ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОГО РАЗВОРОТА Российский патент 1995 года по МПК G01C15/00 

Изобретение относится к геодезическому приборостроению и может применяться в геодезических и маркшейдерских измерениях.

В маркшейдерских и инженерно-геодезических работах сложной задачей является передача азимутальных направлений в помещения или подземные объемы, доступ к которым открыт через узкие отверстия в верхнем перекрытии или в днище. Использование обычных теодолитных измерений горизонтальных углов в таких случаях невозможно, а магнитная ориентация дает либо низкую точность, либо невозможность из-за металлоконструкций.

Известно использование гироскопических устройств типа гирокомпасов [1] с помощью которых определяется направление географического меридиана. При установке таких устройств на угломерные приборы типа теодолитов возможно определение азимутального направления в замкнутых объемах относительно направления на географический север. Недостатком таких устройств является малая точность измерений при большой длительности процесса определения направления меридиана. Известный гироскоп дает направление меридиана с ошибкой ±20 угловых секунд за интервал измерений в 20 мин, а гиротеодолит Г1-В2 ±12 угловых секунд за 30-40 минутный интервал.

Известно также использование поляриметрической аппаратуры для вертикальной передачи ориентирных направлений [2] В нем использован способ измерения угла скручивания двух объектов с помощью поляризационных оптико-электронных угломеров, использующих модуляцию поляризованного излучения путем колебания азимута линейно-поляризованного излучения. В отличие от большинства других способов, он не требует проводной связи между двумя объектами и обеспечивает точность передачи около ±10 угловых секунд за 30 минутный интервал времени. Известная поляриметрическая система включает раздельно установленные на одной вертикальной линии поляриметрический передатчик и поляриметрический приемник. При работе поляриметрический приемник устанавливают под самым низким из связываемых горизонтов, а на связываемые горизонты поочередно устанавливают поляриметрический передатчик.

Поляриметрический передатчик содержит угломерное устройство со зрительной трубой на горизонтальной оси вращения, горизонтальный лимб с отсчетным устройством, полой вертикальной осью вращения и установленный на алидаде и жестко связанные с ней источник линейно поляризованного излучения в виде лазера и поляризатора, оптическая ось которого расположена по оси вращения алидады.

Поляриметрический приемник содержит фотоэлектрический датчик-индикатор поляризованного излучения, включающий модулятор Фарадея, анализатор, фотоприемник и устройство обработки информационного сигнала от передатчика.

Недостатками известной поляриметрической системы являются необходимость установки поляриметрического приемника под самым низким из связываемых горизонтов, что в некоторых случаях бывает невозможно или требует специальных строительных работ. Кроме того, из-за отсутствия поворотных устройств поляриметрического приемника невозможна передача азимута по ломаной линии путем горизонтальной связи поляриметрических передатчика и приемника.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей поляриметрической системы измерения взаимного разворота.

Указанный результат достигается тем, что усовершенствуется известная поляриметрическая система измерения взаимного разворота, включающая раздельно установленные поляриметрический передатчик, содержащий первое угломерное устройство со зрительной трубой на горизонтальной оси вращения, горизонтальный и вертикальный лимбы с отсчетным устройством, полой вертикальной осью вращения алидады и источник поляризованного излучения, и поляриметрический приемник, содержащий фотоэлектрический датчик-индикатор поляризованного излучения с первым анализатором и первым фотоприемником.

Отличительными признаками поляриметрической системы измерения взаимного разворота является введение в поляриметрический приемник второго угломерного устройства со зpительной трубой на горизонтальной оси вращения, горизонтальным и вертикальным лимбами и отсчетными устройствами и полой вертикальной осью вращения. Оптические оси поляриметрического приемника и источника поляризованного излучения передатчика установлены параллельно или коаксиально с оптическими осями зрительных труб второго и первого угломерных устройств соответственно и проходят через пересечения вертикальной и горизонтальной осей угломерных устройств. Поляриметрический передатчик снабжен фазовым электрооптическим модулятором, установленным на оптической оси источника поляризованного излучения, а подключенным к нему генератором периодических электрических сигналов. Датчик-индикатор поляриметрического приемника снабжен светоделителем, установленным на оптической оси перед первым анализатором и первым фотоприемником, и установленными по оптической оси отведенного светоделителем излучения вторым анализатором, азимут плоскости наибольшего пропускания которого развернут на 45 градусов относительно азимута плоскости наибольшего пропускания первого анализатора, вторым фотоприемником. Угол разворота поляриметрического приемника относительно поляриметрического передатчика α определяется зависимостью
α 0,5 arctg U₁/U₂ ˙k где k отношение коэффициентов пропускания и отражения светоделителя,
U₁/U₂ отношение сигналов первого и второго фотоприемников соответственно, а знак угла разворота определяется по разности фаз сигналов первого и второго фотоприемников.

