Разработка средств и методов высокоточных интерференционных угловых измерений в геодезии

Интенсивное изучение космического пространства, глобальные исследования движения земной коры, изучение природных ресурсов, создание крупных инженерных сооружений и целый ряд других современных научных и народнохозяйственных проблем вызывают необходимость не только значительного расширения объёмов различных видов геодезических измерений, но и существенного их совершенствования. В общем комплексе геодезических измерений важное место занимают угловые измерения. На современном этапе основные проблемы. дальнейшего совершенствования угловых измерений связаны с повышением предельной точности этих измерений, с разработкой методов высокоточного определения угловых величин в динамике, с автоматизацией угловых измерений, а также с созданием эффективных методов учёта влияния внешних условий на результаты этих измерений.

Современные достижения науки и техники открывают перспективу повышения предельной точности как угловых и линейных измерений /9,21/, так и гравиметрических определений /67/.

В области совершенствования угловых измерений за последние десятилетия проведены обширные исследования, направленные на повышение инструментальной точности угломерных приборов, а также на разработку методов ослабления влияния внешних условий на результаты угловых измерений /7,21,31,42/3⁵⁹, бз/.

Основные инструментальные источники ошибок современных угломерных инструментов к настоящему времени изучены детально / 1,2,14,21,25,37,4*, 72/.

Обобщение таких исследований за несколько прошедших десятилетий /14″ 15/ показывает, что повышение инструментальной точности измерения углов традиционными методами за счет улучшения технологии изготовления угломерных инструментов сопряжем, но с решением чрезвычайно сложных технических задач. В качестве примера отметим, что за последние 10−15 лет погрешность нанесения штрихов на лимбах была уменьшена всего в 2 раза t н с 1,0 до 0,5), а эллиптичность цапф — в 1,5 раза (с 0,3 до 0,2 мкм). Приведенные данные свидетельствуют о том, что для повышения инструментальной точности угломерных инструментов необходимо искать новые пути создания отсчетных систем таких приборов, разрабатывать новые теоретические предпосылки, открывающие перспективу дальнейшего повышения точности получения конечного результата измерения /21/, а также изыскивать новые технические решения, базирующиеся на применении других физических явлений/3,73, 24,33,51,52,59/.

Публикации о применении в угломерных инструментах новых физических принципов периодически появляются в печати (16,26, 45,64/. Однако многие из них оказываются малоэффективными при высокоточных угловых измерениях.

Наряду с совершенствованием конструкции отмеченных инструментов, значительное внимание уделяется изучению влияния внешних условий на угловые измерения, проявляющегося как через рефракционные явления, происходящие в атмосфере, так и через непосредственное воздействие метеофакторов на конструктивные узлы инструмента. В этой области предложены различные методы учета влияния атмосферы на угловые измерения. В частности, один из методов связан с выбором наивыгоднейшего времени наблюдений, при котором влияние рефракции минимально /19,69/. Другой метод основан на моделировании приземных слоев атмосферы с использованием измеренных параметров атмосферы (температуры, давления и влажности воздуха), с помощью которого предпринимаются попытки предсказать величину угловой рефракции /19,42,68/. Развиваемый в последние годы третий метод базируется на разработке специальных приборов, позволяющих определить величину угловой рефракции инструментальными методами /45,57,75,S (jf. За последнее десятилетие в ряде стран предпринимались попытки создания угловых рефрактометров, открывающих перспективу измерения угла атмосферной рефракции с точностью до нескольких угловых секунд /16,45,57,82,8//Основные технические трудности рассматриваемой проблемы сопряжены как с требованием создания угломерных инструментов, обладающих чрезвычайно высокой чувствительностью, оцениваемой сотыми долями угловой секунды, так и необходимостью выполнения измерений на фоне атмосферных турбулентных процессов, обуславливающих сравнительно кратковременные случайные изменения угла прихода интересующего нас светового луча, которые в отдельные моменты времени превышают искомый рефракционный угол более чем в 10 раз/iO, 11,22,52,6oj.

