determining the average values of the refractive index, as well as lateral and vertical refraction.

Устройство представляет собой роботизированный электронный тахеометр, содержащее лазер (на чертеже не показан) для наведения на визирную цель 1 и зрительную трубу 2 с приемным объективом 3, установленную по ходу луча светоделительную пластинку 4 и далее квадрант-детектор (ПЗС матрицу) 5, состоящий из четырех фотодиодов, каждый из которых через блок сопряжения 6 подключен процессору 7.The device is a robotic electronic total station containing a laser (not shown) to aim at the target 1 and the telescope 2 with a receiving lens 3, a beam splitter plate 4 and then a quadrant detector (CCD) 5, consisting of four photodiodes, each of which is connected to the processor 7 through the interface unit 6.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Пучок лазерного излучения наводят на визирную цель 1, измеряют горизонтальную и вертикальную составляющую амплитуды колебаний пучка в фокальной плоскости приемного объектива 3 (флуктуаций угла прихода), вызываемых пульсациями показателя преломления. Производят вычисления среднеквадратического значения горизонтальной и вертикальной составляющей флуктуаций угла прихода и находят усредненное для всей трассы значение показателя преломления, а также значения угла вертикальной и боковой рефракции.The laser beam is directed at the target 1, the horizontal and vertical components of the amplitude of the beam oscillations in the focal plane of the receiving lens 3 (fluctuations in the angle of arrival) caused by pulsations of the refractive index are measured. The mean square values of the horizontal and vertical components of the fluctuations of the angle of arrival are calculated and the refractive index averaged over the entire path is found, as well as the values of the angle of vertical and lateral refraction.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При выполнении операции автоматического визирования отраженный от цели 1 световой сигнал попадает в объектив 3 и, отразившись от светоделительной пластинки 4, попадает на квадрант-детектор 5 (или ПЗС матрицу). Устройство сопряжения 6 преобразует сигналы с фотодиодов в дискретную форму, выбирает горизонтальную и вертикальную составляющие сигнала, формирует их и подает на вход процессора 7, который вычисляет среднее квадратическое значение флуктуации горизонтальной и вертикальной составляющей угла прихода, по которым с учетом длины трассы и значений метеоэлементов, измеренных в одной (нескольких) точках трассы, находит усредненные значения показателя преломления, а также углы вертикальной и боковой рефракции для всей трассы.During the automatic sighting operation, the light signal reflected from the target 1 enters the lens 3 and, reflected from the beam splitter plate 4, enters the quadrant detector 5 (or CCD matrix). The interface device 6 converts the signals from the photodiodes into a discrete form, selects the horizontal and vertical components of the signal, generates them and feeds the processor 7, which calculates the mean square fluctuation of the horizontal and vertical components of the angle of arrival, according to which, taking into account the length of the path and the values of the weather elements, measured at one (several) points of the path, finds the average values of the refractive index, as well as the angles of vertical and lateral refraction for the entire path.

Источники информацииInformation sources

1. Учет атмосферных влияний на астрономо-геодезические изменения. Под редакцией Островского А.Л., М.: Недра, 1990, стр.207-210.1. Consideration of atmospheric influences on astronomical and geodetic changes. Edited by Ostrovsky A.L., M .: Nedra, 1990, pp. 207-210.

2. Там же, стр.65, 66 (прототип).2. Ibid., P. 65, 66 (prototype).

Claims

1. The method of determining the average values of the refractive index of air, the angles of lateral and vertical refraction, which consists in the fact that the laser beam is aimed at the target and receive the reflected signal, which is then processed together with the measurement results of meteorological elements (temperature, pressure, humidity) in one or several points of the path, on the basis of which average values are obtained for the entire path of the refractive index, characterized in that after pointing the laser beam from the target from measure the horizontal and vertical components of the amplitude of oscillations of this beam in the focal plane of the receiving lens (fluctuations in the angle of arrival), which, taking into account the length of the path and the measured values of the weather elements at one (several) points of the path, calculate the average values of the refractive index and the angles of the side and vertical refraction.

2. A device for determining the average values of the refractive index of air, angles of lateral and vertical refraction, containing a laser for aiming at the target (reflector), transceiver optics and a photodetector, characterized in that a beam splitter is installed after the receiving lens and a photodetector is installed in the focal plane, made in in the form of a quadrant detector (CCD matrix) and connected through the interface unit to the processor.