В поляриметрический приемник может быть введен конденсатор Солейля, подключенный ко второму входу вычислителя углового положения. Кроме того, зрительные трубы приемника и передатчика могут быть снабжены окулярными микрометрами и реверсионными уровнями, установленными взаимно перпендикулярно друг к другу и ортогонально оптическим осям.

На чертеже показан возможный вариант исполнения поляриметрической системы измерения взаимного разворота. На нем обозначены: угломерное устройство поляриметрического передатчика 1, угломерное устройство поляриметрического приемника 2, зрительные трубы 3, полые вертикальные оси угломерных устройств 4, источник поляризованного излучения 5, поляризационный анализатор 6, фотоприемник 7, фазовый электрооптический модулятор 8, генератор периодических электрических сигналов 9, светодилитель 10, компенсатор Солейля 11, окулярный микрометр 12, призменная система совмещения оптических осей 13, призма в зрительной трубе 14, реверсионные уровни 15, контрольный источник света 16.

Угломерное устройство передатчика 1 показано направленным вниз через полую ось 4 на приемник 2, который, в свою очередь, направлен вверх, на передатчик 1. На оптической оси источника поляризованного излучения 5, например, лазера, установлены четвертьволновая фазовая пластина и кристаллический элемент Поккельса, совместно образующие фазовый электрооптический модулятор 8, к кристаллооптическому элементу которого подключен генератор периодических электрических сигналов 9. На оптической оси первого фотоприемника 7(1) и первого анализатора 6(1) установлены светоделитель 10 и компенсатор Солейля 11, а во втором приемном канале второй анализатор 6(2) и второй фотоприемник 7(2). Коаксиальное совмещение оптических осей приемника и передатчика с оптическими осями зрительных труб выполняется плазменными системами 13(2) и 13(1) соответственно. Зрительные трубы 3 за счет прямоугольных призм имеют окуляры и микрометры 12 на горизонтальных осях вращения, что обеспечивает наблюдение как вверх, так и вниз по вертикальному направлению, причем точная установка производится с помощью двух реверсионных уровней 1,5. Лимбы и отсчетные устройства не показаны, так как они могут быть любыми для классических угломерных устройств.

Поляриметрическая система измерения взаимного разворота работает следующим образом. Угломерные устройства передатчика 1 и приемника 2 устанавливают на двух связываемых горизонтах по одной вертикальной линии. Для установки используют зрительные трубы 3 и реверсионные уровни 15, а также окулярные микрометры 12 зрительных труб. При этом безразлично, какой из угломерных приборов, приемника 2 или передатчика 1, установлен вверху, а какой внизу. Затем зрительные трубы 3 направляют на связываемые по азимуту соседние наблюдаемые пункты и берут отсчеты по лимбам угломерных приборов. После этого направляют с помощью зрительных труб 3 оптические оси приемника и передатчика друг на друга и включают приемник и передатчик. Разворот передатчика при этом не требуется, но если он произведен, то берется дополнительный отсчет по горизонтальному лимбу и используется в дальнейших вычислениях. Периодические электрические сигналы генератора 9 поступают на кристаллооптический элемент Поккельса. Плоскополяризованное излучение источника 5, в качестве которого удобно использовать лазер, пройдя фазовую четвертьволновую пластину модулятора 8, превращается в циркулярно поляризованное излучение, которое кристаллооптическим элементом модулятора с периодичностью, задаваемой генератором 9, меняет эллиптичность (размеры полуосей эллипса) при сохранении направления осей эллипса поляризации. Пройдя призменный элемент 13(1), а затем 13(2), излучение проходит компенсатор Солейля 11, установленный, например, в нулевое положение и попадает на светоделитель 10. После светоделителя одна часть излучения через анализатор 6(1) попадает на фотоприемник 7(1), а другая часть, через анализатор 6(2) на фотоприемник 7(2). В том случае, когда оси эллипса поляризации пришедшего излучения составляют угол 45^о с плоскостью наибольшего пропускания одного из анализаторов, фотоприемник, стоящий за этим анализатором, в своем сигнале не имеет переменной составляющей (т. е. U₁ 0). Второй фотоприемник, стоящий за вторым анализатором, при этом имеет максимальную величину переменной составляющей, т. е. U₂ 1. Величина tg U₁/U₂ 0 и значит угол α 0, т.е. приемник и передатчик не имеют взаимного разворота и отсчет по горизонтальному лимбу угломерного устройства приемника 2 сопряжен с отсчетом по горизонтальному лимбу угломерного устройства передатчика 1. При взаимном развороте приемника и передатчика U₁ ≠ 0, величина tg U₁/U₂ ≠ 0 и в блоке отображения информации поляриметрического приемника появляется связанная с величиной разворота цифра угла α, зависящая от U₁ и U₂, а знак разворота определяется по разности фаз сигналов U₁ и U₂. Калибровка фотоприемных каналов от фотоприемников 7(1) и 7(2) может производиться с помощью вспомогательного источника 16, например, светодиода, освещающего оба фотоприемника. В некоторых случаях, например, когда желательно совпадение величин отсчетов по угломерным устройствам приемника 2 и передатчика 1, возможно дополнительное разворачивание производить не за счет механического поворота лимбов, а путем разворота плоскости поляризации компенсатором Солейля 11.

