Lasery i ich zastosowanie

w geodezji

L

ight

A

mplification

by

S

timulated

– LASER

E

mission

of

R

adiation

wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania

Klasyfikacja laserów

(może być przeprowadzona wg stanu skupienia, rodzaju materiału czynnego oraz
sposobu pracy)

1. Lasery na ciele stałym (neodymowy, rubinowy)

2. Lasery gazowe:

- atomowe (helowo-neonowe),

-

cząsteczkowe,

- jonowe,

- ekscymerowe.

3. Lasery barwnikowe (barwnik organiczny w ciekłym roztworze)

4. Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)

5. Lasery światłowodowe

6. Lasery na swobodnych elektronach (FEL)

Cechy światła laserowego

Z samego zjawiska emisji wymuszonej

wynikają podstawowe cechy

światła laserowego.

1.

Monochromatyczność – ciąg falowy ma tę samą długość fali.

2.

Równoległość promieniowania.

3. Koherencja

(spójność), czyli uporządkowanie czasowo-przestrzenne

emitowanej fali.

Rozróżniamy spójność przestrzenną i czasową.

Światło spójne jest skłonne do interferencji tzn. dwa ciągi falowe
wyodrębnione z wiązki takiego światła interferują ze sobą.

Jeśli interferują dwa ciągi falowe emitowane z różnych punktów lasera to
mówimy o spójności przestrzennej.

Jeśli interferują ciągi falowe emitowane z tego samego punktu lasera, ale
w

różnym czasie, to mówimy o spójności czasowej.

Eksperyment,

którym

możemy

sprawdzić

czy

laser

emituje

promieniowanie

spójne (spójność przestrzenna) jest doświadczenie

z

oświetleniem wiązką laserową dwóch szczelin.

Klasyfikacja funkcji i zastosowania laserów w geodezji

1. Wizualizacja w przestrzeni linii, płaszczyzn i punktów pomiarowych
a) poziomych:
• niwelatory laserowe,
• niwelatory optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi,
b) pionowych:
• pionowniki laserowe,
• pionowniki optyczne z laserami,
c) dowolnie nachylonych:
• teodolity laserowe,
• teodolity optyczne z laserami,
• rzutniki, projektory laserowe,
• aliniometry laserowe,
• inne,

2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych:
• elektrooptyczne dalmierze laserowe,
• skanery laserowe,
• interferometry laserowe,

3. Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn.

Pierwszymi

konstrukcjami

są

typowe

urządzenia laserowe

składające się z lasera i lunety kolimacyjne

j (teleskopowej)

ogniskującej.

W zależności od sposobu ukierunkowania wiązki w przestrzeni przez takie
urządzenie wyróżniamy w tej grupie:

• niwelatory laserowe (libelowe i kompensacyjne),
• pionowniki laserowe (libelowe i kompensacyjne),
• teodolity laserowe,
• aliniometry,
• rzutniki (wskaźniki) laserowe.

Ta grupa

rozwiązań, w szczególności wskaźniki laserowe, jest najczęściej

stosowana w geodezji

górniczej do nadawania kierunku wyrobisk, gdyż

ich koszt jest znacznie mniejszy od kosztu teodolitu laserowego oraz
dzięki temu, iż istnieje możliwość lepszego zabezpieczenia takiego
wskaźnika przed wpływami atmosfery wyrobiska (zawilgocenie,
zapylenie).

Drugą tendencją konstrukcji jest

łączenie klasycznych przyrządów

optycznych z laserami

.

Stosuje

się cztery podstawowe rozwiązania:

• wprowadzenie do lunety od strony okularu wiązki laserowej
bezpośrednio z lasera za pomocą łączników,

• demontuje się okular a na jego miejsce zakłada się konstrukcję
z

niezależnym układem optycznym (płytka światłodzieląca i okular),

• laser umieszczany jest w środku lunety, promień lasera przechodzi przez
układ płytek, potem przez układ lunety i wychodzi na zewnątrz, omija
okular

a

rekompensują to układy soczewek, które zastępują

zogniskowanie przez okular,

• luneta, okular, soczewka ogniskująca, na wspornikach laser z zasilaniem
(nasadka laserowa).

