Почему геодезические отражатели и призмы Leica Geosystems такие качественные и дорогие?

Введение

Геодезические отражатели – это важные аксессуары, используемые для решения различных задач. Зачастую геодезисты недостаточно хорошо понимают, как важно купить хорошую геодезическую призму, не придавая значения тому влиянию, которое отражатели оказывают на точность проводимых измерений. Тем не менее, чтобы достигнуть определенной точности, необходимо принимать во внимание все возможные детали, которые оказывают влияние на точность измерений. Высокий акцент обычно ставится на технические характеристики и точность тахеометра. Слишком часто роли геодезических аксессуаров не уделяется достаточного внимания. Для решения некоторых задач порой достаточно сантиметровой 3D-точности. Но остальные задачи зачастую требуют намного более высоких точностей. Например, наблюдения за деформациями или выравнивание движения машин. Для решения таких задач необходим углубленный анализ влияния и обработки потенциальных источников ошибок.


В этой статье обобщены ключевые факторы, которые могут повлиять на измерения – как на расстояния, так и на угловые измерения. Точность центрирования и точность наведения визирной оси геодезических инструментов - это два фактора, которые могут оказать большое влияние на качество измерений. Игнорирование этих двух показателей обычно приводит к снижению качества геодезических измерений.

При производстве всех отражателей Leica Geosystems всегда учитываются эти два важных фактора. На основе совершенных технологий производства, строгого соблюдения процесса сборки и контроля качества отражатели Leica Geosystems значительно отличаются от отражателей других производителей. Рисунок 1 показывает три основных фазы измерения расстояний: возникновение сигнала, прохождение сигнала через атмосферу к отражателю и отражение сигнала. Важным моментом является то, что излучаемый сигнал EDM должен быть отражен обратно на приемник EDM. В этом и заключается роль геодезического отражателя. Особенности прохождения луча более детально описаны ниже.

Рисунок 1. Различные стадии измерения расстояния 

Данный документ подразделяется на три основных раздела: 

Характеристики отражателя – фокус на геометрии и постоянных отражателей 

Возникновение сигнала и его путь – описание излучения и распространения сигнала EDM

Отражение сигнала – влияющие факторы: точность центрирования; отклонение пятна, вызванное положением отражателя; отражающее и антиотражающее покрытие для нормальной длины волны; качество стекла и расположение линии визирования. 

Характеристики геодезических отражателей

Существуют два основных свойства отражателей, качество которых не измеряется. Первое – это тип отражателя и его геометрия: это может быть отражатель 360°, который отражает сигналы во всех направлениях или же классическая круглая призма, которая должна быть повернута к инструменту. Второе важное свойство – это постоянная призмы. 

Рисунок 2. Геодезические отражатели Leica Geosystems.

В целом постоянная призмы – это константа. И до тех пор, пока она учитывается во время измерений, не следует ожидать какого-либо влияния на результаты. Постоянная призмы может отличаться в зависимости от отражателя. Она определяет отношение измеренного расстояния к механической опорной точке призмы. При решении различных задач могут использоваться различные типы призмы – от высокоточной круглой призмы, призмы 360° до маленькой круглой призмы. Поэтому очень важно не забывать учитывать описанные выше свойства.

Геометрия геодезической призмы. Круглые призмы. 

Обычно большинство геодезических задач решаются с использованием круглых призм (Рисунок 3). Высокоточные измерения, которые требуют соблюдения жестких допусков обычно также проводятся с использованием круглых призм. Отражатели 360° были разработаны не так давно в основном для работы с роботизированными инструментами. В настоящее время чаще используют механические приборы совместно с круглыми призмами, чем роботизированные с призмами 360°. Круглый геодезический отражатель производят путем шлифования углов стеклянного куба, что создает три общие ортогональные поверхности, которые отражают световые лучи обратно к их источнику.

Рисунок 3. Круглая призма, состоящая из круглого корпуса и стеклянной отражающей поверхности, показанная с различных сторон.