Наиболее эффективный метод повышения разрешающей способности угломерного инструмента неразрывно связан с полной автоматизацией всего процесса угловых измерений, которая предусматривает исключение всех субъективных визуальных методов отсчета с заменой их современными объективными оптико-электронными методами. Такой подход к решению данной проблемы наряду с повышением предельной чувствительности инструмента позволяет исключить из результатов измерения личные погрешности наблюдателя, а также получить, в случае необходимости, дополнительную информацию о закономерностях влияния «мешающих» турбулентных процессов на измеряемую угловую величину Д-/2,23,3?/.

Из большого разнообразия различных подходов к измерению угловых величин на основе использования тех или иных физических принципов, наибольшего внимания заслуживает интерференционный метод, позволяющий регистрировать изменения углов, оцениваемые тысячными долями угловой секунды /26, 33, 44, 63, 64 /. В последние годы исследователи различных стран мира на основе использования интерференционных принципов ведут интенсивные исследования по разработке таких ответственных узлов угломерных инструментов, как высокочувствительные датчики «угол-код», устройства для регистрации быстропротекающих процессов изменения угловых величин, обусловленных турбулентными процессами и др. /26, 33, 62, 63, 64, 81 /.

Исходя из вышеизложенного, в настоящей диссертационной работе предпринята попытка как теоретического, так и экспериментального обоснования перспективности применения интерференционных методов для создания высокочувствительных угломерных устройств, позволяющих решать разнообразные технические задачи. В качестве основы для проведения исследований в отмеченной области использованы предложения автора, связанные с применением интерференционных явлений, которые наблюдаются при взаимодействии обыкновенных и необыкновенных лучей, возникающих при прохождении лазерного излучения через двояко-преломляющие среды.

Развитые в первой главе диссертации теоретические предпосылки предложенных интерференционных методов угловых измерений позволили получить необходимые рабочие формулы, на основе использования которых под руководством автора разработано несколько типов различных интерференционных угломерных инструментов, предназначенных для решения различных геодезических задач/33,34/5,54/.

Одна из таких задач, связанная с разработкой интерференционных технических средств и методов оценки инструментальных погрешностей измерения углов высокоточными теодолитами, рассмотрена во второй главе диссертации. С помощью созданного в процессе проведения исследований лабораторного интерференционного прибора была проведена метрологическая аттестация точности определения вертикальных углов с помощью теодолита 0Т-02, Погрешность измерений, выполненных с помощью разработанного п образцового средства, не превышала 0,3, причем отмеченная величина для данного прибора не является предельной.

Исследования в данной области не следует рассматривать как решение частной технической задачи. Объективность получаемых результатов и высокая разрешающая способность угломерных интерференционных приборов открывают широкую перспективу для разработки целого комплекса поверочных средств и, тем самым, решить проблему, связанную с созданием более совершенной метрологической основы для высокоточных угломерных инструментов / 55,57/.

Анализ различных областей применения рассматриваемых в диссертации интерференционных приборов показал, что они могут с успехом использоваться не только при решении задач, связанных с геодезическими угловыми измерениями, но и в такой области, как гравиметрическое приборостроение. Отмеченный круг вопросов рассмотрен в третьей главе диссертации. В частности, для решения проблемы эталонирования гравиметров методом наклона автором был разработан специальный оптико-электронный интерференционный прибор, позволивший определять отмеченный угол наклона с точностью до 0,06, что более, чем в 2 раза превышает предельную точность, достигнутую с помощью других технических средств/67/.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрен круг вопросов, связанных с разработкой интерференционного оптико-электронного прибора для изучения флуктуаций угла прихода лазерного излучения, распространяющегося в приземных слоях атмосферы. На основе приведенных в данной области исследований создан макет такого прибора, с помощью которого в полевых условиях проведены исследования амплитудных и частотных характеристик угловых флуктуаций лазерного излучения/56/.

Как уже отмечалось выше, на протяжении нескольких последних Десятилетий в различных странах мира значительное внимание уделяется вопросам разработки технических средств и методов, позволяющих уменьшить влияние внешних условий на угловые геодезические измерения. В течение ряда лет автор диссертации принимал активное участие в разработке интерференционного дисперсионного углового рефрактометра, базирующегося на использовании интерференционного регистрирующего устройства. Результаты этих исследований обобщены в пятой главе диссертации. Хотя на данной стадии авторскому коллективу и не удалось создать угловой рефрактометр, полностью отвечающий требованиям геодезического производства, но на его основе проведены обширные исследования по изучению влияния турбулентных процессов на точность угловых измерений /57/.