Detekcja

– rozumiemy przez to wyznaczanie współrzędnych

(określenie położenia) środka wiązki laserowej

Trzy metody detekcji:

1) wizualna

– polega na ustaleniu środka wiązki za pomocą wzroku.

Należy plamkę aproksymować do regularnego kształtu i wyznaczyć
środek (koła lub elipsy). Błąd średni detekcji wizualnej
m =

± (1 - 2 mm/100 m). Do detekcji wizualnej stosujemy specjalne

ekrany obserwacyjne z naniesionym na nich

podziałem.

2) fotoelektryczna

– polega na zastosowaniu jako urządzeń

odbiorczych

fotoprzetworników

(fotodiody,

fotogniwa,

fototranzystory)

są to urządzenia zamieniające energię świetlną na

prąd elektryczny. Gdy wiązka przemieszcza się to indukowany jest
prąd – wartość prądu informuje o wartości przesunięcia osi wiązki.

Dokładność tej metody zależy głównie od:

-

stabilności sygnału,

- stopnia wzmocnienia

sygnału.

Możliwe w metodzie fotoelektrycznej są do osiągnięcia dokładności do
setnych

części milimetra.

Układy takie można stosować do systemów pomiarowych rejestrujących
zmianę położenia środka wiązki w czasie. Wykorzystuje się przy tym
zasadę, że wartość prądów różnicowych jest proporcjonalna do
przemieszczeń środka wiązki laserowej od położenia centralnego.
Zależność między wartościami prądów a przemieszczeniem ustalana jest
na drodze

pomiarów testowych.

Rozkład natężenia w plamce musi być jednorodny.

Jednak

dokładność tej metody detekcji, w warunkach terenowych, jest

porównywalna do dokładności metody wizualnej.

3) zastosowanie matryc CCD (kamer cyfrowych)

– CCD składa się z przetworników, układ do określania środka wiązki jest
układem współrzędnych pikseli matrycy. Pomiar odbywa się na zasadzie
zliczania pikseli

zajętych przez plamkę i uśrednienia położenia środka

plamki w

układzie pikseli matrycy.

Schemat systemu detekcji wiązki laserowej

Położenie elementu na matrycy CCD

Tą metodę detekcji środka
wiązki laserowej stosuje się
m.in. do:

• pomiaru

wychyleń

budynków wysokich,

• pomiaru ugięć mostów,

• pomiaru refrakcji wiązki
laserowej.

Literatura

Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary

odległości i kątów, WNT, Warszawa 1987.

Kraus M., Woschni E. G., Systemy pomiarowo-informacyjne, PWN, Warszawa 1979.

Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne
dalmierze elektromagnetyczne do

pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa – Wrocław 1991.

Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków 1995.

Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH,

Kraków 1984.

Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn 2007.

www.zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/w18.htm
(dostęp dn. 10.10.2010)

www.zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/w19.htm
(dostęp dn. 10.10.2010)

Niwelatory laserowe

(lasery obrotowe)

Niwelatory laserowe (lasery obrotowe)

pozwalają na wizualizacje

płaszczyzny poziomej bądź nachylonej pod odpowiednim kątem.

Odbywa

się to dzięki wiązce laserowej, która z dużą prędkością obracana

jest

wokół osi głównej instrumentu.

Możliwy jest bezpośredni odczyt z łaty przez osobę trzymającą ją.
Wykorzystuje

się do tego także specjalne fotodetektory, które pozwalają

na

zwiększenie dokładności pomiarów a czasem są one niezbędne, gdy

wiązka laserowa nie jest widoczna.
Większość niwelatorów laserowych wyposażonych jest w kolimator, który
zdecydowanie

przyśpiesza pracę przy wyznaczaniu płaszczyzn

poziomych.

Niwelatory laserowe

znajdują zastosowanie na budowach, w robotach

ziemnych oraz pracach tyczeniowych.