В портфолио компании Leica Geosystems представлены модели для решения всех геодезических задач – просто нужно выбрать нужный отражатель, опираясь на техническую информацию. Все круглые призмы и держатели Leica Geosystems (GPH1P, GPR121, GPR1, and GPH1) имеют одинаковый диаметр 62 мм. Этот размер используется для обеспечения эффективного использования оптики приемника (диаметр призмы регулируется относительно диаметра телескопа, включая допуски). На рисунке 3 показана разобранная круглая призма (GPR1 + GPH1- держатель) с разных ракурсов. С тех пор как используется технология EDM, компания Leica Geosystems предлагает различные круглые призмы для работ, требующих различной точности: от мониторинговых отражателей до классических круглых призм, используемых в топографии. 

Геометрия геодезической призмы. Призмы 360°.

В роботизированных тахеометрах Leica Geosystems используется технология автоматического распознавания цели (ATR) и технология автоматического захвата цели. Эти технологии удобнее всего использовать с призмами, которые могут отражать сигнал во всех направлениях, чтобы позволить оператору на вешке избежать необходимости постоянно разворачивать призму по направлению к инструменту. Принцип работы призмы 360° такой же как и круглой призмы – отражение сигнала EDM обратно на приемник инструмента. Тем не менее, она состоит из шести трехпризменных элементов, собранных между собой по запатентованной технологии; каждый из компонентов сравним с одной круглой призмой, но отличается по размерам, технологии производства и форме (Рисунки 4 и 5).

Постоянное отражение сигнала EDM является очень важным аспектом при работе с роботизированными геодезическими инструментами, который позволяет всецело реализовать преимущества таких инструментов. Когда работает лишь один оператор, ему необходимо концентрироваться на снимаемых точках, а не постоянно разворачивать призму по направлению к линии визирования. 

Рисунок 4. Призма 360° производства компании Leica Geosystems (GRZ122)

Этого можно достичь с помощью одного из отражателей Leica Geosystems: 

GRZ4 - классический отражатель 360°; 

GRZ122 - отражатель 360° c винтовой резьбой для GNSS-антенны ; 

GRZ101 - мини-отражатель 360° для коротких расстояний; 

MPR121 - отражатель 360°, предназначенный для использования в дорожном строительстве.

Недостатки отражателей 360°- это относительно большие вес и размер. Тем не менее, значительное увеличение продуктивности при использовании роботизированных инструментов (в т.ч. ATR или захват цели) при работе одного исполнителя совместно с поддержкой SmartAntenna, делает эти призмы незаменимым аксессуаром для эффективной работы. Использование инструментов Leica Geosystems совместно с призмами 360° Leica Geosystems позволяет достигнуть максимальной производительности – точность 2 мм или выше вместе с максимальной скоростью выполнения задачи.

Рисунок 5. Составляющие элементы призмы 360° 

Постоянная призмы

Всякий раз, когда производятся измерения на геодезический отражатель, независимо от того, что измеряется: расстояние или угол, они должны производиться между двумя точками – осью инструмента и снимаемой точкой. Поэтому важно рассмотреть механическую конструкцию корпуса отражателя и монтажного штифта, чтобы гарантировать четкую привязку центра отражателя (оси призмы) к обозначенной точке (обычно вторая точка, находящаяся на центральной оси прибора).

Определение постоянной призмы: Большинство призм по-прежнему изготавливают из стекла. Стекло имеет отличный от воздушной среды коэффициент преломления. Скорость распространения электромагнитной волны, когда она входит в стеклянное тело призмы замедляется, в результате чего фактически измеренное расстояние увеличивается. Для всех световых пучков, перпендикулярных телу призмы, длина оптического пути (см. Рис. 6) накапливается до:

W = n · d (1) где d - расстояние от передней поверхности призмы до угловой точки тройной призмы (см. рис. 6) 

n - коэффициент рефракции тела призмы 

W - расстояние от передней поверхности призмы до теоретической точки поворота S0

d - геометрическое расстояние от передней поверхности до угловой точки призмы. 