После передачи азимута по вертикали с первого на второй горизонт, приемник либо передатчик могут быть перенесены с первой точки в другую (третью) точку ломаной линии (теодолитного хода) того же горизонта, с которой необходимо продолжить передачу азимута по вертикали. При прямой видимости может быть выполнена горизонтальная связь с использованием только зрительных труб угломерных устройств приемника и передатчика. В случае горизонтального излома линии в точках излома могут быть установлены вспомогательные теодолиты. Затем со второй точки прибор переносится в четвертую точку на другом горизонте, и повторяется операция передачи азимута по вертикали. Таким образом может быть выполнена передача азимута по изломам в двух плоскостях (например, в шахте или в здании).

Технико-экономическое преимущество системы заключается в больших, чем у прототипа, функциональных возможностях и повышение точности сигнала фотоприемника.

Использование: геодезическое приспособление, в частности в геодезических и маркшейдерских измерениях для передачи азимута по вертикальному направлению. Сущность изобретения: в поляриметрическую систему, содержащую лазерный передатчик и фотоприемник с поляризационным анализатором, установленные на одной вертикали, дополнительно введен фазовый модулятор лазерного излучения в передатчике и второй фотоприемник с поляризованным анализатором, развернутым плоскостью наибольшего пропускания на 45 град, относительно плоскости наибольшего пропускания первого анализатора. При этом угол разворота приемника относительно передатчика определяют, используя соотношения: α = 0,5 arctg U₁/U₂·k где k -отношение коэффициентов пропускания и отражания светоделителя, U₁/U₂ -отношение сигналов первого и второго фотоприемников, а знак угла определяется по разности фаз сигналов первого и второго фотоприемников. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНОГО РАЗВОРОТА, включающая раздельно установленные поляриметрический передатчик, содержащий первое угломерное устройство со зрительной трубой на горизонтальной оси вращения, горизонтальный и вертикальный лимбы с отсчетным устройством, полой вертикальной осью вращения и источник поляризованного излучения, и поляриметрический приемник, содержащий фотоэлектрический датчик-индикатор поляризованного излучения с первым анализатором и первым фотоприемником, отличающаяся тем, что в поляриметрический приемник введено второе угломерное устройство со зрительной трубой на горизонтальной оси вращения, горизонтальными и вертикальным лимбами с отсчетными устройствами и полой вертикальной осью вращения, причем оптические оси поляриметрического приемника и источника поляризованного излучения передатчика установлены параллельно или соосно с оптическими осями зрительных труб второго и первого угломерных устройств соответственно и проходят через пересечения вертикальной и горизонтальной осей угломерных устройств, поляриметрический передатчик снабжен фазовым электроопитческим модулятором, установленным на оптической оси источника поляризованного излучения, и подключенным к нему генератором периодических электрических сигналов, а датчик-индикатор поляриметрического приемника снабжен светоделителем, установленным на оптической оси перед первым анализатором и первым фотоприемником, и установленными на оптической оси отведенного светоделителем излучения вторым анализатором, азимут плоскости наибольшего пропускания которого развернут на 45^o относительно азимута плоскости наибольшего пропускания первого анализатора, вторым фотоприемником, причем угол разворота α поляриметрического приемника относительно поляриметрического передатчика определяется зависимостью
a=0,5arctgU₁/U₂·K,
где K отношение коэффициентов пропускания и отражения светоделителя,
U₁/U₂ отношение сигналов первого и второго фотоприемников соответственно,
а знак угла разворота определяется по разности фаз сигналов первого и второго фотоприемников. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в поляриметрический приемник введен компенсатор Солейля, подключенный к входу вычислителя углового положения. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что зрительные трубы приемника и передатчика снабжены окулярными микрометрами и двумя реверсионными уровнями, установленными взаимно перпендикулярно и ортогонально оптическим осям.