Lasery i ich zastosowanie
w geodezji
 Light
Amplification
by
Stimulated  LASER
Emission
of
Radiation
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),
- czÄ…steczkowe,
- 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 wynikajÄ… 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. y
ródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych:
" elektrooptyczne dalmierze laserowe,
" skanery laserowe,
" interferometry laserowe,
3. Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn.
Pierwszymi konstrukcjami sÄ… typowe urzÄ…dzenia laserowe
składające się z lasera i lunety kolimacyjnej (teleskopowej)
ogniskujÄ…cej.
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 (wskaz
niki) laserowe.
Ta grupa rozwiązań, w szczególności wskaz
niki 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
wskaz
nika przed wpływami atmosfery wyrobiska (zawilgocenie,
zapylenie).
Drugą tendencją konstrukcji jest łączenie klasycznych przyrządów
optycznych z laserami.
Stosuje siÄ™ cztery podstawowe rozwiÄ…zania:
" wprowadzenie do lunety od strony okularu wiÄ…zki 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 ogniskujÄ…ca, 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 = Ä… (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
prÄ…d elektryczny. Gdy wiÄ…zka przemieszcza siÄ™ 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 wiÄ…zki laserowej
Tą metodę detekcji środka
wiÄ…zki laserowej stosuje siÄ™
m.in. do:
" pomiaru wychyleń
budynków wysokich,
" pomiaru ugięć mostów,
" pomiaru refrakcji wiÄ…zki
laserowej.
Położenie elementu na matrycy CCD
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) pozwalajÄ… na wizualizacje
płaszczyzny poziomej bądz
nachylonej pod odpowiednim kÄ…tem.
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
wiÄ…zka laserowa nie jest widoczna.
Większość niwelatorów laserowych wyposażonych jest w kolimator, który
zdecydowanie przyśpiesza pracę przy wyznaczaniu płaszczyzn
poziomych.
Niwelatory laserowe znajdujÄ… zastosowanie na budowach, w robotach
ziemnych oraz pracach tyczeniowych. Są także wykorzystywane przy
sterowaniu maszynami.
Niwelator laserowy wykorzystany do sterowania pracÄ… maszyn
Wskaz
nik 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
optoelektronicznÄ….
Niwelator kodowy Topcon DL-101C Niwelator kodowy Leica Na 2002
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
matrycÄ™ 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 Å‚aty 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 samopoziomujÄ…cy, 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/