Параметр W определяется расстоянием между теоретической точкой поворота S0 и поверхностью призмы (Рис. 6). Ось отражателя расположена перед теоретической точкой разворота S0. Чтобы связать измерения с осью призмы (расстояние e - расстояние от центральной точки до поверхности призмы) обычно применяется константа призмы KR. Другие производители обычно используют следующую формулу: KR = e − n·d (2), где KR - константа призмы (не используется компанией Leica Geosystems); ; Основываясь на определении, упомянутом выше, константа стандартной призмы Leica Geosystems KR = -34,4mm. В Leica Geosystems это определяют как KLeica= 0mm. Очень важно понимать различия между этими двумя понятиями. Электронная система измерения расстояний в инструментах Leica Geosystems уже учитывает это смещение.

Положение оси призмы: EDM – измерения должны проводиться относительно оси отражателя. Leica Geosystems устанавливает отражатели таким образом, чтобы минимизировать влияние на угловые и дальномерные измерения, в случае если при измерениях тело призмы не перпендикулярно линии визирования. Ось отражателя совпадает с центрально-симметричной точкой (или виртуальным центром) тела призмы (см. Рис. 6). Например, у отражателей Leica Geosystems (GPH1P и GPR121), ось расположена перед геометрическим центром призмы (задний угол стеклянного куба), но помещается в центр призмы. Тем самым минимизируется возникающее расстояние между истинным центром и кажущимся центром (если линия визирования не перпендикулярна телу призмы). Эта конструкция была специально выбрана для того, чтобы обеспечить независимое от угла определение KR для отражателей Leica Geosystems. Следовательно, отклоненная призма оказывает минимальное влияние на измерения углов и расстояний. В том случае, если свет (волна) попадает на переднюю поверхность не перпендикулярно, а под углом, то путь луча далее расширяется и, следовательно, создается ошибка измерения расстояния delta d (delta AC):

delta d = e (1 - cosA) - d (n - n 2 - sin2 A) Где A - угол падения линии визирования на переднюю поверхность призмы.

Например, для отражателя с характеристиками e = 40mm, d = 60mm и n = 1.5, константа призмы KR = - 50 mm. Допустим, что угол между осью визирования и телом призмы составляет 30°, тогда ошибка измерения расстояния составит d = 0.1 mm.  

Ошибка измерения расстояния из-за неточного выставления призмы относительно оси визирования обычно незначительна. Тем не менее, точная установка отражателя относительно линии визирования по-прежнему строго рекомендуется для того, чтобы достигнуть максимально точных и достоверных результатов. Кроме того, константа призмы зависима от длины волны распространяемого сигнала, потому что сигналы с различной длиной волны по-разному распространяются в стеклянной среде. Используя высококачественное стекло и точную сборку призмы, наряду с точным определением показателя преломления, Leica Geosystems обеспечивает высоконадежные константы призм и незначительные изменения на протяжении всего срока использования призм.

Рисунок 6. Тело призмы в разрезе

Возникновение сигнала и его путь

В начале измерения расстояния геодезический прибор излучает лазерный луч, на который, в свою очередь, оказывают воздействие условия окружающей среды во время измерения расстояния.  

Однако любые осложнения, возникающие при создании сигнала или во время движения луча, влияют на количество (интенсивность) света, поступающего на призму, и не являются факторами, влияющими на конкретную используемую модель. Основываясь на этой информации, разберем более детально, сколько сигнала действительно доступно для ретро-отражения от призмы. Диапазон измерения расстояния сильно зависит от количества энергии, излучаемой источником лазера. Излучаемый лазерный луч подвергается воздействию нескольких факторов, главным из которых является атмосфера. Пропускаемость инфракрасных (видимых) сигналов уменьшается из-за поглощения энергии пылью, молекулами воздуха и каплями воды. Во-вторых, направление луча EDM должно быть точно откалибровано - чтобы минимизировать оставшийся угол расхождения (Рис. 7):

Рисунок 7: Пример расходимости пучка после излучения из телескопа.