В заключительной части диссертации обобщены результаты выполненных автором исследований в области угловых измерений интерференционными методами, а также конкретизированы области практического использования таких методов в современном то-пографо-геодезическом производстве.

Автор защищает следующие положения:

Разработку и использование интерференционных средств и методов, базирующихся на применении двойного лучепреломления в одноосном кристалле и используемых при высокоточных измерениях углов, а также особенности применения таких угломеров при решении различных технических задач, в том числе и как образцовых средств измерений при создании метрологической основы для проверки высокоточных теодолитов.

Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю, кандидату технических наук Генике Аркадию Александровичу, за большую помощь, оказанную как при постановке и проведении исследований, так и при анализе и обобщении полученных результатов.

Автор сердечно благодарен авторскому коллективу в составе старшего научного сотрудника, кандидата технических наук Михайлова Виктора Степановича и инженера Кириллова Юрия Петровича, совместно с которыми на протяжении ряда лет выполнялись многочисленные как полевые, так и лабораторные исследования.

— 10.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих печатных трудах автора:

1. «Измерения рефракции дисперсионным компенсационным методом», Труды ЦНИИГАиК, 1979 г., вып.221с. 16 — 32.

2. «Исследования флуктуаций лазерного излучения при его прохождении через атмосферу», Реф.сб.№ 36, серия «Геодезическая», ОНТИ ЦНИИГАиК, М., 1975 г., с. 21 — 24. и защищены следующими авторскими свидетельствами:

I. Авторское свидетельство № 67 2981(СССР), ЦНИИГАиК «Рефрактометр» .

— 117.

2. Авторское свидетельство № 792 102 (СССР), ЦНИИГАиК, «Способ измерения угловой атмосферной рефракции», ЕИ № 48, 1980.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные в настоящей диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования в области разработки высокоточных интерференционных угломеров, базирующихся на использовании эффекта двойного лучепреломления, позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Развитые принципы построения интерференционных угломерных устройств могут служить основой для создания новых типов угломеров, отличающихся от существующих более высокой инструментальной точностью, повышенным быстродействием и автоматизацией всего процесса угловых измерений. Отмеченные изменения позволяют существенно расширить область применения таких технических средств как за счет повышения точности угломерных измерений, так и за счет открывшейся возможности выполнять указанные измерения в динамике.

2. Объективность и высокая точность рассмотренных в работе угломеров дают основания рекомендовать их в качестве образцовых средств измерений как при метрологической аттестации различных типов геодезических угломерных устройств, так и для всестороннего исследования инструментальных источников ошибок таких приборов.

3. Накопленный опыт практического использования созданных интерференционных угломеров свидетельствует о том, что они с успехом могут применяться как в геодезии при решении различных геодезических задач, так и в геофизике (в частности, при исследованиях разного рода гравиметров).

4.

Введение

в состав интерферометра быстродействующих регистрирующих устройств позволяет проводить всесторонние исследования угловых флуктуаций принимаемых оптических излучений, прошедших через турбулентную атмосферу. Получаемая при этом информация может быть использована не только для оценки изменений результирующих углов прихода, но и для исследования спектральных свойств флуктуационных процессов.

5. Создание дисперсионного интерференционного угломера и проведенные на его основе полевые исследования выявили необходимость более тщательного как теоретического, так и экспериментального изучения физических процессов, связывающих между собой рефракционные и дисперсионные эффекты в условиях реальной турбулентной атмосферы.

Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании «Современные методы учета и исключения влияния рефракции световых волн при геодезических и астрономических измерениях» (г.Львов, 1974 г.), на Международном научном коллоквиуме «Влияние рефракции и турбулентности атмосферы на визирные и лазерные лучи» (ГДР, Дрезден, 1977 г.) и на Международном симпозиуме по электромагнитным методам измерения расстояний и учета влияния внешних условий на геодезические измерения (ПНР, Варшава, 1979 г.).