Są także wykorzystywane przy

sterowaniu maszynami.

Niwelator laserowy wykorzystany do sterowania pracą maszyn

Wskaźnik zamocowany na maszcie lemiesza pokazuje operatorowi

wysokość, na jakiej ma ustawić element roboczy maszyny

Sposoby zastosowania niwelatora laserowego

TOPCON RL 25
-

światło: 633 nm widzialny czerwony promień lasera

-

wyznaczanie płaszczyzny poziomej, pionowej i linii pionu

-

ręczne poziomowanie niwelatora (dwie libele rurkowe)

-

funkcja skanowania ograniczająca ruchy głowicy lasera

-

dokładność +- 4,4mm/30m, +-30"

-

prędkość obrotowa 0/80/300 obr./min.

-

zasięg pracy z czujnikiem: 200 m, zasięg pracy z płytką skanującą: 60 m

- warunki pracy: od - 20

°C do + 50°C

- zasilanie: baterie alkaliczne - do 80 h
- wymiary: 130 mm x 100 mm x 160 mm
- masa: 1,8 kg

Niwelatory cyfrowe (kodowe)

techniczne precyzyjne

Powszechnie w

użyciu spotyka się niwelatory kodowe, które coraz

bardziej

wypierają z rynku niwelatory klasyczne. Wynika to z ich większej

wydajności oraz możliwości automatyzacji pomiarów i opracowania
wyników.

Wszystkie modele

niwelatorów cyfrowych działają na podobnej zasadzie.

We wszystkich

oś celowa ustawiona jest w kierunku poziomym dzięki

układom kompensacyjnym.

Różnią się od niwelatorów tradycyjnych sposobem identyfikacji odczytu
położenia osi celowej na łacie, który wykonywany jest metodą
optoelektroniczną.

Niwelator kodowy Leica Na 2002

Niwelator kodowy Topcon DL-101C

W

lunecie

każdego niwelatora zamontowany jest przetwornik

optoelektroniczny obrazu

łaty. Stosuje się łaty z podziałem w formie

specjalnego kodu,

który złożony jest z naprzemianległych pól jasnych

i ciemnych o

różnej grubości.

Odczyt

położenia osi celowej na takiej łacie odbywa się na zasadzie

porównania dwóch obrazów: łaty zrzutowanej przez układ optyczny na
matrycę kamery cyfrowej CCD i wzorca wprowadzonego do
mikroprocesora przez producenta.
Porównywanie odbywa się metodą korelacji przetwarzanego sygnału
pomiarowego z

sygnałem wzorcowym.

W procesie tym

pożądana jest znajomość odległości ogniskowania d

(odległość niwelatora od łaty), która z dokładnością do decymetra lub
kilku

centymetrów wyznaczana jest w niwelatorze najczęściej z analizy

położenia soczewki ogniskującej układu optycznego. Dlatego też,
w czasie

pomiarów należy zawsze pamiętać, aby ustawić ostry obraz łaty.

W niwelatorze cyfrowym zastosowano czujnik

położenia soczewki

ogniskującej, względem stałego punktu odniesienia, z którego jest
wyznaczana

odległość do łaty. Znajomość odległości przyśpiesza

wykonywanie korelacji.
Liczba obliczeń w celu rozwiązania korelacji została zredukowana poprzez
zastosowanie dwóch etapów interpolacji – korelacji zgrubnej i dokładnej.

W korelacji zgrubnej wykorzystywana jest

odległość wyznaczona

z

położenia soczewki ogniskującej. W jej wyniku powstaje pole do

udokładnienia odczytu w korelacji dokładnej, w wyniku której zostaje
zidentyfikowany odczyt

odpowiadający odległości od zera łaty do osi

celowej niwelatora.
Prawie

każdy niwelator kodowy pozwala na eksport danych do komputera

za

pomocą odpowiedniego portu lub karty pamięci. Dzięki temu możliwe

jest

bezpośrednie przeniesienie odpowiednio sformatowanych wyników

do programu obliczeniowego oraz ich archiwizacja.