Например, угол = 5 ' (средний для современного прибора) дает расхождение в 41,5 м2 на расстоянии 5 км. Данная призма (например 5 см) обеспечивает поверхность отражения 0,002 м2 - которая составляет 1/20000 испускаемого сигнала. В свою очередь, только часть сигнала будет получена EDM приемником. Но важно понимать, что эта отражающая поверхность является оптимальной для отражения сигнала EDM. Большая призма не увеличит максимально измеряемое расстояние. Почему? Оптика приемника может обрабатывать отраженный сигнал только в пределах заданного диаметра – большая призма, несомненно, будет способствовать увеличению количества сигнала, но и большая часть сигнала будет проходить мимо приемника. Однако использование нескольких отражателей (предпочтительно одного и того же размера / модели) увеличило бы количество возвращаемого сигнала, а, следовательно, диапазон измерения расстояния также мог бы увеличиться. Использование измерительной системы, состоящей из компонентов Leica Geosystems, гарантирует, что мощность сигнала, характеристики и дизайн призмы соответствуют друг другу и обеспечивают максимальную производительность. Таким образом, становится легче соблюсти требуемую точность.

Отражение сигнала. Факторы, оказывающие влияние.

После возникновения, сигнал проходит за определенное время через атмосферу и достигает поверхности призмы. Сейчас сигнал должен быть отражен обратно в направлении инструмента. Далее будут описаны факторы, связанные с влиянием на отражение сигнала от призм. Точность установки инструмента над точкой будет полностью зависеть от геодезиста, но прочие параметры, описанные ниже, зависят только от изделия. В рамках комплекта инструмента, состоящего из прибора и аксессуаров Leica Geosystems, мощность сигнала, оптика и конструкция призмы совокупно обеспечивают максимальную производительность и непревзойденную точность измерений.

Точность центрирования 

Это измерение для точного соотношения оптического центра призмы с вертикальной осью держателя призмы. Его можно описать следующей формулой:

Важно понимать, что это еще не полное определение общей точности центрирования в данной контрольной точке. Трегер и штатив также будут играть немаловажную роль. Кроме того, следует учитывать точность измерения на выбранную призму, например, модель Leica Geosystems GPH1P с 0,3 мм или призма 360 ° GRZ122 с 2,0 мм. Механическая конструкция отражателей Leica Geosystems также учитывает минимизацию механического износа для обеспечения длительного жизненного цикла, превосходя ожидания клиентов относительно качества изделий.

Отклонение луча

Шлифовка стекла призмы играет важную роль при отражении сигналов. Чем точнее отшлифовано стекло призмы (углы и поверхности), тем точнее сигнал будет возвращен в обратном направлении (без потери интенсивности). Отклонение между входящим и исходящим лучами оказывает критическое влияние на диапазон измерений (Рис. 8). Отраженный сигнал изменяет свое направление в соответствии с углом отклонения. На рисунке 9 показано тестовое измерение отклонения угла при измерении на круглую призму, проведенное с помощью интерферометра.

Рисунок 8. Отклонение отраженного сигнала после выхода из призмы к прибору (угол отклонения по сравнению с направлением входящего сигнала).

Измерение расстояния основано на обнаружении разности фаз (или времени прохождения) между входящими и исходящими сигналами. Обычно геодезические отражатели имеют отклонение луча в несколько угловых секунд. Проверка отклонения луча ниже или выше пороговых значений выполняется после его сборки. Каждая выпущенная призма Leica проходит процедуру сертификации. Из примера, показанного на рис. 9, звездообразный рисунок, представляющий несколько более высокое отклонение, чем среднее, вызван краями призмы. Круглая призма, испытанная выше, имеет максимальное отклонение 0,8 угловой секунды. Это означает, что в каждой шестой части тела призматического стекла направление входящего луча отличается менее чем на 0,8 угловой секунды по сравнению с исходящим лучом. Однако, если исключить попадание луча на края призмы, то средние значения отклонения будут намного ниже одной секунды.

Рисунок 9. Измерение интерферометром для определения фазы однородности (качество шлифовки призменного стекла) отраженных лучей. 

Отражающее покрытие

Степень отражения определяется как способность материала - в данном конкретном случае - отражать видимое и инфракрасное излучение (длина волны EDM может отличаться у разных производителей). Это зависит как от самого материала, так и от качества поверхности. На рисунке 9 показан хорошо отшлифованный образец. Отражатели Leica Geosystems покрыты медным напылением (см. Рисунок 11). Его степень отражения выше 75%, оно очень надежно и не подвержено коррозии (инкапсулировано черной эпоксидной смолой).

Рисунок 10. Путь луча в тройной призме. Входящий и исходящий лучи. 

Это гарантирует длительный срок службы самого призматического стекла. Другие отражатели, представленные на рынке не имеют такого покрытия. Оно может повысить производительность EDM на 30%. Длина волны сигнала, излучаемого тахеометра Leica Geosystems варьируется от 658nm до 850nm (например, TCA2003 IR EDM оперирует на 850nm, тогда как TPS1200+ на 660nm).

Рисунок 11. Отражательная способность медного рефлекторного покрытия в зависимости от длины волны сигнала (EDM).

Согласно диаграмме отражательной способности, показанной на рисунке 11 (это видно при длинах волн EDM Leica Geosystems) значения отражательной способности находятся во всем диапазоне (660 нм-850 нм), обеспечивая максимальное отражение. Это один из аспектов, который гарантирует, что все модели отражателей Leica Geosystems могут работать со всеми тахеометрами Leica Geosystems.

Антиотражающее покрытие

Во время измерения расстояния большой процент сигнала возвращается через геодезическую призму, как показано на рисунках 10 и 12, но помимо желаемого отражения через призму, излучаемый EDM-сигнал также будет отражаться (обычно 4%) от передней поверхности. Эта часть возвращенного сигнала нарушит сигнал, поскольку время его движения меньше, так как он не проникает в стеклянную часть призмы. Это явление может происходить на близких расстояниях, предполагая очень точное наведение (линия визирования должна быть строго перпендикулярна поверхности призмы). В этом случае определяются более короткие расстояния. Чтобы избежать этого явления, призматическое стекло покрыто специальным антиотражающим покрытием. На рисунке 12 показан путь луча входящего сигнала. Ожидаемый сигнал отображается как красная линия (a). Он имеет самую сильную интенсивность (около 70%).

Рисунок 12. Отражательная способность антирефлекторного покрытия в зависимости от длины волны сигнала (EDM).

При использовании призмы без антирефлекторного покрытия (или покрытия, отрегулированного на неправильную длину волны) могут возникать ошибки измерения расстояния вплоть до 3 мм.

Рисунок 13. Различные отражения на призме, вызванные передней поверхностью, внутренней (передней) поверхностью или «нормальным» способом через задние поверхности

Сигнал, отраженный на внутренней поверхности, обозначен синим (b) (около 4%). Отражение, возникающее на передней поверхности, показано синей линией (c) (менее 2%).

Отражатели, изготовленные иначе, чем в Leica Geosystems, как правило, не имеют покрытия. Но следует также учитывать, что отражатели с покрытием, продаваемые разными производителями, также могут снизить точность измерений – это зависит от основных длин волн EDM, заложенных при разработке, поскольку антибликовые покрытия должны соответствовать длине волны используемых EDM-датчиков. Рисунок 14 показывает влияние на измерение расстояния на базисе 20 м. Чтобы наблюдать этот эффект, передняя поверхность призмы должна быть выровнена перпендикулярно линии визирования инструмента. Конструкция антирефлекторного покрытия для определенных круглых призм Leica Geosystems показана на рисунке 13. Происходит отражение не более 0,5% сигнала.