Oprogramowanie

niwelatorów

kodowych

udostępnia

wiele

trybów pomiarów, jak również
pozwala na wykonanie

obliczeń

oraz

kalibracje

instrumentu.

Zależy

to

jednak

do

producentów sprzętu i ich
oprogramowania.

Na wykonywanie

odczytów niwelatorami kodowymi mają

wpływ

warunki

zewnętrzne

, takie jak:

- turbulencja powietrza w wysokich temperaturach,
- drgania kompensatora

wywołane silnym wiatrem,

- niejednorodne

oświetlenie łaty,

- kontrast i

oświetlenie tła łaty oraz odblaski od podłoża i obiektów obok,

-

zasłonięcie części łaty (może uniemożliwić pomiar nawet, gdy zasłonięta

jest

część łaty, w którą nie celujemy - widoczna musi być odcinek łaty

o

określonej długości).

Dokładność pomiaru

zależy od oddziaływania wewnętrznego

i

zewnętrznego, czyli:

-

dokładność wyznaczenia pozycji względnej,

- skali obrazu

łaty kodowej,

-

jakość oświetlenia,

- wyboru programu pomiarowego i jego

dokładności,

-

dokładności (w tym rodzaju łaty) i sposobu ustawienia łaty.

Do

zalet

niwelatorów cyfrowych

zaliczyć należy:

-

większą efektywność pomiarów dzięki automatyzacji,

- wykluczenie

z

pomiarów błędów grubych popełnianych przez

obserwatora podczas wykonywania odczytu,

-

możliwość prowadzenia pomiarów w warunkach niestabilnych przy

zastosowaniu odpowiedniego trybu pracy,

- automatyczna (w ograniczonym zakresie !!!) kontrola

poprawności

i

dokładności pomiarów.

TOPCON DL-101C -

niwelator samopoziomujący, cyfrowy (kodowy)

Parametry:
-

powiększenie 32x,

-

średnica obiektywu 45 mm,

- zakres pracy kompensatora 1

’,

-

dokładność ustawienia kompensatora 0.3",

-

dokładność 0.4 mm/ 1 km przy odczycie elektronicznym na łacie

kodowej, inwarowej,
-

możliwość stosowania łat fiberglasowych i aluminiowych,

-

dokładność 1 mm/km przy odczycie optycznym,

-

najmniejsza działka 0.01 mm lub 0.1 mm,

-

dokładność pomiaru odległości do łaty do 5 cm,

- zakres pomiarowy od 2 m do 60 m,
- czas pomiaru 4 sekundy,
- waga 2.8 kg.
Zalety DL-101C:
- szybki pomiar,
-

możliwość rejestracji danych i ich transmisji,

- oprogramowanie dedykowane, programy pomiarowe.
Wady DL-101C:
- reaguje na zmiany temperatury,
-

czuły na zmiany warunków oświetlenia.

LITERATURA

Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji, WNT, Warszawa 1987.

Ingensand H., Check of Digital Levels, FIG XXII International Congress Washington, D.C. USA, April 19-26

2002

Ingensand H, The evolution of digital levelling techniques

– limitations and new solutions,

www.fig.net/commission5/reports/gavle/ingensand.pdf
Płatek A., Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji, Wyd. AGH, Kraków 1995.
Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn 2007.
Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. I, Magazyn Geoinformacyjny

GEODETA nr 6 (145), czerwiec 2007.

Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. II, Magazyn Geoinformacyjny

GEODETA nr 7 (146), lipiec 2007.

Instrukcja

obsługi niwelator kodowy Topcon DL-101C/DL-102C

www.oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/wykl17.html

www.leica-geosystems.pl/ www.tpi.com.pl/

www.muratorplus.pl/technika/maszyny-urzadzenia-budowlane/niwelator-laserowy-pr-20_58317.html

www.constructsystems.pl/w-praktyce/niwelator-laserowy-do-lania-stropow/

www.rotarylaserreviews.com/ www.spectraprecision.com/ www.woocash.pl/