Рисунок 14. Влияние антирефлекторного покрытия на измерение расстояния.

С отражателями Leica Geosystems обнаружение правильного сигнала EDM обеспечивается на 100%.

Качество стекла

Отражатели Leica Geosystems изготовлены из стекла самого высокого качества. Следующие характеристики обеспечивают наилучшую производительность для дистанционных измерений и распознавания целей: 

Выравнивание/Установка

Круглые призмы требуют совмещения с линией визирования инструмента в пределах определенного допуска, показанного на рисунке 17. Допустимое отклонение будет ±10°. При наведении на призму, не перпендикулярно к линии визирования прибора, не так легко навестись на геометрический центр призмы. Это является следствием того, что показатели преломления между воздухом и стеклом отличаются, что добавляет возможную дальнейшую ошибку в измерении горизонтального направления.

Рисунок 15. Пример преломления в повседневной жизни - тот же эффект возникает при выполнении наклонных измерений в отражателях. Карандаш в водной среде, наблюдаемый при разных углах обзора

Карандаш на рисунке 15 демонстрирует описанный эффект – карандаш на левом изображении отличается от карандаша на правом, потому что показатели преломления воды и воздуха различаются. Наблюдение на призму строго перпендикулярно ее поверхности позволяет определить ее истинное положение. Leica Geosystems устанавливает визиры на производимые призмы (см. Рисунок 16). С помощью этого приспособления оператор может сделать быстрое и легкое выравнивание относительно линии визирования в течение нескольких секунд.

Рисунок 16. Круглая призма Leica Geosystems GPR1 с визиром для выравнивания. 

Если призмы не выровнены с осью визирования инструментов, то ось вехи не будет совпадать с видимым центром призмы (см. рис. 18). Впоследствии оператор будет нацелен на видимый центр призмы.

Этот недостаток сводится к минимуму благодаря специальной конструкции отражателей Leica Geosystems. При угле ниже 40 ° погрешность прицеливания будет меньше 0,5 мм, однако при угле более 50 ° она уже превышает 1 мм. 

Рисунок 17. Отклонение оси в зависимости от несоосности для отражателя Leica GPR1

Например, новейшие инструменты Leica Geosystems серии Nova обеспечивающую высочайшую точность измерения углов и расстояний. Чтобы полностью использовать весь потенциал, отражатель должен быть выровнен относительно оси визирования инструмента. При 60° отклонение будет выше 2,5 mm. Поскольку тело призмы симметрично, эффект вертикального смещения является таким же, как и для горизонтального смещения. При использовании отражателей Leica Geosystems процедура выравнивания максимально облегчена, но, в конечном счете, ответственность все же находится в руках геодезиста.

Рисунок 18. Истинный и наблюдаемый центр призмы.

Рекомендации по использованию геодезических призм и отражателей

Цель этой статьи - предоставить геодезистам базовые знания о процессах измерений на геодезические призмы. И для геодезистов, которые стремятся к наиболее точному измерению расстояний, в этой статье приводится краткое изложение как величин, так и эффектов различных призм, которые влияют на точность измерений. 

Для достижения максимальной точности:

• Используйте одни и те же типы призм, чтобы избежать ошибок центрирования разных отражателей; 
• При проведении измерений на коротких расстояниях убедитесь в том, что вы используете призмы с антирефлекторным покрытием; 
• Используйте призму, которая подходит для Вашего инструмента; 
• Всегда очищайте отражающую поверхность призмы от пыли для того, чтобы сигнал отражался максимально полно. 

Преимущества использования отражателей Leica Geosystems - это долгий срок службы, высокая точность и максимальная надежность. 

Понравилась статья? Посмотрите другие статьи в блоге НГК. 

Спасибо за внимание!